JNI解析以及在Android中的实际应用

时间 2019-11-24

原文原文链接

简述java

JNI是Java Native Interface的缩写，它提供了若干的API实现了Java和其余语言的通讯（在Android里面主要是C&C++）。从Java1.1开始，JNI标准成为java平台的一部分，它容许Java代码和其余语言写的代码进行动态交互,JNI标准保证本地代码能工做在任何Java 虚拟机环境,目前的不少热修复补的开源项目，好比——Depoxed(阿里)、AnFix（阿里）、DynamicAPK(携程)等，它们都用到了JNI编程，而且JNI编程也贯穿了Android系统，实际上JNI是Android系统中底层和框架层通讯的重要方式、JNI对于Android安全以及Android安全加固等都是有所帮助的,通常状况下，在Android应用层，大部分时间都是在使用Java编程，不多使用C/C++编程,在一些比较特殊的状况下会用到，好比加密等等,下面我将详细分析JNI原理以及会有一个实际的例子来讲明加深理解。android

如何使用c++

在目前的Android开发中，通常状况下有2种方法来使用JNI编程，就是传统的须要手动生成h文件和新版的CMake,Cmake的是利用配置文件来完成一些配置，实际上只是简化了流程，用CMakeLists.txt文件来进行一些类库的配置而已，这里以Cmake为例子，下面是步骤:编程

● 首先新建一个项目，而且勾选上C++的支持，如图:数组

而后默认就好，最后来到C++有关的选项，能够2个都勾上。

● 第一个步骤完成以后，会在项目的build.gradle文件里面生成下面的几个选项，安全

defaultConfig {
        //省略一些代码
        externalNativeBuild {
            cmake {
                cppFlags "-frtti -fexceptions"//这里指定了编译的一些C++选项
            }
        }
    }
    
externalNativeBuild {
        cmake {
            path "CMakeLists.txt"//这里指定了配置文件的路径在项目目录下，文件名叫作CMakeLists.text,
            这个路径能够本身修改成本身想要的路径，只须要在这里修改，而且把文件移动到相应的目录下就能够了
        }
    }
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而后就能够在项目的目录下看到CMakeLists.text这个文件了，咱们来看一下其中生成的代码,这里会省略掉注释，占篇幅啊:bash

cmake_minimum_required(VERSION 3.4.1)// 指定CMake的版本

//add_library是添加类库，下面3个分别表示类库的名字叫作native-lib.so,SHARED这个选项表示共享类库的意思(就是以so结尾)
// src/main/cpp/native-lib.cpp表示native-lib.so对应的C++源代码位置
//这个add_library很重要，由于若是要添加其余类库，那么都是这样的方法来的,好比
添加这个 wlffmpeg类库
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 )

//表示系统的日志库，只须要导入一个就能够了
find_library(
              log-lib
              log )

//连接库，要跟上面的类库名字保持一致
target_link_libraries(
                       native-lib
                       ${log-lib} )
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好了，上面是关于CMakeLists.text内容的一些分析，实际项目中，会更加复杂，特别是导入第三方so库的时候，这个有机会再讲，咱们知道了，这个so库的名字就叫作native-lib.so，下面来写实际的代码:app

public class JniDemo {
    static {
        System.loadLibrary("native-lib");
    }
    //静态注册
    public static native Object getPackage();
    //静态注册
    public static native int addTest(int a, int b);

    //须要动态注册的方法
    public static native Application getApplicationObject();

}
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首先咱们在静态代码块加载so库，咱们已经知道了是native-lib,而后定义3个方法，这里前面2个方法是静态注册，后面的这个方法是动态注册，这里为何要区分呢，在AndroidStudio中，用Alt+Enter弹出的菜单就能够自动生成方法了，咱们来看一下:框架

