簡述
JNI是Java Native Interface的縮寫，它提供了若干的API實現了Java和其他語言的通訊（在Android裡面主要是C&C++）。從Java1.1開始，JNI標準成為java平臺的一部分，它允許Java程式碼和其他語言寫的程式碼進行動態互動,JNI標準保證原生程式碼能工作在任何Java 虛擬機器環境,目前的很多熱修復補的開源專案，比如——Depoxed(阿里)、AnFix（阿里）、DynamicAPK(攜程)等，它們都用到了JNI程式設計，並且JNI程式設計也貫穿了Android系統，實際上JNI是Android系統中底層和框架層通訊的重要方式、JNI對於Android安全以及Android安全加固等都是有所幫助的,一般情況下，在Android應用層，大部分時間都是在使用Java程式設計，很少使用C/C++程式設計,在一些比較特殊的情況下會用到，比如加密等等,下面我將詳細分析JNI原理以及會有一個實際的例子來說明加深理解。
如何使用
在目前的Android開發中，一般情況下有2種方法來使用JNI程式設計，就是傳統的需要手動生成h檔案和新版的CMake,Cmake的是利用配置檔案來完成一些配置，實際上只是簡化了流程，用CMakeLists.txt檔案來進行一些類庫的配置而已，這裡以Cmake為例子，下面是步驟:
● 首先新建一個專案，並且勾選上C++的支援，如圖:
● 第一個步驟完成之後，會在專案的build.gradle檔案裡面生成下面的幾個選項，
defaultConfig {
//省略一些程式碼
externalNativeBuild {
cmake {
cppFlags "-frtti -fexceptions"//這裡指定了編譯的一些C++選項
}
}
}
externalNativeBuild {
cmake {
path "CMakeLists.txt"//這裡指定了配置檔案的路徑在專案目錄下，檔名叫做CMakeLists.text,
這個路徑可以自己修改為自己想要的路徑，只需要在這裡修改，並且把檔案移動到相應的目錄下就可以了
}
}
複製程式碼然後就可以在專案的目錄下看到CMakeLists.text這個檔案了，我們來看一下其中生成的程式碼,這裡會省略掉註釋，佔篇幅啊:
cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)// 指定CMake的版本
//add_library是新增類庫，下面3個分別表示類庫的名字叫做native-lib.so,SHARED這個選項表示共享類庫的意思(就是以so結尾)
// src/main/cpp/native-lib.cpp表示native-lib.so對應的C++原始碼位置
//這個add_library很重要，因為如果要新增其他類庫，那麼都是這樣的方法來的,比如
新增這個 wlffmpeg類庫
add_library( # Sets the name of the library.
wlffmpeg
# Sets the library as a shared library.
SHARED
# Provides a relative path to your source file(s).
src/main/jni/player.cpp )
add_library(
native-lib
SHARED
src/main/cpp/native-lib.cpp )
//表示系統的日誌庫，只需要匯入一個就可以了
find_library(
log-lib
log )
//連結庫，要跟上面的類庫名字保持一致
target_link_libraries(
native-lib
${log-lib} )
複製程式碼好了，上面是關於CMakeLists.text內容的一些分析，實際專案中，會更加複雜，特別是匯入第三方so庫的時候，這個有機會再講，我們知道了，這個so庫的名字就叫做native-lib.so，下面來寫實際的程式碼:
public class JniDemo {
static {
System.loadLibrary("native-lib");
}
//靜態註冊
public static native Object getPackage();
//靜態註冊
public static native int addTest(int a, int b);
//需要動態註冊的方法
public static native Application getApplicationObject();
}
複製程式碼首先我們在靜態程式碼塊載入so庫，我們已經知道了是native-lib,然後定義3個方法，這裡前面2個方法是靜態註冊，後面的這個方法是動態註冊，這裡為什麼要區分呢，在AndroidStudio中，用Alt+Enter彈出的選單就可以自動生成方法了，我們來看一下:
extern "C"
JNIEXPORT jObject JNICALL
Java_com_jni_JniDemo_getPackage(JNIEnv *env, jclass type) {
std::string hello = "com.example.test";
// TODO
return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_jni_JniDemo_addTest(JNIEnv *env, jclass type, jint a, jint b) {
// TODO
return a + b;
}
複製程式碼可以看到靜態註冊的方法的格式為Java_包名_類名_方法名,引數來看 其中JNIEnv * 是一個指向全部JNI方法的指標，該指標只在建立它的執行緒有效，不能跨執行緒傳遞,就是說每個執行緒都有自己的JNIEnv, jclass是JNI的資料型別，對應Java的java.lang.Class例項。jobject同樣也是JNI的資料型別，對應於Java的Object,系統在呼叫native方法的時候會根據方法名，將Java方法和JNI方法建立關聯，但是它有一些明顯的缺點：
