初探ndk的世界

Posted 2023-02-20 半岛铁盒里的猫

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上一篇初探ndk的世界（一）主要介绍了ndk的背景和java和C++如何交互，如果还没看过上一篇，那最好先看一下，因为这一篇将继续上一篇没有讲完的ndk话题，让我们对ndk的世界接触得更加旷阔一点。

ndk相关：
初探ndk的世界（一）
初探ndk的世界（二）

处理Java对象

上一篇曾讲过将Java的String对象作为方法参数传入到C++层中，那么普通的自定义对象又是如何处理的呢？

Native中修改Java传过来的对象

先创建一个Java类Person：

public class Person 
    private String name;
    private int age;
    public String getName() 
        return name;
    
    public void setName(String name) 
        this.name = name;
    
    public int getAge() 
        return age;
    
    public void setAge(int age) 
        this.age = age;
    

    @Override
    public String toString() 
        return "Person" +
                "name='" + name + '\\'' +
                ", age=" + age +
                '';
    

Java层中添加Native方法：

public native Person setInfoForPerson(Person person);

C++层中实现Native方法：

extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_setInfoForPerson(JNIEnv *env, jobject thiz, jobject person) 
    // 找到对象的Java类
    jclass personClass = env->FindClass("com/example/ndkdemo/Person");

    // 对应的Java属性
    jfieldID name = env->GetFieldID(personClass, "name", "Ljava/lang/String;");
    jfieldID age = env->GetFieldID(personClass, "age", "I");

    //属性赋值，person为传入的Java对象
    env->SetObjectField(person, name, env->NewStringUTF("wangtao"));
    env->SetIntField(person, age, 20);

    return person;

要对Java对象的属性进行修改依然是反射操作，首先拿到属性的id，然后调用JNIEnv 的set(类型名)Field就可以修改。

还是之前说过的3步曲：

1. 获取Java对象对应的class对象在Native层的映射jclass 对象。
2. 通过jclass 对象得到属性的id。
3. 通过属性id去修改值。

测试下，在Java中MainActivity的onCreate方法中添加：

 Person person = setInfoForPerson(new Person());
 Log.d("MainActivity","setInfoForPerson:" + person.toString());

运行下：

D/MainActivity: setInfoForPerson:Personname=‘wangtao’, age=20

赋值成功，很稳！

Native创造一个Java对象并返回给Java层

Java中添加Native方法：

public native Person getNewPerson();

Native中实现：

extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_getNewPerson(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    jclass personClass = env->FindClass("com/example/ndkdemo/Person");
    // 获取类的构造函数，记住这里是调用无参的构造函数
    jmethodID id = env->GetMethodID(personClass, "<init>", "()V");
    // 创建一个新的对象
    jobject person_ = env->NewObject(personClass, id);

    jfieldID name = env->GetFieldID(personClass, "name", "Ljava/lang/String;");
    jfieldID age = env->GetFieldID(personClass, "age", "I");

    env->SetObjectField(person_, name, env->NewStringUTF("wangtao"));
    env->SetIntField(person_, age, 20);

    return person_;

和上面一个套路，唯一不同的就是为了创建新对象，要先获得Person的构造方法id，然后通过构造方法id创建Person对象，接着又是上面说的三部曲修改Person对象属性值。

测试一下？不测了，肯定稳的~~

引用

在jni中，无论是从Java层传给Native层或者是Native层创建的Java对象，本质都是Native层持有指向jvm堆中对象的一个引用，因为jvm是采用gc root的引用计数法确定对象是否要被回收，所以当Native层持有了指向Java对象的引用之后，管理对象的生命周期，防止内存泄漏就显得格外重要了。

局部引用

在jni中，无论是从Java层作为方法参数传给Native层或者是Native层方法中创建的Java对象（jobject等jni对象也属于），默认为被局部引用指向，即会在方法返回的时候自动释放引用，也可以在方法返回前手动释放。和Java一样，释放引用的目的是告诉jvm这个对象这边已经不再需要使用，让jvm决定是否回收。

举个栗子：

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_testLocalReference(JNIEnv *env, jobject thiz) 
   jclass personClass1 = env->FindClass("com/example/ndkdemo/Person");
    // 获取类的构造函数，记住这里是调用无参的构造函数
    jmethodID id = env->GetMethodID(personClass1, "<init>", "()V");
    // 创建一个新的对象
    jobject person = env->NewObject(personClass1, id);
    //也可以显式指定为局部引用
//    person =  env->NewLocalRef(person);

    env->DeleteLocalRef(person);
    //后面不再使用person对象

这里person 是在Native中创建的jni对象，本质是指向jvm堆中的person对象的局部引用，一旦引用被释放，后面不能再使用person这个引用。（有兴趣可以试试，保证闪退~）

