首页 > 代码库 > Dalvik虚拟机JNI方法的注册过程分析

Dalvik虚拟机JNI方法的注册过程分析

2024-08-08 22:57:36   220人阅读

在前面一文中，我们分析了Dalvik虚拟机的运行过程。从中可以知道，Dalvik虚拟机在调用一个成员函数的时候，如果发现该成员函数是一个JNI方法，那么就会直接跳到它的地址去执行。也就是说，JNI方法是直接在本地操作系统上执行的，而不是由Dalvik虚拟机解释器执行。由此也可看出，JNI方法是Android应用程序与本地操作系统直接进行通信的一个手段。在本文中，我们就详细分析JNI方法的注册过程。

老罗的新浪微博：http://weibo.com/shengyangluo，欢迎关注！

        在Android系统中，JNI方法是以C/C++语言来实现的，然后编译在一个SO文件里面。这个JNI方法在能够被调用之前，首先要加载到当前应用程序进程的地址空间来，如下所示：

 

[java] view plaincopy
 
  1. package shy.luo.jni;  
  2.   
  3. public class ClassWithJni {  
  4.     ......  
  5.       
  6.     static {  
  7.         System.loadLibrary("nanosleep");    
  8.     }  
  9.       
  10.     ......  
  11.       
  12.     private native int nanosleep(long seconds, long nanoseconds);  
  13.       
  14.     ......  
  15. }  

 

        上述代码假设ClassWithJni类有一个JNI方法nanosleep，它实现在一个名称为libnanosleep.so的文件中，因此，在该JNI方法能够被调用之前，我们首先要将它加载到当前应用程序进程来，这是通过调用System类的静态成员函数loadLibrary来实现的。

        JNI方法nanosleep的实现如下所示：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. #include "jni.h"  
  2. #include "JNIHelp.h"  
  3.   
  4. #include <time.h>  
  5.   
  6. static jint shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep(JNIEnv* env, jobject clazz, jlong seconds, jlong nanoseconds)   
  7. {  
  8.     struct timespec req;  
  9.     req.tv_sec  = seconds;  
  10.     req.tv_nsec = nanoseconds;  
  11.       
  12.     return nanosleep(&req, NULL);  
  13. }  
  14.   
  15. static const JNINativeMethod method_table[] = {  
  16.     {"nanosleep", "(JJ)I", (void*)shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep},  
  17. };  
  18.   
  19. extern "C" jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)   
  20. {  
  21.       JNIEnv* env = NULL;  
  22.     jint result = -1;  
  23.   
  24.     if (vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {  
  25.         return result;  
  26.     }  
  27.   
  28.     jniRegisterNativeMethods(env, "shy/luo/jni/ClassWithJni", method_table, NELEM(method_table));  
  29.       
  30.     return JNI_VERSION_1_4;  
  31. }  

 

        假设上述函数经过编译之后，就位于一个名称为libnanosleep.so的文件。

        当libnanosleep.so文件被加载的时候，函数JNI_OnLoad就会被调用。在函数JNI_OnLoad中，参数vm描述的是当前进程中的Dalvik虚拟机，通过调用它的成员函数GetEnv就可以获得一个JNIEnv对象。有了这个JNIEnv对象之后，我们就可以调用另外一个函数jniRegisterNativeMethods来向当前进程中的Dalvik虚拟机注册一个JNI方法shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep。这个JNI方法即为shy.luo.jni.ClassWithJni类的成员函数nanasleep的实现。

        JNI方法shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep要做的事情实际上就是通过系统调用nanosleep来使得当前进程进入睡眠状态，直至seconds秒nanoseconds纳秒之后再唤醒。使用系统调用nanosleep来使得当前进程进入睡眠状态的好处它的时间精度可以达到纳秒级，但是这个系统调用有两个地方是需要注意的：

        1. 如果进程在睡眠的过程中接收到信号，那么它就会提前被唤醒，这时候系统调用nanosleep的返回值为-1，并且错误代码errno被设置为EINTR。

        2. 如果CPU的时钟中断精度达不到纳秒级别，那么nanosleep的睡眠精度也达不到纳秒级，也就是说，当前进程不一定能在指定的纳秒之后被唤醒，会有一定的延时。

        不过，JNI方法shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep的实现不是我们的重点，我们的重点是分析它注册到Dalvik虚拟机的过程。

        前面提到，JNI方法shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep是libnanosleep.so文件加载的时候被注册到Dalvik虚拟机的，因此，我们就从libnanosleep.so文件的加载开始，分析JNI方法shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep注册到Dalvik虚拟机的过程，也就是从System类的静态成员函数loadLibrary开始分析一个JNI方法注册到Dalvik虚拟机的过程，如图1所示：

技术分享

图1 JNI方法注册到Dalvik虚拟机的过程

        这个过程可以分为12个步骤，接下来我们就详细分析每一个步骤。

        Step 1. System.loadLibrary

 