● JNI層的方法名稱過長,特別是包名比較深的話，就更加明顯了
● 宣告Native方法的類需要用javah生成標頭檔案, 在以前的開發中需要自己手動生成，現在是工具幫我們生成了而已
● 初次呼叫JIN方法時需要建立關聯，影響效率,在建立關係的時候是全域性搜尋的，這樣效率上大打折扣。
● 不夠靈活，因為有些需要在執行的時候才決定註冊需要的方法。
因為以上的不方便，所以才有了動態註冊的機制存在,下面簡單分析一下:
JNI_OnLoad函式
在呼叫了
System.loadLibrary("native-lib");
複製程式碼方法載入so庫的時候，Java虛擬機器就會找到這個函式並呼叫該函式，因此可以在該函式中做一些初始化的動作，其實這個函式就是相當於Activity中的onCreate()方法。該函式前面有三個關鍵字，分別是JNIEXPORT、JNICALL和jint，其中JNIEXPORT和JNICALL是兩個巨集定義，用於指定該函式是JNI函式。jint是JNI定義的資料型別，因為Java層和C/C++的資料型別或者物件不能直接相互的引用或者使用，JNI層定義了自己的資料型別，用於銜接Java層和JNI層，至於這些資料型別我們在後面介紹。這裡的jint對應Java的int資料型別，該函式返回的int表示當前使用的JNI的版本，其實類似於Android系統的API版本一樣，不同的JNI版本中定義的一些不同的JNI函式。該函式會有兩個引數，其中*jvm為Java虛擬機器例項，JavaVM結構體定義了以下函式
DestroyJavaVM
AttachCurrentThread
DetachCurrentThread
GetEnv
複製程式碼我們前面已經說過了，JNIEnv是執行緒範圍內的JNI環境，在動態註冊的時候首先需要獲取,一般用下面的程式碼:
JNIEnv *env = NULL;
if (vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
return -1;
}
複製程式碼好了，獲取到了JNIEnv了，既然是動態註冊，那麼就會有對應的方法，方法為:
jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods,
jint nMethods)
{ return functions->RegisterNatives(this, clazz, methods, nMethods); }
複製程式碼其中第一個引數為:需要動態註冊的Java類(以/來隔開，比如com/example/等)，第二個引數是一個JNINativeMethod指標，定義如下:
typedef struct {
const char* name; //java層對應的方法全名
const char* signature;//方法的簽名
void* fnPtr;//對應的在c++裡面的方法
} JNINativeMethod;
複製程式碼註釋已經有了，其中第二個引數是方法的簽名，我們回顧一下，Java是如何判斷2個方法是相同的呢，是方法的簽名，換句話說，每個方法都有自己的簽名，每個簽名對應一個方法，用javap -s -p 就可以獲取了，下面是一張截圖就可以看明白:
//TODO 動態註冊的方法集合
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{"getApplicationObject", "()Landroid/app/Application;", (void *) getApplicationObject}
};
這是下面要講的例子,這個例子是在JNI中獲取application物件，是用反射獲取
複製程式碼好了，有了這些，那麼就可以動態註冊了，全部程式碼如下:
#include <jni.h>
#include <string>
#include "log.h"
//TODO 這個表示需要動態註冊的函式所在的類檔案
static const char *const CLASSNAME = "com/jni/JniDemo";
extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_jni_JniDemo_getPackage(JNIEnv *env, jclass type) {
// TODO 獲取包名，一樣可以反射獲取,這裡我們獲取主執行緒裡面的currentPackageName()方法就好
jclass jclass1 = env->FindClass("android/app/ActivityThread");
jmethodID jmethodID1 = env->GetStaticMethodID(jclass1, "currentPackageName",
"()Ljava/lang/String;");
jobject jobject1 = (jstring ) env->CallStaticObjectMethod(jclass1, jmethodID1);
return jobject1;
}
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL
Java_com_jni_JniDemo_addTest(JNIEnv *env, jclass type, jint a, jint b) {
// TODO
return a + b;
}
extern "C"
JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_example_hadoop_testproject_MainActivity_stringFromJNI(
JNIEnv *env,
jobject /* this */) {
