JVM 虚拟机系列：架构(二)一图看懂虚拟机架构：JNI

1：前言

在 Android 生态中主要有 C/C++、Java、Kotlin 三种语言 ，它们的关系不是替换而是互补。其中，C/C++ 的语境是算法和高性能，Java 的语境是平台无关和内存管理，而 Kotlin 则融合了多种语言中的优秀特性，带来了一种更现代化的编程方式；

JNI 是实现 Java 代码与 C/C++ 代码交互的特性， 思考一个问题 —— Java 虚拟机是如何实现两种毫不相干的语言的交互的呢？今天，我们来全面总结 JNI 开发知识框架。

1.1 为什么要使用 JNI？

JNI（Java Native Interface，Java 本地接口）是 Java 生态的特性，它扩展了 Java 虚拟机的能力，使得 Java 代码可以与 C/C++ 代码进行交互。通过 JNI 接口，Java 代码可以调用 C/C++ 代码，C/C++ 代码也可以调用 Java 代码。

这就引出第 1 个问题（为什么要这么做）：Java 为什么要调用 C/C++ 代码，而不是直接用 Java 开发需求呢？我认为主要有 4 个原因：

• 原因 1 - Java 天然需要 JNI 技术：虽然 Java 是平台无关性语言，但运行 Java 语言的虚拟机是运行在具体平台上的，所以 Java 虚拟机是平台相关的。因此，对于调用平台 API 的功能（例如打开文件功能，在 Window 平台是 openFile 函数，而在 Linux 平台是 open 函数）时，虽然在 Java 语言层是平台无关的，但背后只能通过 JNI 技术在 Native 层分别调用不同平台 API。类似的，对于有操作硬件需求的程序，也只能通过 C/C++ 实现对硬件的操作，再通过 JNI 调用；

• 原因 2 - Java 运行效率不及 C/C++：Java 代码的运行效率相对于 C/C++ 要低一些，因此，对于有密集计算（例如实时渲染、音视频处理、游戏引擎等）需求的程序，会选择用 C/C++ 实现，再通过 JNI 调用；

• 原因 3 - Native 层代码安全性更高：反编译 so 文件的难度比反编译 Class 文件高，一些跟密码相关的功能会选择用 C/C++ 实现，再通过 JNI 调用；

• 原因 4 - 复用现有代码：当 C/C++ 存在程序需要的功能时，则可以直接复用。

问题2：（为什么可以这么做）：为什么两种独立的语言可以实现交互呢？

因为 Java 虚拟机本身就是 C/C++ 实现的，无论是 Java 代码还是 C/C++ 代码，最终都是由这个虚拟机支撑，共同使用一个进程空间。JNI 要做的只是在两种语言之间做桥接。

1.2：JNI开发的基本流程 

一个标准的 JNI 开发流程主要包含以下步骤：

1、创建 HelloWorld.java，并声明 native 方法 sayHi()；

2、使用 javac 命令编译源文件，生成 HelloWorld.class 字节码文件；

3、使用 javah 命令导出 HelloWorld.h头文件（头文件中包含了本地方法的函数原型）；

4、在源文件 HelloWorld.cpp 中实现函数原型；

5、编译本地代码，生成 Hello-World.so 动态原生库文件；

6、在 Java 代码中调用 System.loadLibrary(...) 加载 so 文件；

7、使用 Java 命令运行 HelloWorld 程序。

 1.3 JNI性能误区

JNI 本身本身并不能解决性能问题，错误地使用 JNI 反而可能引入新的性能问题，这些问题都是要注意的：

• 问题 1 - 跨越 JNI 边界的调用：从 Java 调用 Native 或从 Native 调用 Java 的成本很高，使用 JNI 时要限制跨越 JNI 边界的调用次数；

• 问题 2 - 引用类型数据的回收：由于引用类型数据（例如字符串、数组）传递到 JNI 层的只是一个指针，为避免该对象被垃圾回收虚拟机会固定住（pin）对象，在 JNI 方法返回前会阻止其垃圾回收。因此，要尽量缩短 JNI 调用的执行时间，它能够缩短对象被固定的时间（关于引用类型数据的处理，在下文会说到）。

1.4 注册JNI函数的方式

Java 的 native 方法和 JNI 函数是一一对应的映射关系，建立这种映射关系的注册方式有 2 种：

• 方式 1 - 静态注册：基于命名约定建立映射关系；

• 方式 2 - 动态注册：通过 JNINativeMethod 结构体建立映射关系。

关于注册 JNI 函数的更多原理分析，见 注册 JNI 函数。

1.5 加载So库的时机

so 库需要在运行时调用 System.loadLibrary(…) 加载，一般有 2 种调用时机：

1、在类静态初始化中：如果只在一个类或者很少类中使用到该 so 库，则最常见的方式是在类的静态初始化块中调用；

2、在 Application 初始化时调用：如果有很多类需要使用到该 so 库，则可以考虑在 Application 初始化等场景中提前加载。

2： JNI模板代码

3：参考文献

JNI 从入门到实践，万字爆肝详解！