全局引用

局部引用在Native方法执行完就会自动释放，那假如我们需要一个能跨方法使用，或者跨线程使用的对象呢？当然有局部，就会有全局引用，如果按照Java习惯的写法，就会这样写：

//定义一个“全局引用”
jclass personClass;

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_testReference(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    //第二次进入虽然personClass不为null，但是指向的对象已经被释放了，成为悬空指针
    if (personClass == nullptr)
        personClass = env->FindClass("com/example/ndkdemo/Person");
    
    LOGD("testReference GetMethodID");
    // 获取类的构造函数，记住这里是调用无参的构造函数
    jmethodID id = env->GetMethodID(personClass, "<init>", "()V");

这样只有第一次调用testReference方法的时候创建了personClass 对象，以后调用testReference方法不再创建，运行下，好吧，成功闪退。

为什么呢？因为在Java这样写，jvm不会看到personClass 引用一直指向堆中对应对象，jvm不会回收。但是这里用一个普通的引用引用该对象，那不好意思，一旦方法执行完，jvm就回收该对象，那么personClass这个引用在第二次执行testReference方法的时候确实不为null，但是它已经成为一个悬空指针。

所以这里使用全局引用才是正道：

//定义一个引用
jobject personGlobalReference;

extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_testGlobalReference(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    jclass personClass1 = nullptr;
    if (personGlobalReference == nullptr)
        personClass1 = env->FindClass("com/example/ndkdemo/Person");
        // 获取类的构造函数，记住这里是调用无参的构造函数
        jmethodID id = env->GetMethodID(personClass1, "<init>", "()V");
        // 创建一个新的对象
        jobject person = env->NewObject(personClass1, id);
        //关键语句，将person 包装为全局引用再赋给personGlobalReference 
        personGlobalReference = env->NewGlobalRef(person);
    

    jfieldID name = env->GetFieldID(personClass1, "name", "Ljava/lang/String;");
    jfieldID age = env->GetFieldID(personClass1, "age", "I");

    env->SetObjectField(personGlobalReference, name, env->NewStringUTF("wangtao"));
    env->SetIntField(personGlobalReference, age, 20);

    return personGlobalReference;

全局引用相当于告诉jvm，这个对象我还要用，你千万不要释放，所以在手动释放之前，jvm不会将该对象释放，所以要切记要在不需要使用该对象的时候手动释放该全局引用：

env->DeleteGlobalRef(personGlobalReference);

同样，一旦释放，就不能再次使用该引用。

弱引用

我们知道，Java为了防止内存泄漏，经常在内部类或者异步等情况下会使用弱引用，那么Native层同样也有这样的需求，又想要有全局引用的效果，又不想因此组织jvm对对象的回收。和Java一样，和全局引用很相似，只是需要再多判断一步弱引用指向的对象是否已经被回收即可：

//定义一个引用
jobject personWeakReference;

extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_testWeakReference(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    jclass personClass1 = nullptr;
    //判断弱引用指向的对象是否已经被回收
    jboolean isEqual = env->IsSameObject(personWeakReference, NULL);
    if (personWeakReference == nullptr || isEqual)
        personClass1 = env->FindClass("com/example/ndkdemo/Person");
        // 获取类的构造函数，记住这里是调用无参的构造函数
        jmethodID id = env->GetMethodID(personClass1, "<init>", "()V");
        // 创建一个新的对象
        jobject person = env->NewObject(personClass1, id);
        // //关键语句，将person 包装为弱引用再赋给personWeakReference 
        personWeakReference = env->NewWeakGlobalRef(person);
        env->DeleteLocalRef(person);
    

    return personWeakReference;

此时personWeakReference 引用了Java层的person对象，但是并不阻止jvm回收person对象，所以在下次使用的时候，需要听通过env->IsSameObject方法判断弱引用引用的对象是否已经被jvm回收。

处理数组

Native层同样可以处理Java传进来的数组，这里分为2种情况，一种是Native层创建数组再返回给Java,另一种是修改Java传进来的数组：

创建数组再返回给Java

Java创建Native方法：

public native int[] newIntArray();

Native层实现如下：

extern "C"
JNIEXPORT jintArray JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_newIntArray(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    jint nativeArr[3] = 1,2,3;
    jintArray javaArray = env->NewIntArray(3);
    //将C数组的修改同步到Java数组
    env->SetIntArrayRegion(javaArray,0,3,nativeArr);
    return javaArray;