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;
}
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能够看到静态注册的方法的格式为Java_包名_类名_方法名,参数来看其中JNIEnv * 是一个指向所有JNI方法的指针，该指针只在建立它的线程有效，不能跨线程传递,就是说每一个线程都有本身的JNIEnv, jclass是JNI的数据类型，对应Java的java.lang.Class实例。jobject一样也是JNI的数据类型，对应于Java的Object,系统在调用native方法的时候会根据方法名，将Java方法和JNI方法创建关联，可是它有一些明显的缺点：jvm

● JNI层的方法名称过长,特别是包名比较深的话，就更加明显了

● 声明Native方法的类须要用javah生成头文件, 在之前的开发中须要本身手动生成，如今是工具帮咱们生成了而已

● 初次调用JIN方法时须要创建关联，影响效率,在创建关系的时候是全局搜索的，这样效率上大打折扣。

● 不够灵活，由于有些须要在运行的时候才决定注册须要的方法。

由于以上的不方便，因此才有了动态注册的机制存在,下面简单分析一下:

JNI_OnLoad函数

在调用了

System.loadLibrary("native-lib");
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方法加载so库的时候，Java虚拟机就会找到这个函数并调用该函数，所以能够在该函数中作一些初始化的动做，其实这个函数就是至关于Activity中的onCreate()方法。该函数前面有三个关键字，分别是JNIEXPORT、JNICALL和jint，其中JNIEXPORT和JNICALL是两个宏定义，用于指定该函数是JNI函数。jint是JNI定义的数据类型，由于Java层和C/C++的数据类型或者对象不能直接相互的引用或者使用，JNI层定义了本身的数据类型，用于衔接Java层和JNI层，至于这些数据类型咱们在后面介绍。这里的jint对应Java的int数据类型，该函数返回的int表示当前使用的JNI的版本，其实相似于Android系统的API版本同样，不一样的JNI版本中定义的一些不一样的JNI函数。该函数会有两个参数，其中*jvm为Java虚拟机实例，JavaVM结构体定义了如下函数

DestroyJavaVM
AttachCurrentThread
DetachCurrentThread
GetEnv
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咱们前面已经说过了，JNIEnv是线程范围内的JNI环境，在动态注册的时候首先须要获取,通常用下面的代码:

JNIEnv *env = NULL;
    if (vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
        return -1;
    }
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好了，获取到了JNIEnv了，既然是动态注册，那么就会有对应的方法，方法为:

jint RegisterNatives(jclass clazz, const JNINativeMethod* methods,
        jint nMethods)
    { return functions->RegisterNatives(this, clazz, methods, nMethods); }
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其中第一个参数为:须要动态注册的Java类(以/来隔开，好比com/example/等)，第二个参数是一个JNINativeMethod指针，定义以下:

typedef struct {
    const char* name;  //java层对应的方法全名
    const char* signature;//方法的签名
    void*       fnPtr;//对应的在c++里面的方法
} JNINativeMethod;
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注释已经有了，其中第二个参数是方法的签名，咱们回顾一下，Java是如何判断2个方法是相同的呢，是方法的签名，换句话说，每一个方法都有本身的签名，每一个签名对应一个方法，用javap -s -p 就能够获取了，下面是一张截图就能够看明白:

能够看到了吧,description:后面的就是对应的方法的签名了，这个后面会用到

//TODO 动态注册的方法集合
static JNINativeMethod gMethods[] = {
        {"getApplicationObject", "()Landroid/app/Application;", (void *) getApplicationObject}
};
这是下面要讲的例子,这个例子是在JNI中获取application对象，是用反射获取
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好了，有了这些，那么就能够动态注册了，所有代码以下:

#include <jni.h>
#include <string>
#include "log.h"