[java] view plaincopy
 
  1. public final class System {  
  2.     ......  
  3.       
  4.     public static void loadLibrary(String libName) {  
  5.         SecurityManager smngr = System.getSecurityManager();  
  6.         if (smngr != null) {  
  7.             smngr.checkLink(libName);  
  8.         }  
  9.         Runtime.getRuntime().loadLibrary(libName, VMStack.getCallingClassLoader());  
  10.     }  
  11.   
  12.     ......  
  13. }  

        这个函数定义在文件libcore/luni/src/main/java/java/lang/System.java中。

        System类的成员函数loadLibrary首先调用SecurityManager类的成员函数checkLink来进行安全检查，即检查名称为libName的so文件是否允许加载。注意，这是Java的安全代码检查机制，而不是Android系统的安全检查机制，而且Android系统没有使用它来进行安全检查。因此，这个检查总是能通过的。

        System类的成员函数loadLibrary接下来就再通过运行时类Runtime的成员函数loadLibrary来加载名称为libName的so文件，接下来我们就继续分析它的实现。

        Step 2. Runtime.loadLibrary

 

[java] view plaincopy
 
  1. public class Runtime {  
  2.     ......  
  3.   
  4.     void loadLibrary(String libraryName, ClassLoader loader) {  
  5.         if (loader != null) {  
  6.             String filename = loader.findLibrary(libraryName);  
  7.             if (filename == null) {  
  8.                 throw new UnsatisfiedLinkError("Couldn‘t load " + libraryName + ": " +  
  9.                         "findLibrary returned null");  
  10.             }  
  11.             String error = nativeLoad(filename, loader);  
  12.             if (error != null) {  
  13.                 throw new UnsatisfiedLinkError(error);  
  14.             }  
  15.             return;  
  16.         }  
  17.   
  18.         String filename = System.mapLibraryName(libraryName);  
  19.         List<String> candidates = new ArrayList<String>();  
  20.         String lastError = null;  
  21.         for (String directory : mLibPaths) {  
  22.             String candidate = directory + filename;  
  23.             candidates.add(candidate);  
  24.             if (new File(candidate).exists()) {  
  25.                 String error = nativeLoad(candidate, loader);  
  26.                 if (error == null) {  
  27.                     return; // We successfully loaded the library. Job done.  
  28.                 }  
  29.                 lastError = error;  
  30.             }  
  31.         }  
  32.   
  33.         if (lastError != null) {  
  34.             throw new UnsatisfiedLinkError(lastError);  
  35.         }  
  36.         throw new UnsatisfiedLinkError("Library " + libraryName + " not found; tried " + candidates);  
  37.     }  
  38.   
  39.     ......  
  40. }  

        这个函数定义在文件libcore/luni/src/main/java/java/lang/Runtime.java中。

 

        在Runtime类的成员函数loadLibrary中，参数libraryName表示要加载的so文件，而参数loader表示与要加载的so文件所关联的类的一个类加载器。例如，在我们这个情景中，libraryName等于“nanosleep”，与它所关联的类为shy.luo.jni.ClassWithJni。每一类有一个关联的类加载器，用来负责加载该类。在Dalvik虚拟机中，类加载器除了知道它要加载的类所在的文件路径之外，还知道该类所属的APK用来保存so文件的路径。因此，给定一个so文件名称，一个类加载器可以判断它是否存在自己的so文件目录中。

        参数libraryName只是描述要加载的so文件的部分名称，它的完整名称需要根据本地操作系统的特证来确定。由于目前Android系统都是属于Linux系统，而在Linux系统中，so文件的命名规范通常就是lib<name>.so的形式，因此，在我们这个情景中，名称为“nanosleep”的so文件的完整名称就为“libnanosleep.so”，这是通过调用System类的静态成员函数mapLibraryName来获得的。

        上面所获得的libnanosleep.so文件的名称仍然还不够完整，因为它没有包含绝对路径。在这种情况下，我们是无法将它加载到Dalvik虚拟机中去的。当参数loader的值不等于null的时候，Runtime类的成员函数loadLibrary就会调用它的成员函数findLibrary来它的so文件目录中寻找是否有一外名称为“libnanosleep.so”。如果存在的话，那么就会返回该libnanosleep.so文件的绝对路径。有了libnanosleep.so文件的绝对路径之后，就可以调用Runtime类的另外一个成员函数nativeLoad来将它加载到当前进程的Dalvik虚拟机中。注意，将参数libraryName转换为lib<name>.so的完整形式，以及获得该so文件的绝对路径，都是由参数loader所描述的一个类加载器的成员函数findLibrary来完成的。

