JNI/NDK开发指南（一）—— JNI开发流程及HelloWorld

       

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       JNI全称是Java Native Interface（Java本地接口）单词首字母的缩写，本地接口就是指用C和C++开发的接口。由于JNI是JVM规范中的一部份，因此可以将我们写的JNI程序在任何实现了JNI规范的Java虚拟机中运行。同时，这个特性使我们可以复用以前用C/C++写的大量代码。

       开发JNI程序会受到系统环境的限制，因为用C/C++语言写出来的代码或模块，编译过程当中要依赖当前操作系统环境所提供的一些库函数，并和本地库链接在一起。而且编译后生成的二进制代码只能在本地操作系统环境下运行，因为不同的操作系统环境，有自己的本地库和CPU指令集，而且各个平台对标准C/C++的规范和标准库函数实现方式也有所区别。这就造成使用了JNI接口的JAVA程序，不再像以前那样自由的跨平台。如果要实现跨平台，就必须将本地代码在不同的操作系统平台下编译出相应的动态库。

JNI开发流程主要分为以下6步：

1、编写声明了native方法的Java类

2、将Java源代码编译成class字节码文件

3、用javah -jni命令生成.h头文件（javah是jdk自带的一个命令，-jni参数表示将class中用native声明的函数生成jni规则的函数）

4、用本地代码实现.h头文件中的函数

5、将本地代码编译成动态库（windows：*.dll，linux/unix：*.so，mac os x：*.jnilib）

6、拷贝动态库至 java.library.path 本地库搜索目录下，并运行Java程序

通过上面的介绍，相信大家对JNI及开发流程有了一个整体的认识，下面通过一个HelloWorld的示例，再深入了解JNI开发的各个环节及注意事项。

PS：本人的开发环境为Mac os x 10.10.1 ，Eclipse 3.8(Juno)，如果在其它操作系统下开发也是一样，只需将本地代码编译成当前操作系统所支持的动态库即可。

这个案例用命令行的方式介绍开发流程，这样大家对JNI开发流程的印象会更加深刻，后面的案例都采用eclipse+cdt来开发。

第一步、并新建一个HelloWorld.java源文件

package com.study.jnilearn;

public class HelloWorld {
	
	public static native String sayHello(String name); 	// 1.声明这是一个native函数，由本地代码实现

	public static void main(String[] args) {
		String text = sayHello("yangxin");	// 3.调用本地函数
		System.out.println(text);
	}
	
	static {
		System.loadLibrary("HelloWorld");	// 2.加载实现了native函数的动态库，只需要写动态库的名字
	}

}

第二步、用javac命令将.java源文件编译成.class字节码文件

注意：HelloWorld放在com.study.jnilearn包下面

javac src/com/study/jnilearn/HelloWorld.java -d ./bin

-d 表示将编译后的class文件放到指定的目录下，这里我把它放到和src同级的bin目录下

第三步、用javah -jni命令，根据class字节码文件生成.h头文件（-jni参数是可选的）

javah -jni -classpath ./bin -d ./jni com.study.jnilearn.HelloWorld

默认生成的.h头文件名为：com_study_jnilearn_HelloWorld.h（包名+类名.h），也可以通过-o参数指定生成头文件名称：

javah -jni -classpath ./bin -o HelloWorld.h com.study.jnilearn.HelloWorld

参数说明：

-classpath ：类搜索路径，这里表示从当前的bin目录下查找

-d ：将生成的头文件放到当前的jni目录下

-o ： 指定生成的头文件名称，默认以类全路径名生成（包名+类名.h）

注意：-d和-o只能使用其中一个参数。

第四步、用本地代码实现.h头文件中的函数

com_study_jnilearn_HelloWorld.h：

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

#ifndef _Included_com_study_jnilearn_HelloWorld
#define _Included_com_study_jnilearn_HelloWorld
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_study_jnilearn_HelloWorld
 * Method:    sayHello
 * Signature: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
 */
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_study_jnilearn_HelloWorld_sayHello
  (JNIEnv *, jclass, jstring);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

HelloWorld.c：

// HelloWorld.c

#include "com_study_jnilearn_HelloWorld.h"

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif

/*
 * Class:     com_study_jnilearn_HelloWorld
 * Method:    sayHello
 * Signature: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
 */
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_study_jnilearn_HelloWorld_sayHello(
		JNIEnv *env, jclass cls, jstring j_str)
{
	const char *c_str = NULL;
	char buff[128] = { 0 };
	c_str = (*env)->GetStringUTFChars(env, j_str, NULL);
	if (c_str == NULL)
	{
		printf("out of memory.\n");
		return NULL;
	}
	(*env)->ReleaseStringUTFChars(env, j_str, c_str);
	printf("Java Str:%s\n", c_str);
	sprintf(buff, "hello %s", c_str);
	return (*env)->NewStringUTF(env, buff);
}