//TODO 这个表示须要动态注册的函数所在的类文件
static const char *const CLASSNAME = "com/jni/JniDemo";
extern "C"
JNIEXPORT jobject JNICALL
Java_com_jni_JniDemo_getPackage(JNIEnv *env, jclass type) {
    // TODO 获取包名，同样能够反射获取,这里咱们获取主线程里面的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 获取application对象
jobject getApplicationObject(JNIEnv *env, jobject thiz) {
    jobject mApplicationObj = NULL;
    //找到ActivityThread类
    jclass jclass1 = env->FindClass("android/app/ActivityThread");
    //找到currentActivityThread方法
    jmethodID jmethodID2 = env->GetStaticMethodID(jclass1, "currentActivityThread", "()Landroid/app/ActivityThread;");
    //获取ActivityThread对象
    jobject mCurrentActivity = env->CallStaticObjectMethod(jclass1, jmethodID2);
    //找到currentApplication方法
    jmethodID jmethodID1 = env->GetMethodID(jclass1, "getApplication",
                                            "()Landroid/app/Application;");
    //获取Application对象
    mApplicationObj = env->CallObjectMethod(mCurrentActivity, jmethodID1);
    if (mApplicationObj == NULL) {
        return NULL;
    }
    return mApplicationObj;
}

//TODO 动态注册的方法集合
static JNINativeMethod gMethods[] = {
        {"getApplicationObject", "()Landroid/app/Application;", (void *) getApplicationObject}
};

/*
* System.loadLibrary("lib")时调用
* 若是成功返回JNI版本, 失败返回-1
* 这个方法通常都是固定的
*/

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;
    }
    // 须要注册的类
    jclass clazz = env->FindClass(CLASSNAME);
    if (clazz == NULL) {
        return -1;
    }
    //TODO 这里是重点，动态注册方法
    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;
}

日志文件代码以下:
#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
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注释也已经很清楚了，咱们须要知道C语言中调用Java的一些函数，实际上也是反射获取的，步骤跟Java层的是同样的，换句话说在Java反射能作到的，在JNI中经过相似的反射也是能够作到的，这些方法原型在jni.h文件里面，好比

你们能够多去看看那些方法，基本上各类类型的方法都有，运行以下:

JNI数据类型

上面咱们提到JNI定义了一些本身的数据类型。这些数据类型是衔接Java层和C/C++层的，若是有一个对象传递下来，那么对于C/C++来讲是没办法识别这个对象的，一样的若是C/C++的指针对于Java层来讲它也是没办法识别的，那么就须要JNI进行匹配，因此须要定义一些本身的数据类型，分为原始类型和引用类型，匹配的规则以下：

●.原始数据类型

● 引用类型

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
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方法描述符

咱们前面说了，在调用方法的时候须要提供一个方法的签名，动态注册native方法的时候结构体JNINativeMethod中含有方法描述符，就是肯定native方法的参数和返回值，咱们这里定义的getApplication()方法没有参数，返回值为空因此对应的描述符为："()Landroid/app/Application;"，括号类为参数，其余的表示返回值，经过javap -s -p 也能够看的出来的,通常对应规则以下:

对于数组的话，举列以下:其余的都是相似的，有规律可循

数据类型描述符

上面说的是方法描述符，实际上数据类型也是有描述符的，以下表所示:

而对于引用类型，用L开头的，好比:

其余的基本都是相似的，在用的是时候注意下就好。

JNI在Android中的实际应用

前面说了，JNI在整个Android系统中发挥了重要的做用，是链接底层和框架层的桥梁,在Android源码中更是大量的JNI代码，咱们来讲一个实际的例子：获取签名而且校验签名，原理是:获取当前的签名信息而且跟期待的签名信息是否一致，若是是一致，则经过，不然失败,代码原理跟上面的反射是一个道理. 这个工做在JNI_OnLoad中完成，以下代码:

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;");

    //获取APplication定义的context实例
    jobject appContext = evn->CallStaticObjectMethod(appClass, getAppContextMethod);
    
    // 获取应用当前的签名信息
    jstring signature = loadSignature(evn, appContext);
    // 期待的签名信息
    jstring keystoreSigature = evn->NewStringUTF("31BC77F998CB0D305D74464DAECC2");
    const char *keystroreMD5 = evn->GetStringUTFChars(keystoreSigature, NULL);
    const char *releaseMD5 = evn->GetStringUTFChars(signature, NULL);