        另一方面，如果参数loader的值等于null，那么就表示当前要加载的so文件要在系统范围的so文件目录查找。这些系统范围的so文件目录保存在Runtime类的成员变量mLibPaths所描述的一个String数组中。通过依次检查这些目录是否存在与参数libraryName对应的so文件，就可以确定参数libraryName所指定加载的so文件是否是一个合法的so文件。如果合法的话，那么同样会调用Runtime类的另外一个成员函数nativeLoad来将它加载到当前进程的Dalvik虚拟机中。注意，这里在检查参数libraryName所表示的so文件是否存在于系统范围的so文件目录之前，同样要将它转换为lib<name>.so的形式，这同样也是通过调用System类的静态成员函数mapLibraryName来完成的。

        如果最后无法在指定的APK或者系统范围的so文件目录中找到由参数libraryName所描述的so文件，或者找到了该so文件，但是在加载该so文件的过程中出现错误，那么Runtime类的成员函数loadLibrary都会抛出一个类型为UnsatisfiedLinkError的异常。

        由于加载参数libraryName所描述的so文件是由Runtime类的成员函数nativeLoad来实现的，因此，接下来我们继续分析它的实现。

        Step 3. Runtime.nativeLoad

 

[java] view plaincopy
 
  1. public class Runtime {  
  2.     ......  
  3.   
  4.     private static native String nativeLoad(String filename, ClassLoader loader);  
  5.   
  6.     ......  
  7. }  

        这个函数定义在文件libcore/luni/src/main/java/java/lang/Runtime.java中。

 

        Runtime类的成员函数nativeLoad是一个JNI方法。由于该JNI方法是属于Java核心类Runtime的，也就是说，它在Dalvik虚拟机启动的时候就已经在内部注册过了，因此，这时候我们可以直接调用它注册其它的JNI方法，也就是so文件filename里面所指定的JNI方法。Dalvik虚拟机在启动过程中注册Java核心类的操作，具体可以参考前面Dalvik虚拟机的启动过程分析一文。

        Runtime类的成员函数nativeLoad在C++层对应的函数为Dalvik_java_lang_Runtime_nativeLoad，如下所示：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. static void Dalvik_java_lang_Runtime_nativeLoad(const u4* args,  
  2.     JValue* pResult)  
  3. {  
  4.     StringObject* fileNameObj = (StringObject*) args[0];  
  5.     Object* classLoader = (Object*) args[1];  
  6.     char* fileName = NULL;  
  7.     StringObject* result = NULL;  
  8.     char* reason = NULL;  
  9.     bool success;  
  10.   
  11.     assert(fileNameObj != NULL);  
  12.     fileName = dvmCreateCstrFromString(fileNameObj);  
  13.   
  14.     success = dvmLoadNativeCode(fileName, classLoader, &reason);  
  15.     if (!success) {  
  16.         const char* msg = (reason != NULL) ? reason : "unknown failure";  
  17.         result = dvmCreateStringFromCstr(msg);  
  18.         dvmReleaseTrackedAlloc((Object*) result, NULL);  
  19.     }  
  20.   
  21.     free(reason);  
  22.     free(fileName);  
  23.     RETURN_PTR(result);  
  24. }  

        这个函数定义在文件dalvik/vm/native/java_lang_Runtime.c中。

 

        参数args[0]保存的是一个Java层的String对象，这个String对象描述的就是要加载的so文件，函数Dalvik_java_lang_Runtime_nativeLoad首先是调有函数dvmCreateCstrFromString来将它转换成一个C++层的字符串fileName，然后再调用函数dvmLoadNativeCode来执行加载so文件的操作。