std::string hello = "Hello from C++";
return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}
//TODO 獲取application物件
jobject getApplicationObject(JNIEnv *env, jobject thiz) {
jobject mApplicationObj = NULL;
//找到ActivityThread類
jclass jclass1 = env->FindClass("android/app/ActivityThread");
//找到currentActivityThread方法
jmethodID jmethodID2 = env->GetStaticMethodID(jclass1, "currentActivityThread", "()Landroid/app/ActivityThread;");
//獲取ActivityThread物件
jobject mCurrentActivity = env->CallStaticObjectMethod(jclass1, jmethodID2);
//找到currentApplication方法
jmethodID jmethodID1 = env->GetMethodID(jclass1, "getApplication",
"()Landroid/app/Application;");
//獲取Application物件
mApplicationObj = env->CallObjectMethod(mCurrentActivity, jmethodID1);
if (mApplicationObj == NULL) {
return NULL;
}
return mApplicationObj;
}
//TODO 動態註冊的方法集合
static JNINativeMethod gMethods[] = {
{"getApplicationObject", "()Landroid/app/Application;", (void *) getApplicationObject}
};
/*
* System.loadLibrary("lib")時呼叫
* 如果成功返回JNI版本, 失敗返回-1
* 這個方法一般都是固定的
*/
extern "C"
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
JNIEnv *env = NULL;
if (vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
return -1;
}
if (env == NULL) {
return -1;
}
// 需要註冊的類
jclass clazz = env->FindClass(CLASSNAME);
if (clazz == NULL) {
return -1;
}
//TODO 這裡是重點，動態註冊方法
if (env->RegisterNatives(clazz, gMethods, sizeof(gMethods) / sizeof(gMethods[0])) < 0) {
return -1;
}
LOGD("dynamic success is %d", JNI_VERSION_1_4);
return JNI_VERSION_1_4;
}
日誌檔案程式碼如下:
#ifndef FINENGINE_LOG_H
#define FINENGINE_LOG_H
#include <android/log.h>
static const char* kTAG = "JNIDEMO";
#define LOGI(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,LOG_TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGE(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR,LOG_TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGD(...) __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG,kTAG,__VA_ARGS__)
#endif
複製程式碼註釋也已經很清楚了，我們需要知道C語言中呼叫Java的一些函式，實際上也是反射獲取的，步驟跟Java層的是一樣的，換句話說在Java反射能做到的，在JNI中通過類似的反射也是可以做到的，這些方法原型在jni.h檔案裡面，比如
JNI資料型別
上面我們提到JNI定義了一些自己的資料型別。這些資料型別是銜接Java層和C/C++層的，如果有一個物件傳遞下來，那麼對於C/C++來說是沒辦法識別這個物件的，同樣的如果C/C++的指標對於Java層來說它也是沒辦法識別的，那麼就需要JNI進行匹配，所以需要定義一些自己的資料型別，分為原始型別和引用型別，匹配的規則如下：
●.原始資料型別
● 引用型別
jobject (all Java objects)
|
|-- jclass (java.lang.Class objects)
|-- jstring (java.lang.String objects)
|-- jarray (array)
| |--jobjectArray (object arrays)
| |--jbooleanArray (boolean arrays)
| |--jbyteArray (byte arrays)
| |--jcharArray (char arrays)
| |--jshortArray (short arrays)
| |--jintArray (int arrays)
