JavaVM 和 JNIEnv

初学者，尤其是缺少C++开发经验的初学者，经常会对以下两种写法感到困惑：
NewStringUTF(env, "Hello from C++");
env->NewStringUTF("Hello from C++");
实际上，JNI的头文件jni.h中同时声明了C与C++两种接口，通过#ifdef __cplusplus宏指令进行区分。
如果你的工程没有强制要求必须使用纯C代码，推荐使用C++实现。

JNI 定义了两个关键数据结构，即“JavaVM”和“JNIEnv”。理论上在Java中每个进程可以有多个 JavaVM，但 Android 只允许有一个。

#if defined(__cplusplus)
typedef _JNIEnv JNIEnv;
typedef _JavaVM JavaVM;
#else
typedef const struct JNINativeInterface* JNIEnv;
typedef const struct JNIInvokeInterface* JavaVM;
#endif

JNIEnv 提供了大部分 JNI 函数。每个线程都有独立的JNIEnv，通过“线程局部存储”（ThreadLocal）存储在线程对象上。因此无法在线程之间共享 JNIEnv。

线程

Java创建的线程自带JNIEnv，通过JavaVM的GetEnv方法可以直接获取到对应的JNIEnv指针。而非Java线程则没有JNIEnv，需要使用JavaVM的AttachCurrentThread附加JNIEnv。以下是一个比较详细的示例，使用pthread_create创建了一个pthread线程，然后在Run方法中反射调用Java的invokeFromJNI方法：

#include <jni.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <android/log.h>
#include "scoped_local_ref.h"

JavaVM* gJavaVM = NULL; // JavaVM 全局指针
jclass gClassMainActivity = NULL; //GlobalRef的jclass

/*
    // 要反射调用的Java方法
    public void invokeFromJNI(final String args) {

        mTextView.post(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mTextView.setText(args);
            }
        });
    }
 */

/**
 * pthread线程的Run方法
 */
void *Run(void *arg) {
    JNIEnv* env = NULL;
    if (gJavaVM->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        gJavaVM->AttachCurrentThread(&env, NULL);

        jobject weak = reinterpret_cast<jobject>(arg);
        // 判断弱全局引用是否已经被回收
        if (env->IsSameObject(weak, NULL)) {
            return NULL;
        }
        
        // 给弱全局引用提升引用级别
        jobject local = env->NewLocalRef(weak);
        
        jmethodID invokeFromJNI = env->GetMethodID(gClassMainActivity, "invokeFromJNI", "(Ljava/lang/String;)V");
        env->CallVoidMethod(local, invokeFromJNI, env->NewStringUTF("JNITutorial"));
        
        env->DeleteLocalRef(local);
        env->DeleteWeakGlobalRef(weak);
        gJavaVM->DetachCurrentThread();
    }
    return NULL;
}

jstring stringFromJNI(JNIEnv* env, jobject obj) {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, Run, env->NewWeakGlobalRef(obj)); //这里的obj其实是MainActivity，所以使用了弱全局引用
    __android_log_print(ANDROID_LOG_VERBOSE, "JNITutorial", "stringFromJNI");

    std::string hello = "Hello from C++ dynamic";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

jint RegisterNatives(JNIEnv *env) {
    // 方法数组，分别为：
    // 方法名 | 方法签名 | 函数指针
    JNINativeMethod methods_MainActivity[] = {
            {"stringFromJNI", "()Ljava/lang/String;", (void *) stringFromJNI},
    };

    jint nMethods = sizeof(methods_MainActivity) / sizeof(methods_MainActivity[0]);
    return env->RegisterNatives(gClassMainActivity, methods_MainActivity, nMethods);
}

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
    gJavaVM = vm;
    // 首先获取JNIEnv
    JNIEnv* env = NULL;
    if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        return JNI_ERR;
    }

    // 反射Java类
    jclass classMainActivity = env->FindClass("com/jianshu/qianlang/jnitutorial/MainActivity");
    // 如果因修改了包名或者类不存在则反射失败
    if (classMainActivity == NULL) {
        return JNI_ERR;
    }

    gClassMainActivity = reinterpret_cast<jclass>(env->NewGlobalRef(classMainActivity));
    env->DeleteLocalRef(classMainActivity);

    // 动态注册方法
    if (RegisterNatives(env) != JNI_OK) {
        return JNI_ERR;
    }

    return JNI_VERSION_1_6;
}

线程中JNIEnv的高级玩法

使用线程局部存储将JNIEnv直接存储在当前线程对象中。避免多次AttachCurrentThread和DetachCurrentThread调用。
Android Developer也提到了这种方法，只不过没有详细介绍，以下这个示意详细演示了如何使用TLS。

