Android JNI 学习(一)：JNI 简介

JNI 即 Java Native Interface 是 native 编程接口，它允许在Java虚拟机（VM）内运行Java代码与其他编程语言（主要是C和C++）编写的应用程序和库进行交互操作。

JNI最重要的好处是它对底层Java VM的实现没有任何限制。因此，Java VM供应商可以添加对JNI的支持，而不会影响VM的其他部分。程序员可以编写一个native应用程序或库的版本，并期望它可以与支持JNI的所有Java VM一起使用。

本文主要将从以下几点讲述JNI相关的内容，用于我们了解JNI：

概述、背景、目标、实现方式。

一、JNI 概述

虽然您可以完全使用Java编写应用程序，但有些情况下Java本身并不能满足您的应用程序的需求。当应用程序无法完全用Java编写时，程序员使用JNI编写Java Native 方法来处理这些情况。

以下示例说明何时需要使用Java Native方法：

• 标准Java类库不支持应用程序所需的与平台相关的功能。

• 您已经有一个使用另一种语言编写的库，并希望通过JNI使其可以访问Java代码。

• 您希望在较低级别的语言（如C/C++）中实现一小部分时间关键代码。

通过JNI编程，您可以使用Native方法：

• 创建，检查和更新Java对象（包括数组和字符串）。

• 调用Java方法。

• 捕获并抛出异常。

• 加载类并获取类信息。

• 执行运行时类型检查。

二、JNI 产生的历史背景

来自不同供应商的VM提供了不同的Native方法接口。这些不同的接口迫使程序员在给定平台上生成，维护和分发多个版本的本机方法库。

我们简要介绍一些本机方法接口，例如：

• JDK 1.0本机方法接口

• Netscape的Java运行时接口

• Microsoft的原始本机接口和Java / COM接口

1、JDK 1.0本机方法接口

JDK 1.0 附带了Native方法接口。不幸的是，这个接口不适合其他Java VM采用有两个主要原因。 

首先，本机代码访问Java对象中的字段作为C结构的成员。但是，Java语言规范没有定义对象在内存中的布局方式。如果Java VM在内存中以不同方式布局对象，则程序员必须重新编译本机方法库。 

其次，JDK 1.0的本机方法接口依赖于保守的垃圾收集器。unhand例如，不受限制地使用宏使得必须保守地扫描本机堆栈。

2、Java运行时接口

Netscape提出了Java运行时接口（JRI），它是Java虚拟机中提供的服务的通用接口。JRI的设计考虑了可移植性 - 它对底层Java VM中的实现细节做了很少的假设。JRI解决了广泛的问题，包括本机方法，调试，反射，嵌入（调用）等。 

3、原始本机接口和Java / COM接口

Microsoft Java VM支持两种本机方法接口。在低级别，它提供了有效的原始本机接口（RNI）。RNI提供了与JDK本机方法接口的高度源级向后兼容性，尽管它有一个主要区别。本机代码必须使用RNI函数与垃圾收集器明确交互，而不是依赖于保守的垃圾收集。

在更高级别，Microsoft的Java / COM接口为Java VM提供了与语言无关的标准二进制接口。Java代码可以像使用Java对象一样使用COM对象。Java类也可以作为COM类公开给系统的其余部分。

三、JNI 产生的目标

我们相信，统一且经过深思熟虑的标准接口为每个人提供以下好处：

• 每个VM供应商都可以支持更多的natvie代码。

• 工具构建器不必维护不同类型的natvie方法接口。

• 应用程序编程人员将能够编写其natvie代码的一个版本，该版本将在不同的VM上运行。

实现标准本机方法接口的最佳方法是让所有各方都参与Java VM。因此，我们在Java许可证持有者之间组织了一系列关于统一本机方法接口设计的讨论。从讨论中可以清楚地看出，标准本机方法接口必须满足以下要求：

• 二进制兼容性 - 主要目标是在给定平台上的所有Java VM实现中对本机方法库进行二进制兼容。程序员应该只为给定平台维护其本机方法库的一个版本。

• 效率 - 为了支持时间关键代码，本机方法接口必须施加很少的开销。确保VM独立性（以及二进制兼容性）的所有已知技术都带有一定量的开销。我们必须以某种方式在效率和VM独立性之间达成妥协。