| |--jlongArray (long arrays)
| |--jfloatArray (float arrays)
| |--jdoubleArray (double arrays)
|
|--jthrowable
複製程式碼方法描述符
我們前面說了，在呼叫方法的時候需要提供一個方法的簽名，動態註冊native方法的時候結構體JNINativeMethod中含有方法描述符，就是確定native方法的引數和返回值，我們這裡定義的getApplication()方法沒有引數，返回值為空所以對應的描述符為："()Landroid/app/Application;"，括號類為引數，其他的表示返回值，通過javap -s -p 也可以看的出來的,一般對應規則如下:
對於陣列的話，舉列如下:其他的都是類似的，有規律可循
資料型別描述符
上面說的是方法描述符，實際上資料型別也是有描述符的，如下表所示:
而對於引用型別，用L開頭的，比如:
其他的基本都是類似的，在用的是時候注意下就好。
JNI在Android中的實際應用
前面說了，JNI在整個Android系統中發揮了重要的作用，是連線底層和框架層的橋樑,在Android原始碼中更是大量的JNI程式碼，我們來說一個實際的例子：獲取簽名並且校驗簽名，原理是:獲取當前的簽名資訊並且跟期待的簽名資訊是否一致，如果是一致，則通過，否則失敗,程式碼原理跟上面的反射是一個道理. 這個工作在JNI_OnLoad中完成，如下程式碼:
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)
{
JNIEnv *evn;
if (vm->GetEnv((void **)(&evn), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK)
{
return -1;
}
jclass appClass = evn->FindClass("com/***/App");
jmethodID getAppContextMethod = evn->GetStaticMethodID(appClass, "getContext", "()Landroid/content/Context;");
//獲取APplication定義的context例項
jobject appContext = evn->CallStaticObjectMethod(appClass, getAppContextMethod);
// 獲取應用當前的簽名資訊
jstring signature = loadSignature(evn, appContext);
// 期待的簽名資訊
jstring keystoreSigature = evn->NewStringUTF("31BC77F998CB0D305D74464DAECC2");
const char *keystroreMD5 = evn->GetStringUTFChars(keystoreSigature, NULL);
const char *releaseMD5 = evn->GetStringUTFChars(signature, NULL);
// 比較兩個簽名資訊是否相等
int result = strcmp(keystroreMD5, releaseMD5);
if (DEBUG_MODE)
LOGI("strcmp %d", result);
// 這裡記得釋放記憶體
evn->ReleaseStringUTFChars(signature, releaseMD5);
evn->ReleaseStringUTFChars(keystoreSigature, keystroreMD5);
// 得到的簽名一樣，驗證通過
if (result == 0){
return JNI_VERSION_1_6;
}
return -1;
}
複製程式碼loadSignature(evn, appContext)也是反射呼叫Java程式碼實現的，是系統自帶的功能，程式碼如下:
jstring loadSignature(JNIEnv *env, jobject context)
{
// 獲取Context類
jclass contextClass = env->GetObjectClass(context);
if (DEBUG_MODE)
LOGI("獲取Context類");
// 得到getPackageManager方法的ID
jmethodID getPkgManagerMethodId = env->GetMethodID(contextClass, "getPackageManager", "()Landroid/content/pm/PackageManager;");
if (DEBUG_MODE)
LOGI("得到getPackageManager方法的ID");
// PackageManager
jobject pm = env->CallObjectMethod(context, getPkgManagerMethodId);
if (DEBUG_MODE)
LOGI("PackageManager");
// 得到應用的包名
jmethodID pkgNameMethodId = env->GetMethodID(contextClass, "getPackageName", "()Ljava/lang/String;");
jstring pkgName = (jstring) env->CallObjectMethod(context, pkgNameMethodId);
if (DEBUG_MODE)
LOGI("get pkg name: %s", getCharFromString(env, pkgName));
// 獲得PackageManager類
jclass cls = env->GetObjectClass(pm);