//
// Created by 安秋亮 on 2020/6/11.
//
#include <jni.h>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <android/log.h>
#include "scoped_local_ref.h"

JavaVM* gJavaVM = NULL; // JavaVM 全局指针
jclass gClassMainActivity = NULL; //GlobalRef的jclass
pthread_key_t jenv_key;

/*
    // 要反射调用的Java方法
    public void invokeFromJNI(final String args) {

        mTextView.post(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                mTextView.setText(args);
            }
        });
    }
 */

JNIEnv* getJNIEnv() {
    JNIEnv* env = reinterpret_cast<JNIEnv*>(pthread_getspecific(jenv_key));
    if (env) {
        __android_log_print(ANDROID_LOG_VERBOSE, "JNITutorial", "getJNIEnv from TLS: %p", env);
        return env;
    }

    if (gJavaVM->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        gJavaVM->AttachCurrentThread(&env, NULL);
        // 使用线程局部存储，将JNIEnv存入当前线程
        pthread_setspecific(jenv_key, env);
    }
    __android_log_print(ANDROID_LOG_VERBOSE, "JNITutorial", "getJNIEnv: %p", env);

    return env;
}

/**
 * pthread线程的Run方法
 */
void *Run(void *arg) {
    JNIEnv* env = getJNIEnv();

    jobject weak = reinterpret_cast<jobject>(arg);
    // 判断弱全局引用是否已经被回收
    if (env->IsSameObject(weak, NULL)) {
        return NULL;
    }

    env = getJNIEnv(); //这里故意调用 getJNIEnv 两次，是为了测试第二次是从TLS中获取的ENV
    // 给弱全局引用提升引用级别
    jobject local = env->NewLocalRef(weak);

    jmethodID invokeFromJNI = env->GetMethodID(gClassMainActivity, "invokeFromJNI", "(Ljava/lang/String;)V");
    env->CallVoidMethod(local, invokeFromJNI, env->NewStringUTF("JNITutorial"));

    env->DeleteLocalRef(local);
    env->DeleteWeakGlobalRef(weak);
    gJavaVM->DetachCurrentThread();

    return NULL;
}

void Destroy(void *arg) {
    JNIEnv* env = reinterpret_cast<JNIEnv*>(arg);
    __android_log_print(ANDROID_LOG_VERBOSE, "JNITutorial", "Destroy: %p", env);
    gJavaVM->DetachCurrentThread();
}

jstring stringFromJNI(JNIEnv* env, jobject obj) {
    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, Run, env->NewWeakGlobalRef(obj)); //这里的obj其实是MainActivity，所以使用了弱全局引用
    __android_log_print(ANDROID_LOG_VERBOSE, "JNITutorial", "stringFromJNI");

    std::string hello = "Hello from C++ dynamic";
    return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

jint RegisterNatives(JNIEnv *env) {
    // 方法数组，分别为：
    // 方法名 | 方法签名 | 函数指针
    JNINativeMethod methods_MainActivity[] = {
            {"stringFromJNI", "()Ljava/lang/String;", (void *) stringFromJNI},
    };

    jint nMethods = sizeof(methods_MainActivity) / sizeof(methods_MainActivity[0]);
    return env->RegisterNatives(gClassMainActivity, methods_MainActivity, nMethods);
}

JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {
    gJavaVM = vm;
    // 首先获取JNIEnv
    JNIEnv* env = NULL;

    pthread_key_create(&jenv_key, Destroy);

    if (vm->GetEnv(reinterpret_cast<void**>(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        return JNI_ERR;
    }

    // 反射Java类
    jclass classMainActivity = env->FindClass("com/jianshu/qianlang/jnitutorial/MainActivity");
    // 如果因修改了包名或者类不存在则反射失败
    if (classMainActivity == NULL) {
        return JNI_ERR;
    }

    gClassMainActivity = reinterpret_cast<jclass>(env->NewGlobalRef(classMainActivity));
    env->DeleteLocalRef(classMainActivity);

    // 动态注册方法
    if (RegisterNatives(env) != JNI_OK) {
        return JNI_ERR;
    }

    return JNI_VERSION_1_6;
}

本专题的其他内容

- JavaVM 和 JNIEnv
- javap 获取JNI方法签名
- JNI静态注册和动态注册

参考

IBM- JNI 对象引用概述

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