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xyang0917 · 更新于 2018-11-28 11:00:43

C/C++ 访问 Java 实例方法和静态方法

通过前面 5 章的学习,我们知道了如何通过 JNI 函数来访问 JVM 中的基本数据类型、字符串和数组这些数据类型。下一步我们来学习本地代码如何与 JVM 中任意对象的属性和方法进行交互。比如本地代码调用 Java 层某个对象的方法或属性,也就是通常我们所说的来自 C/C++层本地函数的 callback(回调)。这个知识点分 2 篇文章分别介绍,本篇先介绍方法回调,在第七章中介绍本地代码访问 Java 的属性。

在这之前,先回顾一下在 Java 中调用一个方法时在 JVM 中的实现原理,有助于下面讲解本地代码调用 Java 方法实现的机制。写过 Java 的童鞋都知道,调用一个类的静态方法,直接通过类名.方法就可以调用。这也太简单了,有什么好讲的呢。但在这个调用过程中,JVM 是帮我们做了很多工作的。当我们在运行一个 Java 程序时,JVM 会先将程序运行时所要用到所有相关的 class 文件加载到 JVM 中,并采用按需加载的方式加载,也就是说某个类只有在被用到的时候才会被加载,这样设计的目的也是为了提高程序的性能和节约内存。所以我们在用类名调用一个静态方法之前,JVM 首先会判断该类是否已经加载,如果没有被 ClassLoader 加载到 JVM 中,JVM 会从classpath 路径下查找该类,如果找到了,会将其加载到 JVM 中,然后才是调用该类的静态方法。如果没有找到,JVM 会抛出 java.lang.ClassNotFoundException 异常,提示找不到这个类。ClassLoader 是 JVM 加载class 字节码文件的一种机制,不太了解的童鞋,请移步阅读《深入分析Java ClassLoader原理》一文。其实在 JNI 开发当中,本地代码也是按照上面的流程来访问类的静态方法或实例方法的,下面通过一个例子,详细介绍本地代码调用 Java 方法流程当中的每个步聚:

package com.study.jnilearn;  

/** 
 * AccessMethod.java 
 * 本地代码访问类的实例方法和静态方法 
 * @author yangxin 
 */  
public class AccessMethod {  

    public static native void callJavaStaticMethod();   
    public static native void callJavaInstaceMethod();  

    public static void main(String[] args) {  
        callJavaStaticMethod();  
        callJavaInstaceMethod();  
    }  

    static {  
        System.loadLibrary("AccessMethod");  
    }  
}  
package com.study.jnilearn;  

/** 
 * ClassMethod.java 
 * 用于本地代码调用 
 * @author yangxin 
 */  
public class ClassMethod {  

    private static void callStaticMethod(String str, int i) {  
        System.out.format("ClassMethod::callStaticMethod called!-->str=%s," +  
                " i=%d\n", str, i);  
    }  

    private void callInstanceMethod(String str, int i) {  
        System.out.format("ClassMethod::callInstanceMethod called!-->str=%s, " +  
                "i=%d\n", str, i);  
    }  
}  

由AccessMethod.class生成的头文件

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */  
#include <jni.h>  
/* Header for class com_study_jnilearn_AccessMethod */  

#ifndef _Included_com_study_jnilearn_AccessMethod  
#define _Included_com_study_jnilearn_AccessMethod  
#ifdef __cplusplus  
extern "C" {  
#endif  
/* 
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessMethod 
 * Method:    callJavaStaticMethod 
 * Signature: ()V 
 */  
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessMethod_callJavaStaticMethod  
  (JNIEnv *, jclass);  

/* 
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessMethod 
 * Method:    callJavaInstaceMethod 
 * Signature: ()V 
 */  
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessMethod_callJavaInstaceMethod  
  (JNIEnv *, jclass);  

#ifdef __cplusplus  
}  
#endif  
#endif  

本地代码对头文件中函数原型的实现

// AccessMethod.c  

#include "com_study_jnilearn_AccessMethod.h"  