        接下来，我们就继续分函数dvmLoadNativeCode的实现，以便可以了解一个so文件的加载过程。

        Step 4. dvmLoadNativeCode

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. bool dvmLoadNativeCode(const char* pathName, Object* classLoader,  
  2.         char** detail)  
  3. {  
  4.     SharedLib* pEntry;  
  5.     void* handle;  
  6.     ......  
  7.   
  8.     pEntry = findSharedLibEntry(pathName);  
  9.     if (pEntry != NULL) {  
  10.         if (pEntry->classLoader != classLoader) {  
  11.             ......  
  12.             return false;  
  13.         }  
  14.         ......  
  15.   
  16.         if (!checkOnLoadResult(pEntry))  
  17.             return false;  
  18.         return true;  
  19.     }  
  20.     ......  
  21.   
  22.     handle = dlopen(pathName, RTLD_LAZY);  
  23.     ......  
  24.   
  25.     /* create a new entry */  
  26.     SharedLib* pNewEntry;  
  27.     pNewEntry = (SharedLib*) calloc(1, sizeof(SharedLib));  
  28.     pNewEntry->pathName = strdup(pathName);  
  29.     pNewEntry->handle = handle;  
  30.     pNewEntry->classLoader = classLoader;  
  31.     ......  
  32.   
  33.     /* try to add it to the list */  
  34.     SharedLib* pActualEntry = addSharedLibEntry(pNewEntry);  
  35.    
  36.     if (pNewEntry != pActualEntry) {  
  37.         ......  
  38.         freeSharedLibEntry(pNewEntry);  
  39.         return checkOnLoadResult(pActualEntry);  
  40.     } else {  
  41.         ......  
  42.   
  43.         bool result = true;  
  44.         void* vonLoad;  
  45.         int version;  
  46.   
  47.         vonLoad = dlsym(handle, "JNI_OnLoad");  
  48.         if (vonLoad == NULL) {  
  49.             LOGD("No JNI_OnLoad found in %s %p, skipping init\n",  
  50.                 pathName, classLoader);  
  51.         } else {  
  52.             ......  
  53.   
  54.             OnLoadFunc func = vonLoad;  
  55.             ......  
  56.   
  57.             version = (*func)(gDvm.vmList, NULL);  
  58.             ......  
  59.   
  60.             if (version != JNI_VERSION_1_2 && version != JNI_VERSION_1_4 &&  
  61.                 version != JNI_VERSION_1_6)  
  62.             {  
  63.                 .......  
  64.                 result = false;  
  65.             } else {  
  66.                 LOGV("+++ finished JNI_OnLoad %s\n", pathName);  
  67.             }  
  68.   
  69.         }  
  70.   
  71.         ......  
  72.   
  73.         if (result)  
  74.             pNewEntry->onLoadResult = kOnLoadOkay;  
  75.         else  
  76.             pNewEntry->onLoadResult = kOnLoadFailed;  
  77.   
  78.         ......  
  79.   
  80.         return result;  
  81.     }  
  82. }   

        这个函数定义在文件dalvik/vm/Native.c中。

 

        函数dvmLoadNativeCode首先是检查参数pathName所指定的so文件是否已经加载过了，这是通过调用函数findSharedLibEntry来实现的。如果已经加载过，那么就可以获得一个SharedLib对象pEntry。这个SharedLib对象pEntry描述了有关参数pathName所指定的so文件的加载信息，例如，上次用来加载它的类加载器和上次的加载结果。如果上次用来加载它的类加载器不等于当前所使用的类加载器，或者上次没有加载成功，那么函数dvmLoadNativeCode就回直接返回false给调用者，表示不能在当前进程中加载参数pathName所描述的so文件。

        我们假设参数pathName所指定的so文件还没有被加载过，这时候函数dvmLoadNativeCode就会先调用dlopen来在当前进程中加载它，并且将获得的句柄保存在变量handle中，接着再创建一个SharedLib对象pNewEntry来描述它的加载信息。这个SharedLib对象pNewEntry还会通过函数addSharedLibEntry被缓存起来，以便可以知道当前进程都加载了哪些so文件。

         注意，在调用函数addSharedLibEntry来缓存新创建的SharedLib对象pNewEntry的时候，如果得到的返回值pActualEntry指向的不是SharedLib对象pNewEntry，那么就表示另外一个线程也正在加载参数pathName所指定的so文件，并且比当前线程提前加载完成。在这种情况下，函数addSharedLibEntry就什么也不用做而直接返回了。否则的话，函数addSharedLibEntry就要继续负责调用前面所加载的so文件中的一个指定的函数来注册它里面的JNI方法。

        这个指定的函数的名称为“JNI_OnLoad”，也就是说，每一个用来实现JNI方法的so文件都应该定义有一个名称为“JNI_OnLoad”的函数，并且这个函数的原型为：

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved);  

        函数dvmLoadNativeCode通过调用函数dlsym就可以获得在前面加载的so中名称为“JNI_OnLoad”的函数的地址，最终保存在函数指针func中。有了这个函数指针之后，我们就可以直接调用它来执行注册JNI方法的操作了。注意，在调用该JNI_OnLoad函数时，第一个要传递进行的参数是一个JavaVM对象，这个JavaVM对象描述的是在当前进程中运行的Dalvik虚拟机，第二个要传递的参数可以设置为NULL，这是保留给以后使用的。

 

        从前面Dalvik虚拟机的启动过程分析一文可以知道，在当前进程所运行的Dalvik虚拟机实例是通过全局变量gDvm所描述的一个DvmGlobals结构体的成员变量vmList来描述的，因此，我们就可以将它传递在前面加载的so中名称中定义的JNI_OnLoad函数。注意，定义在该so文件中的JNI_OnLoad函数一旦执行成功，它的返回值就必须等于JNI_VERSION_1_2、JNI_VERSION_1_4或者JNI_VERSION_1_6，用来表示所注册的JNI方法的版本。

        最后， 函数dvmLoadNativeCode根据上述的JNI_OnLoad函数的执行成功与否，将前面所创建的一个SharedLib对象pNewEntry的成员变量onLoadResult设置为kOnLoadOkay或者kOnLoadFailed，这样就可以记录参数pathName所指定的so文件是否是加载成功的，也就是它是否成功地注册了其内部的JNI方法。