• 功能 - 接口必须公开足够的Java VM内部，以允许本机方法完成有用的任务。

四、实现JNI的方式讨论

我们希望采用现有方式之一作为标准，主要是为了给在不同VM中学习多个接口的程序员带来最小的负担。但是令人失望的是，目前没有现有的解决方案来实现我们这样的想法。

Netscape的JRI是最接近我们想要的的便携式Natvie方法接口，并被用作我们设计的起点。熟悉JRI的读者会注意到API命名约定，方法和字段ID的使用，本地和全局引用的使用等方面的相似之处。尽管我们尽最大努力，但JNI与JRI不是二进制兼容的，尽管VM可以同时支持JRI和JNI。

微软的RNI是对JDK 1.0的改进，因为它解决了使用非保守垃圾收集器的本机方法的问题。但是，RNI不适合作为独立于VM的本机方法接口。与JDK一样，RNI本机方法将Java对象作为C结构访问，但也导致两个问题：

• RNI将内部Java对象的布局暴露给本机代码。

• 直接访问Java对象作为C结构使得无法有效地合并“写入障碍”，这在高级垃圾收集算法中是必需的。 

作为二进制标准，COM确保跨不同VM的完全二进制兼容性。调用COM方法只需要间接调用，这几乎不会产生任何开销。此外，COM对象在解决版本问题方面比动态链接库有了很大的改进。

但是，使用COM作为标准Java本机方法接口受到以下几个因素的阻碍：

• 首先，Java / COM接口缺少某些所需的功能，例如访问私有字段和引发一般异常。

• 其次，Java / COM接口自动为Java对象提供标准的IUnknown和IDispatch COM接口，以便本机代码可以访问公共方法和字段。遗憾的是，IDispatch接口不处理重载的Java方法，并且在匹配方法名称时不区分大小写。此外，通过IDispatch接口公开的所有Java方法都被包装以执行动态类型检查和强制。这是因为IDispatch接口在设计时考虑了弱类型语言（例如Basic）。

• 第三，COM不是处理单独的低级功能，而是旨在允许软件组件（包括完整的应用程序）协同工作。我们认为将所有Java类或低级本机方法视为软件组件是不合适的。

• 第四，由于缺乏对UNIX平台的支持，因此立即采用COM受到阻碍。

虽然Java对象不作为COM对象公开给本机代码，但JNI接口本身与COM二进制兼容。JNI使用与COM相同的跳转表结构和调用约定。这意味着，只要跨平台支持COM，JNI就可以成为Java VM的COM接口。

JNI不被认为是给定Java VM支持的唯一本机方法接口。标准接口使程序员受益，他们希望将本机代码库加载到不同的Java VM中。在某些情况下，程序员可能必须使用较低级别的VM特定接口来实现最高效率。在其他情况下，程序员可能使用更高级别的界面来构建软件组件。实际上，随着Java环境和组件软件技术的日趋成熟，本机方法将逐渐失去意义。

五、总结

首先本文是译文，原文地址为：https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/jni/spec/intro.html。

同时也是本人整理的JNI教程的第一篇，可能部分内容语法有点不通顺，但是看完了也能基本了解JNI是什么，产生的背景，以及JNI被实现的方式。

下面附一下学习JNI时推荐的参考资料：

• Java Native Interface官方技术手册
• Google JNI官方文档
• JNI教程与技术手册
• http://www.kancloud.cn/owenoranba/jni/120449
• JNI官方规范中文版
• Java本地接口(WIKI)
• Dalvik虚拟机JNI方法的注册过程分析
• JNI函数
• jni.h头详见详解二
• OpenJDK源码 /openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/jni.h
• OpenJDK源码 /openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/jni.c
• Android JNI编程提高篇之二
• JNI引用于垃圾回收
• http://blog.csdn.net/autumn20080101/article/details/8646431
• C++访问Java的String字符串对象