/* 
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessMethod 
 * Method:    callJavaStaticMethod 
 * Signature: ()V 
 */  
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessMethod_callJavaStaticMethod  
(JNIEnv *env, jclass cls)  
{  
    jclass clazz = NULL;  
    jstring str_arg = NULL;  
    jmethodID mid_static_method;  
    // 1、从classpath路径下搜索ClassMethod这个类,并返回该类的Class对象  
    clazz =(*env)->FindClass(env,"com/study/jnilearn/ClassMethod");  
    if (clazz == NULL) {  
        return;  
    }  

    // 2、从clazz类中查找callStaticMethod方法  
    mid_static_method = (*env)->GetStaticMethodID(env,clazz,"callStaticMethod","(Ljava/lang/String;I)V");  
    if (mid_static_method == NULL) {  
        printf("找不到callStaticMethod这个静态方法。");  
        return;  
    }  

    // 3、调用clazz类的callStaticMethod静态方法  
    str_arg = (*env)->NewStringUTF(env,"我是静态方法");  
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env,clazz,mid_static_method, str_arg, 100);  

    // 删除局部引用  
    (*env)->DeleteLocalRef(env,clazz);  
    (*env)->DeleteLocalRef(env,str_arg);  
}  

/* 
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessMethod 
 * Method:    callJavaInstaceMethod 
 * Signature: ()V 
 */  
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessMethod_callJavaInstaceMethod  
(JNIEnv *env, jclass cls)  
{  
    jclass clazz = NULL;  
    jobject jobj = NULL;  
    jmethodID mid_construct = NULL;  
    jmethodID mid_instance = NULL;  
    jstring str_arg = NULL;  
    // 1、从classpath路径下搜索ClassMethod这个类,并返回该类的Class对象  
    clazz = (*env)->FindClass(env, "com/study/jnilearn/ClassMethod");  
    if (clazz == NULL) {  
        printf("找不到'com.study.jnilearn.ClassMethod'这个类");  
        return;  
    }  

    // 2、获取类的默认构造方法ID  
    mid_construct = (*env)->GetMethodID(env,clazz, "<init>","()V");  
    if (mid_construct == NULL) {  
        printf("找不到默认的构造方法");  
        return;  
    }  

    // 3、查找实例方法的ID  
    mid_instance = (*env)->GetMethodID(env, clazz, "callInstanceMethod", "(Ljava/lang/String;I)V");  
    if (mid_instance == NULL) {  

        return;  
    }  

    // 4、创建该类的实例  
    jobj = (*env)->NewObject(env,clazz,mid_construct);  
    if (jobj == NULL) {  
        printf("在com.study.jnilearn.ClassMethod类中找不到callInstanceMethod方法");  
        return;  
    }  

    // 5、调用对象的实例方法  
    str_arg = (*env)->NewStringUTF(env,"我是实例方法");  
    (*env)->CallVoidMethod(env,jobj,mid_instance,str_arg,200);  

    // 删除局部引用  
    (*env)->DeleteLocalRef(env,clazz);  
    (*env)->DeleteLocalRef(env,jobj);  
    (*env)->DeleteLocalRef(env,str_arg);  
}  

运行结果:

ClassMethod::callStaticMethod called!-->str==我是静态方法,i=100
ClassMethod::callInstanceMethod called!-->str==我是实例方法,i=200

代码解析:

AccessMethod.java 是程序的入口,在 main 方法中,分别调用了 callJavaStaticMethod 和callJavaInstaceMethod 这两个 native 方法,用于测试 native 层调用 MethodClass.java 中的callStaticMethod 静态方法和 callInstanceMethod 实例方法,这两个方法的返回值都为 Void,参数都有两个,分别为 String 和 int。

callJavaStaticMethod 静态方法实现说明

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessMethod_callJavaStaticMethod  
(JNIEnv *env, jclass cls)  

定位到AccessMethod.c的代码

(*env)->CallStaticVoidMethod(env,clazz,mid_static_method, str_arg, 100); 

CallStaticVoidMethod函数的原型如下

void (JNICALL *CallStaticVoidMethod)(JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, ...); 

该函数接收 4 个参数:

  • env:JNI 函数表指针
  • cls:调用该静态方法的 Class 对象
  • methodID:方法 ID(因为一个类中会存在多个方法,需要一个唯一标识来确定调用类中的哪个方法)
  • 参数4:方法实参列表

根据函数参数的提示,分以下四步完成 Java 静态方法的回调:

第一步:调用 FindClass 函数,传入一个 Class 描述符,JVM 会从 classpath 路径下搜索该类,并返回jclass 类型(用于存储 Class 对象的引用)。注意 ClassMethod 的 Class 描述符为 com/study/jnilearn/ClassMethod,要将 .(点)全部换成 /(反斜杠)。

(*env)->FindClass(env,"com/study/jnilearn/ClassMethod");  

第二步:调用 GetStaticMethodID 函数,从 ClassMethod 类中获取 callStaticMethod 方法 ID,返回jmethodID 类型(用于存储方法的引用)。实参 clazz 是第一步找到的 jclass 对象,实参"callStaticMethod"为方法名称,实参“(Ljava/lang/String;I)V”为方法的签名。

(*env)->GetStaticMethodID(env,clazz,"callStaticMethod","(Ljava/lang/String;I)V");  

第三步:调用 CallStaticVoidMethod 函数,执行 ClassMethod.callStaticMethod 方法调用。str_arg 和100 是 callStaticMethod 方法的实参。

str_arg = (*env)->NewStringUTF(env,"我是静态方法");  
(*env)->CallStaticVoidMethod(env,clazz,mid_static_method, str_arg, 100);  

注意:JVM 针对所有数据类型的返回值都定义了相关的函数。上面 callStaticMethod 方法的返回类型为 void,所以调用 CallStaticVoidMethod。根据返回值类型不同,JNI 提供了一系列不同返回值的函数,如:CallStaticIntMethod、CallStaticFloatMethod、CallStaticShortMethod、CallStaticObjectMethod等,分别表示调用返回值为 int、float、short、Object 类型的函数,引用类型统一调用CallStaticObjectMethod 函数。另外,每种返回值类型的函数都提供了接收3种实参类型的实现:CallStaticXXXMethod(env, clazz, methodID, ...),CallStaticXXXMethodV(env, clazz, methodID, va_list args),CallStaticXXXMethodA(env, clazz, methodID, const jvalue args),分别表示:接收可变参数列表、接收 va_list 作为实参和接收`const jvalue为实参。下面是jni.h`头文件中CallStaticVoidMethod 的三种实参的函数原型:

void (JNICALL *CallStaticVoidMethod)  
     (JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, ...);  
   void (JNICALL *CallStaticVoidMethodV)  
     (JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, va_list args);  
   void (JNICALL *CallStaticVoidMethodA)  
     (JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, const jvalue * args);  

第四步:释放局部变量

// 删除局部引用  
(*env)->DeleteLocalRef(env,clazz);  
(*env)->DeleteLocalRef(env,str_arg);  

虽然函数结束后,JVM 会自动释放所有局部引用变量所占的内存空间。但还是手动释放一下比较安全,因为在 JVM 中维护着一个引用表,用于存储局部和全局引用变量,经测试在 Android NDK 环境下,这个表的最大存储空间是512 个引用,如果超过这个数就会造成引用表溢出,JVM 崩溃。在 PC 环境下测试,不管申请多少局部引用也不释放都不会崩,我猜可能与 JVM 和 Android Dalvik 虚拟机实现方式不一样的原因。所以有申请就及时释放是一个好的习惯!(局部引用和全局引用在后面的文章中会详细介绍)

callInstanceMethod实例方法实现说明

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessMethod_callJavaInstaceMethod  
(JNIEnv *env, jclass cls) 

定位到AccessMethod.c的代码:

(*env)->CallVoidMethod(env,jobj,mid_instance,str_arg,200);  

CallVoidMethod函数的原型如下

void (JNICALL *CallVoidMethod) (JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, ...);  

该函数接收 4 个参数:

  • env:JNI 函数表指针
  • obj:调用该方法的实例
  • methodID:方法 ID
  • 参数4:方法的实参列表

根据函数参数的提示,分以下六步完成 Java 静态方法的回调:

第一步:同调用静态方法一样,首先通过 FindClass 函数获取类的 Class 对象。

第二步:获取类的构造方法 ID,因为创建类的对象首先会调用类的构造方法。这里以默认构造方法为例。

(*env)->GetMethodID(env,clazz, "<init>","()V");  

<init>代表类的构造方法名称,()V代表无参无返回值的构造方法(即默认构造方法)

第三步:调用 GetMethodID 获取 callInstanceMethod 的方法 ID。

(*env)->GetMethodID(env, clazz, "callInstanceMethod", "(Ljava/lang/String;I)V");  

第四步:调用 NewObject 函数,创建类的实例对象。

<span style="font-size:18px;">(*env)->NewObject(env,clazz,mid_construct);</span>  

第五步:调用 CallVoidMethod 函数,执行 ClassMethod.callInstanceMethod 方法调用,str_arg 和 200是方法实参。

str_arg = (*env)->NewStringUTF(env,"我是实例方法");  
(*env)->CallVoidMethod(env,jobj,mid_instance,str_arg,200); 

同 JNI 调用 Java 静态方法一样,JVM 针对所有数据类型的返回值都定义了相关的函数(CallXXXMethod),如:CallIntMethod、CallFloatMethod、CallObjectMethod 等,也同样提供了支持三种类型实参的函数实现,以 CallVoidMethod 为例,如下是jni.h头文件中该函数的原型:

void (JNICALL *CallVoidMethod)(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, ...);  
void (JNICALL *CallVoidMethodV)(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, va_list args);  
void (JNICALL *CallVoidMethodA)(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, const jvalue * args);  

第六步:删除局部引用(从引用表中移除)。

// 删除局部引用  
(*env)->DeleteLocalRef(env,clazz);  
(*env)->DeleteLocalRef(env,jobj);  
(*env)->DeleteLocalRef(env,str_arg); 

方法签名

在上面的的例子中,无论是调用静态方法还是实例方法,都必须传入一个 jmethodID 的参数。因为在 Java 中存在方法重载(方法名相同,参数列表不同),所以要明确告诉 JVM 调用的是类或实例中的哪一个方法。调用 JNI 的 GetMethodID 函数获取一个 jmethodID 时,需要传入一个方法名称和方法签名,方法名称就是在 Java 中定义的方法名,方法签名的格式为:(形参参数类型列表)返回值。形参参数列表中,引用类型以 L 开头,后面紧跟类的全路径名(需将.全部替换成/),以分号结尾。下面是一些示例:

Java 基本类型与方法签名中参数类型和返回值类型的映射关系如下:

比如,String fun(int a, float b, boolean c, String d)对应的 JNI 方法签名为:"(IFZLjava/lang/String;)Ljava/lang/String;"

总结:

  • 调用静态方法使用 CallStaticXXXMethod/V/A 函数,XXX 代表返回值的数据类型。如:CallStaticIntMethod
  • 调用实例方法使用 CallXXXMethod/V/A 函数,XXX 代表返回的数据类型,如:CallIntMethod
  • 获取一个实例方法的 ID,使用 GetMethodID 函数,传入方法名称和方法签名
  • 获以一个静态方法的 ID,使用 GetStaticMethodID 函数,传入方法名称和方法签名
  • 获取构造方法 ID,方法名称使用""
  • 获取一个类的 Class 实例,使用 FindClass 函数,传入类描述符。JVM 会从 classpath 目录下开始搜索。
  • 创建一个类的实例,使用 NewObject 函数,传入 Class 引用和构造方法 ID
  • 删除局部变量引用,使用 DeleteLocalRef,传入引用变量
  • 方法签名格式:(形参参数列表)返回值类型。注意:形参参数列表之间不需要用空格或其它字符分隔
  • 类描述符格式:L 包名路径/类名;,包名之间用/分隔。如:Ljava/lang/String;
  • 调用 GetMethodID 获取方法 ID 和调用 FindClass 获取 Class 实例后,要做异常判断

示例代码下载地址:https://code.csdn.net/xyang81/jnilearn

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