        在我们这个情景中，参数pathName所指定的so文件为libnanosleep.so，接下来我们就继续分析它的函数JNI_OnLoad的实现，以便可以发解定义在它里面的JNI方法的注册过程。

        Step 5. JNI_OnLoad

        定义在libnanosleep.so文件中的函数JNI_OnLoad的实现可以参考文章开始的部分。从它的实现可以知道，它所注册的JNI方法shy_luo_jni_ClassWithJni_nanosleep是与shy.luo.jni.ClassWithJni类的成员函数nanosleep对应的，并且是通过调用函数jniRegisterNativeMethods来实现的。因此，接下来我们就继续分析函数jniRegisterNativeMethods的实现。

        Step 6. jniRegisterNativeMethods

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. int jniRegisterNativeMethods(JNIEnv* env, const char* className,  
  2.     const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)  
  3. {  
  4.     jclass clazz;  
  5.   
  6.     LOGV("Registering %s natives\n", className);  
  7.     clazz = (*env)->FindClass(env, className);  
  8.     if (clazz == NULL) {  
  9.         LOGE("Native registration unable to find class ‘%s‘\n", className);  
  10.         return -1;  
  11.     }  
  12.   
  13.     int result = 0;  
  14.     if ((*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods, numMethods) < 0) {  
  15.         LOGE("RegisterNatives failed for ‘%s‘\n", className);  
  16.         result = -1;  
  17.     }  
  18.   
  19.     (*env)->DeleteLocalRef(env, clazz);  
  20.     return result;  
  21. }  

        这个函数定义在文件dalvik/libnativehelper/JNIHelp.c中。

 

        参数env所指向的一个JNIEnv结构体，通过调用这个JNIEnv结构体可以获得参数className所描述的一个类。这个类就是要注册JNI的类，而它所要注册的JNI就是由参数gMethods来描述的。

        注册参数gMethods所描述的JNI方法是通过调用env所指向的一个JNIEnv结构体的成员函数RegisterNatives来实现的，因此，接下来我们就继续分析它的实现。

        Step 7. JNIEnv.RegisterNatives

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. typedef _JNIEnv JNIEnv;  
  2. ......  
  3.   
  4. struct _JNIEnv {  
  5.     /* do not rename this; it does not seem to be entirely opaque */  
  6.     const struct JNINativeInterface* functions;  
  7.     ......  
  8.   
  9.     jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods,  
  10.         jint nMethods)  
  11.     { return functions->RegisterNatives(this, clazz, methods, nMethods); }  
  12.    
  13.     ......  
  14. }  

        这个函数定义在文件dalvik/libnativehelper/include/nativehelper/jni.h中。

 

        从前面Dalvik虚拟机的运行过程分析一文可以知道，结构体JNIEnv的成员变量functions指向的是一个函数表，这个函数表又包含了一系列的函数指针，指向了在当前进程中运行的Dalvik虚拟机中定义的函数。对于结构体JNIEnv的成员函数RegisterNatives来说，它就是通过调用这个函数表中名称为RegisterNatives的函数指针来注册参数gMethods所描述的JNI方法的。

        从前面Dalvik虚拟机的启动过程分析一文可以知道，上述函数表中名称为RegisterNatives的函数指针指向的是在Dalvik虚拟机内部定义的函数RegisterNatives，因此，接下来我们就继续分析它的实现。

        Step 8. RegisterNatives

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. static jint RegisterNatives(JNIEnv* env, jclass jclazz,  
  2.     const JNINativeMethod* methods, jint nMethods)  
  3. {  
  4.     JNI_ENTER();  
  5.   
  6.     ClassObject* clazz = (ClassObject*) dvmDecodeIndirectRef(env, jclazz);  
  7.     jint retval = JNI_OK;  
  8.     int i;  
  9.   
  10.     ......  
  11.   
  12.     for (i = 0; i < nMethods; i++) {  
  13.         if (!dvmRegisterJNIMethod(clazz, methods[i].name,  
  14.                 methods[i].signature, methods[i].fnPtr))  
  15.         {  
  16.             retval = JNI_ERR;  
  17.         }  
  18.     }  
  19.   
  20.     JNI_EXIT();  
  21.     return retval;  
  22. }  

        这个函数定义在文件dalvik/vm/Jni.c中。

        参数jclazz描述的是要注册JNI方法的类，而参数methods描述的是要注册的一组JNI方法，这个组JNI方法的个数由参数nMethods来描述。

        函数RegisterNatives首先是调用函数dvmDecodeIndirectRef来获得要注册JNI方法的类对象，接着再通过一个for循环来依次调用函数dvmRegisterJNIMethod注册参数methods描述所描述的每一个JNI方法。注意，每一个JNI方法都由名称、签名和地址来描述。