在Native层中，jintArray 就是Java中int[]“平行世界”的映射，不过在Native中jintArray 的使用确实比较别扭，不能一步到位，要先创建好jint 数组，然后再创建jintArray 对象，最后将jint 数组通过SetIntArrayRegion方法赋值给jintArray ，然后把jintArray 返回给Java。

修改Java传进来的数组

这里又分为2种方式：

通过操作数组副本修改Java数组

extern "C"
JNIEXPORT jintArray  JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_changeArrayByCopy(JNIEnv *env, jobject thiz, jintArray javaArray) 
    //获得Java传递进来数组的长度
    jsize length = env->GetArrayLength(javaArray);
    //定义一个C数组
    //将Java数组区复制到jint数组中
    jint nativeArr[length];
    env->GetIntArrayRegion(javaArray,0,length,nativeArr);
    //修改元素的值
    for(int i=0;i<length;i++)
        nativeArr[i]=nativeArr[i]*2;
    
    //从C数组向Java数组提交所做的修改。0为同步数据的起始index，length为同步数据个数
    env->SetIntArrayRegion(javaArray,0,length,nativeArr);
    return javaArray;

这里核心就是先通过GetIntArrayRegion拷贝传进来的Java数组到jint数组nativeArr，修改nativeArr后再通过SetIntArrayRegion方法将nativeArr同步到Java数组。

通过数组指针修改Java数组

extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_getArraySumByPointer(JNIEnv *env, jobject thiz,jintArray javaArray) 
    jint* nativeArray;
    jboolean isCopy;
    jint sum = 0;
    jsize length = env->GetArrayLength(javaArray);
    //用GetArrayElements函数获取指向数组元素的直接指针，isCopy表示指针指向的数组是否是从Java数组拷贝出来的副本
    nativeArray = env->GetIntArrayElements(javaArray, &isCopy);
    for(int i=0;i<length;i++)
        sum += nativeArray[i];
    
    //释放nativeArray指针，并将数据同步到Java数组如果GetIntArrayElements有发生Copy
    env->ReleaseIntArrayElements(javaArray, nativeArray, 0);
    return sum;

这种方式是先通过GetIntArrayElements得到数组的指针，这里注意第二个参数，是一个返回值参数，系统通过这个参数告诉我们返回的指针指向的数组是否是原Java数组还是原Java数组的拷贝。

这里操作数组结束之后，切记要调用ReleaseIntArrayElements释放指针nativeArray，这个方法还有一个重点，就是在GetIntArrayElements返回的isCopy是true的情况下，还能将对副本的处理同步到Java数组。

第三个参数是指明具体处理方式：
mode actions
0 copy back the content and free the elems buffer（拷贝副本内容到原始数组并且释放数组指针）
JNI_COMMIT copy back the content but do not free the elems buffer（拷贝副本内容到原始数组，但不释放数组指针）
JNI_ABORT free the buffer without copying back the possible changes（释放数组指针，但是不拷贝副本内容到原始数组）

方法动态注册

之前讲的Native都是Java_ + 类A全名 +方法b拼接而成的名字去和Java对应的Native方法做映射的，这里的缺点也是很明显的，就是一旦加载动态链接库的Java类修改名字，那Native的方法也得全部修改，于是除了这一种，还有另一种应对修改更加得心应手的方法注册方式：动态注册。

何为动态注册，就是在执行Native代码的某个时刻手动注册这些方法，这里jni选择的时刻就是当动态链接库加载的时候（即Java中调用System.loadLibrary的时候）。

这里步骤分为3步：

1. 创建好Java的Native方法和对应的C++层方法，注意现在C++方法的名字可以自由发挥。
2. 在C++中创建一个JNINativeMethod数组，指明C++方法和Java方法的映射关系。
3. 在C++的JNI_OnLoad方法中完成对Native方法的注册。

以下详细说明：

步骤1：

Java层创建2个Native方法：

native void dynamicNative();

native String dynamicNative(int i);

这里为了更好地区分不同方法，所以专门使用了2个重载方法。

C++层也创建2个方法，名字随意：

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
dynamicNative1(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    LOGD("dynamicNative1 动态注册");


extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
dynamicNative2(JNIEnv *env, jobject thiz, jint i) 
    LOGD("dynamicNative2 动态注册");
    return env->NewStringUTF("我是动态注册的dynamicNative2方法");