#ifdef __cplusplus
}
#endif

第五步、将C/C++代码编译成本地动态库文件

      动态库文件名命名规则：lib+动态库文件名+后缀（操作系统不一样，后缀名也不一样）如：

      Mac OS X : libHelloWorld.jnilib

      Windows ：HelloWorld.dll（不需要lib前缀）

      Linux/Unix：libHelloWorld.so

1> Mac OS X

gcc -dynamiclib -o /Users/yangxin/Library/Java/Extensions/libHelloWorld.jnilib jni/HelloWorld.c -framework JavaVM -I/$JAVA_HOME/include -I/$JAVA_HOME/include/darwin

我的$JAVA_HOME目录在：/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.7.0_21.jdk/Contents/Home
参数选项说明：

-dynamiclib：表示编译成动态链接库

-o：指定动态链接库编译后生成的路径及文件名

-framework JavaVM -I：编译JNI需要用到JVM的头文件(jni.h)，第一个目录是平台无关的，第二个目录是与操作系统平台相关的头文件

2> Windows(以Windows7下VS2012为例)

开始菜单-->所有程序-->Microsoft Visual Studio 2012-->打开VS2012 X64本机工具命令提示，用cl命令编译成dll动态库：

cl -I"%JAVA_HOME%\include" -I"%JAVA_HOME%\include\win32" -LD HelloWorld.c -FeHelloWorld.dll 

参数选项说明：

-I ：   和mac os x一样，包含编译JNI必要的头文件

-LD：标识将指定的文件编译成动态链接库

-Fe：指定编译后生成的动态链接库的路径及文件名

3> Linux/Unix

gcc -I$JAVA_HOME/include -I$JAVA_HOME/include/linux -fPIC -shared HelloWorld.c -o libHelloWorld.so

参数说明：

-I：          包含编译JNI必要的头文件

-fPIC：    编译成与位置无关的独立代码

-shared：编译成动态库

-o：         指定编译后动态库生成的路径和文件名

第六步、运行Java程序

       Java在调用native(本地)方法之前，需要先加载动态库。如果在未加载动态之前就调用native方法，会抛出找不到动态链接库文件的异常。如下所示：

Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: com.study.jnilearn.HelloWorld.sayHello(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
	at com.study.jnilearn.HelloWorld.sayHello(Native Method)
	at com.study.jnilearn.HelloWorld.main(HelloWorld.java:9)

一般在类的静态（static）代码块中加载动态库最合适，因为在创建类的实例时，类会被ClassLoader先加载到虚拟机，随后立马调用类的static静态代码块。这时再去调用native方法就万无一失了。加载动态库的两种方式：

System.loadLibrary("HelloWorld");
System.load("/Users/yangxin/Desktop/libHelloWorld.jnilib");

方式1：只需要指定动态库的名字即可，不需要加lib前缀，也不要加.so、.dll和.jnilib后缀

方式2：指定动态库的绝对路径名，需要加上前缀和后缀

如果使用方式1，java会去java.library.path系统属性指定的目录下查找动态库文件，如果没有找到会抛出java.lang.UnsatisfiedLinkError异常。

Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: no HelloWorld2 in java.library.path
	at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:1860)
	at java.lang.Runtime.loadLibrary0(Runtime.java:845)
	at java.lang.System.loadLibrary(System.java:1084)
	at com.study.jnilearn.HelloWorld.<clinit>(HelloWorld.java:13)

大家从异常中可以看出来，他是在java.library.path中查找该名称对应的动态库，如果在mac下找libHelloWorld.jnilib文件，linux下找libHelloWorld.so文件，windows下找libHelloWorld.dll文件，可以通过调用System.getProperties("java.library.path")方法获取查找的目录列表，下面是我本机mac os x 系统下的查找目录：

String libraryDirs = System.getProperties("java.library.path");
System.out.println(libraryDirs);
// 输出结果如下：
/Users/yangxin/Library/Java/Extensions:/Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:/System/Library/Java/Extensions:/usr/lib/java:.

有两种方式可以让java从java.library.path找到动态链接库文件，聪明的你应该已经想到了。

方式1：将动态链接库拷贝到java.library.path目录下

方式2：给jvm添加“-Djava.library.path=动态链接库搜索目录”参数，指定系统属性java.library.path的值

java -Djava.library.path=/Users/yangxin/Desktop

Linux/Unix环境下可以通过设置LD_LIBRARY_PATH环境变量，指定库的搜索目录。

费了那么大劲，终于可以运行写好的Java程序了，结果如下：

yangxin-MacBook-Pro:JNILearn yangxin$ java -classpath ./bin com.study.jnilearn.HelloWorld
Java Str:yangxin
hello yangxin

如果没有将动态库拷贝到本地库搜索目录下，执行java命令，可通过添加系统属性java.library.path来指定动态库的目录，如下所示：

yangxin-MacBook-Pro:JNILearn yangxin$ java -Djava.library.path=/Users/yangxin/Desktop -classpath ./bin com.study.jnilearn.HelloWorld
Java Str:yangxin
hello yangxin