        接下来，我们就继续分析函数dvmRegisterJNIMethod的实现。

        Step 9. dvmRegisterJNIMethod

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. static bool dvmRegisterJNIMethod(ClassObject* clazz, const char* methodName,  
  2.     const char* signature, void* fnPtr)  
  3. {  
  4.     Method* method;  
  5.     bool result = false;  
  6.   
  7.     if (fnPtr == NULL)  
  8.         goto bail;  
  9.   
  10.     method = dvmFindDirectMethodByDescriptor(clazz, methodName, signature);  
  11.     if (method == NULL)  
  12.         method = dvmFindVirtualMethodByDescriptor(clazz, methodName, signature);  
  13.     if (method == NULL) {  
  14.         LOGW("ERROR: Unable to find decl for native %s.%s:%s\n",  
  15.             clazz->descriptor, methodName, signature);  
  16.         goto bail;  
  17.     }  
  18.   
  19.     if (!dvmIsNativeMethod(method)) {  
  20.         LOGW("Unable to register: not native: %s.%s:%s\n",  
  21.             clazz->descriptor, methodName, signature);  
  22.         goto bail;  
  23.     }  
  24.   
  25.     if (method->nativeFunc != dvmResolveNativeMethod) {  
  26.         /* this is allowed, but unusual */  
  27.         LOGV("Note: %s.%s:%s was already registered\n",  
  28.             clazz->descriptor, methodName, signature);  
  29.     }  
  30.   
  31.     dvmUseJNIBridge(method, fnPtr);  
  32.   
  33.     LOGV("JNI-registered %s.%s:%s\n", clazz->descriptor, methodName,  
  34.         signature);  
  35.     result = true;  
  36.   
  37. bail:  
  38.     return result;  
  39. }  

         这个函数定义在文件dalvik/vm/Jni.c中。

 

         函数dvmRegisterJNIMethod在注册参数methodName所描述的JNI方法之前，首先会进行一系列的检查，包括：

        1. 确保参数clazz所描述的类有一个名称为methodName的成员函数。首先是调用函数dvmFindDirectMethodByDescriptor来检查methodName是否是clazz的一个非虚成员函数，然后再调用函数dvmFindVirtualMethodByDescriptor来检查methodName是否是clazz的一个虚成员函数。

        2. 确保类clazz的成员函数methodName确实是声明为JNI方法，即带有native修饰符，这是通过调用函数dvmIsNativeMethod来实现的。

        通过了前面的第1个检查之后，就可以获得一个Method对象method，用来描述要注册的JNI方法所对应的Java类成员函数。当一个Method对象method描述的是一个JNI方法的时候，它的成员变量nativeFunc保存的就是该JNI方法的地址，但是在对应的JNI方法注册进来之前，该成员变量的值被统一设置为dvmResolveNativeMethod。因此，当我们调用了一个未注册的JNI方法时，实际上执行的是函数dvmResolveNativeMethod。函数dvmResolveNativeMethod此时会在Dalvik虚拟内部以及当前所有已经加载的共享库中检查是否存在对应的JNI方法。如果不存在，那么它就会抛出一个类型为java.lang.UnsatisfiedLinkError的异常。

        注意，一个JNI方法是可以重复注册的，无论如何，函数dvmRegisterJNIMethod都是调用另外一个函数dvmUseJNIBridge来继续执行注册JNI的操作。

        Step 10. dvmUseJNIBridge

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. /** 
  2.  * Returns true if the -Xjnitrace setting implies we should trace ‘method‘. 
  3.  */  
  4. static bool shouldTrace(Method* method)  
  5. {  
  6.     return gDvm.jniTrace && strstr(method->clazz->descriptor, gDvm.jniTrace);  
  7. }  
  8.   
  9. /* 
  10.  * Point "method->nativeFunc" at the JNI bridge, and overload "method->insns" 
  11.  * to point at the actual function. 
  12.  */  
  13. void dvmUseJNIBridge(Method* method, void* func)  
  14. {  
  15.     DalvikBridgeFunc bridge = shouldTrace(method)  
  16.         ? dvmTraceCallJNIMethod  
  17.         : dvmSelectJNIBridge(method);  
  18.     dvmSetNativeFunc(method, bridge, func);  
  19. }  

 

        这个函数定义在文件dalvik/vm/Jni.c中。

        一个JNI方法并不是直接被调用的，而是通过由Dalvik虚拟机间接地调用，这个用来间接调用JNI方法的函数就称为一个Bridge。这些Bridage函数在真正调用JNI方法之前，会执行一些通用的初始化工作。例如，会将当前线程的状态设置为NATIVE，因为它即将要执行一个Native函数。又如，会为即将要被调用的JNI方法准备好前面两个参数，第一个参数是一个JNIEnv对象，用来描述当前线程的Java环境，通过它可以访问反过来访问Java代码和Java对象，第二个参数是一个jobject对象，用来描述当前正在执行JNI方法的Java对象。