步骤2：
创建一个JNINativeMethod数组，指明C++方法和Java方法的映射关系：

//需要动态注册的方法数组
static const JNINativeMethod mMethods[] = 
        "dynamicNative","()V", (void *)dynamicNative1,
        "dynamicNative", "(I)Ljava/lang/String;", (jstring *)dynamicNative2

;

JNINativeMethod 是一个结构体：

typedef struct 
	//Java的Native方法名
    const char* name;
    //Java的Native方法描述符
    const char* signature;
    //C++中的函数指针
    void*       fnPtr;
 JNINativeMethod;

步骤3：
首先要讲下JNI_OnLoad函数是什么？
JNI_OnLoad函数是当动态链接库被加载时回调的一个函数，该函数返回当前动态链接库需要的jni版本给jvm，一般可以做一些初始化的工作，比如方法的注册。

JavaVM* _vm = nullptr;

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
	//JavaVM* vm是代表虚拟机的一个对象
    _vm = vm;
    JNIEnv* env = NULL;
    //获得当前线程的JniEnv
    int r = vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4);
    if( r != JNI_OK)
        return -1;
    
    jclass mainActivityCls = env->FindClass( mClassName);
    // 注册 如果小于0则注册失败
    r = env->RegisterNatives(mainActivityCls,mMethods,2);
    if(r  != JNI_OK )
    
        return -1;
    
    return JNI_VERSION_1_4;

在上一篇文章说过，JNIEnv对象是线程独有的，这里可以通过参数JavaVM* vm，来获取当前线程对应的JNIEnv指针，再通过JNIEnv获取加载的Java类，这里即MainActivity的jclass对象，然后通过env->RegisterNatives(mainActivityCls,mMethods,2);将方法映射数组和加载的Java类进行最终的动态注册。

jni创建线程

Java层能够创建新线程，当然C++层肯定也可以，当然，当C++创建的线程需要和Java层进行交互的时候，需要一些特殊的处理。

这里的例子是Java调用一个Native方法在C++创建一个线程，然后回调一个Java方法。

Java中创建一个Native和一个普通Java方法：

//触发C++创建线程的方法
native void createNativeThread();
//C++创建的线程回调的Java方法
private void callBackForNewThread()
        Log.d("MainActivity","callBackForNewThread Thread:" + Thread.currentThread());

C++中创建createNativeThread对应的方法：

jobject  _instance = nullptr;

extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_example_ndkdemo_MainActivity_createNativeThread(JNIEnv *env, jobject thiz) 
    pthread_t  pid;
    //用全局引用将MainActivity实例保存起来，供子线程使用
    _instance = env->NewGlobalRef(thiz);
    //创建新线程运行task方法
    pthread_create(&pid,0,task,0);

新线程具体运行的函数：

void *task(void *args) 
    JNIEnv *env;
    //将本地当前线程附加到jvm，并获得jnienv
    //成功则返回0
    _vm->AttachCurrentThread(&env, 0);

    //获取jclass对象
    jclass activityClass = env->GetObjectClass(_instance);
    //获取Java callBackForNewThread方法的jmethodID
    jmethodID callBackMethod = env->GetMethodID(activityClass, "callBackForNewThread", "()V");
    std::string hello = "I am CallBack";
    jstring s = env->NewStringUTF(hello.c_str());
    //调用Java方法
    env->CallVoidMethod(_instance, callBackMethod);
    //分离
    _vm->DetachCurrentThread();
    return 0;

关键点在于需要调用

_vm->AttachCurrentThread(&env, 0);

获取对应线程的JNIEnv 对象，拿到JNIEnv对象，就相当于拿到通往Java平行世界的钥匙，然后再按照之前的反射方式调用Java层的callBackForNewThread方法。

最后记得调用：

//分离线程
_vm->DetachCurrentThread();

测试下，在MainActivity的onCreate方法中添加：

 createNativeThread();
 Log.d("MainActivity","main Thread:" + Thread.currentThread());

运行下：

D/MainActivity: main Thread:Thread[main,5,main]
D/MainActivity: callBackForNewThread Thread:Thread[Thread-3,10,main]

前一个log是打印出运行Activity的主线程，后一个log是运行callBackForNewThread方法的线程，即C++中创建的线程。

这是一个好习惯，因为它可以释放所有该线程持有的锁，以避免阻塞其他锁甚至引起死锁。

总结

本文介绍了ndk中C++层如何处理Java对象、数组以及方法的动态注册、C++创建新线程并在新线程中和Java交互的内容。下一篇终于要开始真正的主题，开始真正进入音视频的世界~ 下一篇：音视频开发基础知识之YUV颜色编码

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