// 得到getPackageInfo方法的ID
jmethodID mid = env->GetMethodID(cls, "getPackageInfo", "(Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;");
// 獲得應用包的資訊
jobject packageInfo = env->CallObjectMethod(pm, mid, pkgName, 0x40); //GET_SIGNATURES = 64;
// 獲得PackageInfo 類
cls = env->GetObjectClass(packageInfo);
// 獲得簽名陣列屬性的ID
jfieldID fid = env->GetFieldID(cls, "signatures", "[Landroid/content/pm/Signature;");
// 得到簽名陣列
jobjectArray signatures = (jobjectArray) env->GetObjectField(packageInfo, fid);
// 得到簽名
jobject signature = env->GetObjectArrayElement(signatures, 0);
// 獲得Signature類
cls = env->GetObjectClass(signature);
// 得到toCharsString方法的ID
mid = env->GetMethodID(cls, "toByteArray", "()[B");
// 返回當前應用簽名資訊
jbyteArray signatureByteArray = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(signature, mid);
return ToMd5(env, signatureByteArray);
}
複製程式碼註釋已經很明顯了，獲取簽名資訊並且轉換為MD5格式的，如下:
jstring ToMd5(JNIEnv *env, jbyteArray source) {
// MessageDigest類
jclass classMessageDigest = env->FindClass("java/security/MessageDigest");
// MessageDigest.getInstance()靜態方法
jmethodID midGetInstance = env->GetStaticMethodID(classMessageDigest, "getInstance", "(Ljava/lang/String;)Ljava/security/MessageDigest;");
// MessageDigest object
jobject objMessageDigest = env->CallStaticObjectMethod(classMessageDigest, midGetInstance, env->NewStringUTF("md5"));
// update方法，這個函式的返回值是void，寫V
jmethodID midUpdate = env->GetMethodID(classMessageDigest, "update", "([B)V");
env->CallVoidMethod(objMessageDigest, midUpdate, source);
// digest方法
jmethodID midDigest = env->GetMethodID(classMessageDigest, "digest", "()[B");
jbyteArray objArraySign = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(objMessageDigest, midDigest);
jsize intArrayLength = env->GetArrayLength(objArraySign);
jbyte* byte_array_elements = env->GetByteArrayElements(objArraySign, NULL);
size_t length = (size_t) intArrayLength * 2 + 1;
char* char_result = (char*) malloc(length);
memset(char_result, 0, length);
// 將byte陣列轉換成16進位制字串，發現這裡不用強轉，jbyte和unsigned char應該位元組數是一樣的
ByteToHexStr((const char*)byte_array_elements, char_result, intArrayLength);
// 在末尾補\0
*(char_result + intArrayLength * 2) = '\0';
jstring stringResult = env->NewStringUTF(char_result);
// release
env->ReleaseByteArrayElements(objArraySign, byte_array_elements, JNI_ABORT);
// 釋放指標使用free
free(char_result);
return stringResult;
}
複製程式碼這個也是系統的MD5加密功能,可以看到先獲取了系統自帶的簽名資訊，然後跟一個預期的資訊進行strcmp比較，如果是一致的話，那麼通過，如果不一樣，有可能程式被篡改了，就不能通過，然後採取其他的措施，比如殺掉程式等等方法來處理，這個需要在實際的業務中根據實際情況決定。
在實際中，JNI還有很多的應用，比如FFMPEG,OpenGL等等，這個在用到的時候再說，大家也可以多去研究，今天的文章就寫到這裡，感謝大家閱讀.。