        这些Bridage函数实际上仍然不是直接调用地调用JNI方法的，这是因为Dalvik虚拟机是可以运行在各种不同的平台之上，而每一种平台可能都定义有自己的一套函数调用规范，也就是所谓的ABI（Application Binary Interface），这是一个API（Application Programming Interface）不同的概念。ABI是在二进制级别上定义的一套函数调用规范，例如参数是通过寄存器来传递还是堆栈来传递，而API定义是一个应用程序编程接口规范。换句话说，API定义了源代码和库之间的接口，因此同样的代码可以在支持这个API的任何系统中编译 ，而ABI允许编译好的目标代码在使用兼容ABI的系统中无需改动就能运行。 

        为了使得运行在不同平台上的Dalvik虚拟机能够以统一的方法来调用JNI方法，这些Bridage函数使用了一个libffi库，它的源代码位于external/libffi目录中。Libffi是一个开源项目，用于高级语言之间的相互调用的处理，它的实现机制可以进一步参考http://www.sourceware.org/libffi/。

        回到函数dvmUseJNIBridge中，它主要就是根据Dalvik虚拟机的启动选项来为即将要注册的JNI选择一个合适的Bridge函数。如果我们在Dalvik虚拟机启动的时候，通过-Xjnitrace选项来指定了要跟踪参数method所描述的JNI方法，那么函数dvmUseJNIBridge为该JNI方法选择的Bridge函数就为dvmTraceCallJNIMethod，否则的话，就再通过另外一个函数dvmSelectJNIBridge来进一步选择一个合适的Bridge函数。选择好Bridge函数之后，函数dvmUseJNIBridge最终就调用函数dvmSetNativeFunc来执行真正的JNI方法注册操作。

        我们假设参数method所描述的JNI方法没有设置为跟踪，因此，接下来，我们就首先分析函数dvmSelectJNIBridge的实现，接着再分析函数dvmSetNativeFunc的实现。

        Step 11. dvmSelectJNIBridge

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. /* 
  2.  * Returns the appropriate JNI bridge for ‘method‘, also taking into account 
  3.  * the -Xcheck:jni setting. 
  4.  */  
  5. static DalvikBridgeFunc dvmSelectJNIBridge(const Method* method)  
  6. {  
  7.     enum {  
  8.         kJNIGeneral = 0,  
  9.         kJNISync = 1,  
  10.         kJNIVirtualNoRef = 2,  
  11.         kJNIStaticNoRef = 3,  
  12.     } kind;  
  13.     static const DalvikBridgeFunc stdFunc[] = {  
  14.         dvmCallJNIMethod_general,  
  15.         dvmCallJNIMethod_synchronized,  
  16.         dvmCallJNIMethod_virtualNoRef,  
  17.         dvmCallJNIMethod_staticNoRef  
  18.     };  
  19.     static const DalvikBridgeFunc checkFunc[] = {  
  20.         dvmCheckCallJNIMethod_general,  
  21.         dvmCheckCallJNIMethod_synchronized,  
  22.         dvmCheckCallJNIMethod_virtualNoRef,  
  23.         dvmCheckCallJNIMethod_staticNoRef  
  24.     };  
  25.   
  26.     bool hasRefArg = false;  
  27.   
  28.     if (dvmIsSynchronizedMethod(method)) {  
  29.         /* use version with synchronization; calls into general handler */  
  30.         kind = kJNISync;  
  31.     } else {  
  32.         /* 
  33.          * Do a quick scan through the "shorty" signature to see if the method 
  34.          * takes any reference arguments. 
  35.          */  
  36.         const char* cp = method->shorty;  
  37.         while (*++cp != ‘\0‘) {     /* pre-incr to skip return type */  
  38.             if (*cp == ‘L‘) {  
  39.                 /* ‘L‘ used for both object and array references */  
  40.                 hasRefArg = true;  
  41.                 break;  
  42.             }  
  43.         }  
  44.   
  45.         if (hasRefArg) {  
  46.             /* use general handler to slurp up reference args */  
  47.             kind = kJNIGeneral;  
  48.         } else {  
  49.             /* virtual methods have a ref in args[0] (not in signature) */  
  50.             if (dvmIsStaticMethod(method))  
  51.                 kind = kJNIStaticNoRef;  
  52.             else  
  53.                 kind = kJNIVirtualNoRef;  
  54.         }  
  55.     }  
  56.   
  57.     return dvmIsCheckJNIEnabled() ? checkFunc[kind] : stdFunc[kind];  
  58. }  

        这个函数定义在文件dalvik/vm/Jni.c中。

 

        Dalvik虚拟机提供的Bridge函数主要是分为两类。第一类Bridge函数在调用完成JNI方法之后，会检查该JNI方法的返回结果是否与声明的一致，这是因为一个声明返回String的JNI方法在执行时返回的可能会是一个Byte Array。如果不一致，取决于Dalvik虚拟机的启动选项，它可能会停机。第二类Bridge函数不对JNI方法的返回结果进行上述检查。选择哪一类Bridge函数可以通过-Xcheck:jni选项来决定。不过由于检查一个JNI方法的返回结果是否与声明的一致是很耗时的，因此，我们一般都不会使用第一类Bridge函数。