    // 比较两个签名信息是否相等
    int result = strcmp(keystroreMD5, releaseMD5);

    if (DEBUG_MODE)
        LOGI("strcmp %d", result);

    // 这里记得释放内存
    evn->ReleaseStringUTFChars(signature, releaseMD5);
    evn->ReleaseStringUTFChars(keystoreSigature, keystroreMD5);

    // 获得的签名同样，验证经过
    if (result == 0){
        return JNI_VERSION_1_6;
    }
    return -1;
}
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loadSignature(evn, appContext)也是反射调用Java代码实现的，是系统自带的功能，代码以下:

jstring loadSignature(JNIEnv *env, jobject context)
{
    // 获取Context类
    jclass contextClass = env->GetObjectClass(context);

    if (DEBUG_MODE)
        LOGI("获取Context类");
    // 获得getPackageManager方法的ID
    jmethodID getPkgManagerMethodId = env->GetMethodID(contextClass, "getPackageManager", "()Landroid/content/pm/PackageManager;");

    if (DEBUG_MODE)
        LOGI("获得getPackageManager方法的ID");
    // PackageManager
    jobject pm = env->CallObjectMethod(context, getPkgManagerMethodId);

    if (DEBUG_MODE)
        LOGI("PackageManager");

    // 获得应用的包名
    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));

    // 得到PackageManager类
    jclass cls = env->GetObjectClass(pm);
    // 获得getPackageInfo方法的ID
    jmethodID mid = env->GetMethodID(cls, "getPackageInfo", "(Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;");
    // 得到应用包的信息
    jobject packageInfo = env->CallObjectMethod(pm, mid, pkgName, 0x40); //GET_SIGNATURES = 64;
    // 得到PackageInfo 类
    cls = env->GetObjectClass(packageInfo);
    // 得到签名数组属性的ID
    jfieldID fid = env->GetFieldID(cls, "signatures", "[Landroid/content/pm/Signature;");
    // 获得签名数组
    jobjectArray signatures = (jobjectArray) env->GetObjectField(packageInfo, fid);
    // 获得签名
    jobject signature = env->GetObjectArrayElement(signatures, 0);

    // 得到Signature类
    cls = env->GetObjectClass(signature);
    // 获得toCharsString方法的ID
    mid = env->GetMethodID(cls, "toByteArray", "()[B");
    // 返回当前应用签名信息
    jbyteArray signatureByteArray = (jbyteArray) env->CallObjectMethod(signature, mid);

    return ToMd5(env, signatureByteArray);
}
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注释已经很明显了，获取签名信息而且转换为MD5格式的，以下:

jstring ToMd5(JNIEnv *env, jbyteArray source) {
    // MessageDigest类
    jclass classMessageDigest = env->FindClass("java/security/MessageDigest");
    // MessageDigest.getInstance()静态方法
    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，这个函数的返回值是void，写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);

    // 将byte数组转换成16进制字符串，发现这里不用强转，jbyte和unsigned char应该字节数是同样的
    ByteToHexStr((const char*)byte_array_elements, char_result, intArrayLength);
    // 在末尾补\0
    *(char_result + intArrayLength * 2) = '\0';

    jstring stringResult = env->NewStringUTF(char_result);
    // release
    env->ReleaseByteArrayElements(objArraySign, byte_array_elements, JNI_ABORT);
    // 释放指针使用free
    free(char_result);

    return stringResult;
}
复制代码

这个也是系统的MD5加密功能,能够看到先获取了系统自带的签名信息，而后跟一个预期的信息进行strcmp比较，若是是一致的话，那么经过，若是不同，有可能程序被篡改了，就不能经过，而后采起其余的措施，好比杀掉进程等等方法来处理，这个须要在实际的业务中根据实际状况决定。

在实际中，JNI还有不少的应用，好比FFMPEG,OpenGL等等，这个在用到的时候再说，你们也能够多去研究，今天的文章就写到这里，感谢你们阅读.。