        此外，每一类Bridge函数又分为四个子类：Genernal、Sync、VirtualNoRef和StaticNoRef，它们的选择规则为：

        1. 一个JNI方法的参数列表中如果包含有引用类型的参数，那么对应的Bridge函数就是Genernal类型的，即为dvmCallJNIMethod_general或者dvmCheckCallJNIMethod_general。

        2. 一个JNI方法如果声明为同步方法，即带有synchronized修饰符，那么对应的Bridge函数就是Sync类型的，即为dvmCallJNIMethod_synchronized或者dvmCheckCallJNIMethod_synchronized。

        3. 一个JNI方法的参数列表中如果不包含有引用类型的参数，并且它是一个虚成员函数，那么对应的Bridge函数就是kJNIVirtualNoRef类型的，即为dvmCallJNIMethod_virtualNoRef或者dvmCheckCallJNIMethod_virtualNoRef。

        4. 一个JNI方法的参数列表中如果不包含有引用类型的参数，并且它是一个静态成员函数，那么对应的Bridge函数就是StaticNoRef类型的，即为dvmCallJNIMethod_staticNoRef或者dvmCheckCallJNIMethod_staticNoRef。

        每一类Bridge函数之所以要划分为上述四个子类，是因为每一个子类的Bridge函数在调用真正的JNI方法之前，所要进行的准备工作是不一样的。例如，Genernal类型的Bridge函数需要为引用类型的参数增加一个本地引用，避免它在JNI方法执行的过程中被回收。又如，Sync类型的Bridge函数在调用JNI方法之前，需要执行同步原始，以避免多线程访问的竞争问题。

        这一步执行完成之后，返回到前面的Step 10中，即函数dvmUseJNIBridge中，这时候它就获得了一个Bridge函数，因此，接下来它就可以调用函数dvmSetNativeFunc来执行真正的JNI方法注册操作了。

        Step 12. dvmSetNativeFunc

 

[cpp] view plaincopy
 
  1. void dvmSetNativeFunc(Method* method, DalvikBridgeFunc func,  
  2.     const u2* insns)  
  3. {  
  4.     ......  
  5.   
  6.     if (insns != NULL) {  
  7.         /* update both, ensuring that "insns" is observed first */  
  8.         method->insns = insns;  
  9.         android_atomic_release_store((int32_t) func,  
  10.             (void*) &method->nativeFunc);  
  11.     } else {  
  12.         /* only update nativeFunc */  
  13.         method->nativeFunc = func;  
  14.     }  
  15.   
  16.     ......  
  17. }  

        这个函数定义在文件dalvik/vm/oo/Class.c中。

 

        参数method表示要注册JNI方法的Java类成员函数，参数func表示JNI方法的Bridge函数，参数insns表示要注册的JNI方法的函数地址。

        当参数insns的值不等于NULL的时候，函数dvmSetNativeFunc就分别将参数insns和func的值分别保存在参数method所指向的一个Method对象的成员变量insns和nativeFunc中，而当insns的值等于NULL的时候，函数dvmSetNativeFunc就只将参数func的值保存在参数method所指向的一个Method对象成员变量nativeFunc中。

        假设在前面的Step 11中选择的Bridge函数为dvmCallJNIMethod_general，并且结合前面Dalvik虚拟机的运行过程分析一文，我们就可以得到Dalvik虚拟机在运行过程中调用JNI方法的过程：

        1. 调用函数dvmCallJNIMethod_general，执行一些必要的准备工作；

        2. 函数dvmCallJNIMethod_general再调用函数dvmPlatformInvoke来以统一的方式来调用对应的JNI方法；

        3. 函数dvmPlatformInvoke通过libffi库来调用对应的JNI方法，以屏蔽Dalvik虚拟机运行在不同目标平台的细节。

        至此，我们就分析完成Dalvik虚拟机JNI方法的注册过程了。这样，我们就打通了Java代码和Native代码之间的道路。实际上，很多Java和Android核心类的功能都是通过本地操作系统提供的系统调用来完成的，例如，Zygote类的成员函数forkAndSpecialize最终是通过Linux系统调用fork来创建一个Android应用程序进程的，又如，Thread类的成员函数start最终是通过pthread线程库函数pthread_create来创建一个Android应用程序线程的。

        在接下来的一篇文章中，我们就在Java代码和Native代码打通了的基础上，分析Android应用程序进程和线程与本地操作系统进程的线程的关系，也就是Dalvik虚拟机进程和线程与本地操作系统进程的线程的关系，敬请关注！

Dalvik虚拟机JNI方法的注册过程分析


联系
我们