JNI解析以及在Android中的实际应用
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作者：stormWen
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JNI是Java Native Interface的缩写，它提供了若干的API实现了Java和其他语言的通信（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，它允许Java代码和其他语言写的代码进行动态交互,JNI标准保证本地代码能工作在任何Java 虚拟机环境,目前的很多热修复补的开源项目。
比如——Depoxed(阿里)、AnFix（阿里）、DynamicAPK(携程)等，它们都用到了JNI编程，并且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信的重要方式、JNI对于Android安全以及Android安全加固等都是有所帮助的,一般情况下，在Android应用层，大部分时间都是在使用Java编程，很少使用C/C++编程,在一些比较特殊的情况下会用到，比如加密等等,下面我将详细分析JNI原理以及会有一个实际的例子来说明加深理解。
在目前的Android开发中，一般情况下有2种方法来使用JNI编程，就是传统的需要手动生成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:
● 首先新建一个项目，并且勾选上C++的支持，如图:
然后默认就好，最后来到C++有关的选项，可以2个都勾上。
● 第一个步骤完成之后，会在项目的build.gradle文件里面生成下面的几个选项，
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，文件名叫做CMakeLists.text,
这个路径可以自己修改为自己想要的路径，只需要在这里修改，并且把文件移动到相应的目录下就可以了
}
}
然后就可以在项目的目录下看到CMakeLists.text这个文件了，我们来看一下其中生成的代码,这里会省略掉注释，占篇幅啊:
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做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，因为如果要添加其他类库，那么都是这样的方法来的,比如
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，只需要导入一个就可以了
find_library(
log-lib
log )
//链接库，要跟上面的类库名字保持一致
target_link_libraries(
native-lib
${log-lib} )
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，我们知道了，这个so库的名字就叫做native-lib.so，下面来写实际的代码:
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);
//需要动态注册的方法
public static native Application getApplicationObject();
}
首先我们在静态代码块加载so库，我们已经知道了是native-lib,然后定义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，这里为什么要区分呢.
在AndroidStudio中，用Alt+Enter弹出的菜单就可以自动生成方法了，我们来看一下:
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;
}
可以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 * 是一个指向全部JNI方法的指针，该指针只在创建它的线程有效，不能跨线程传递,就是说每个线程都有自己的JNIEnv, jclass是JNI的数据类型，对应Java的java.lang.Class实例。
jobject同样也是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方法建立关联，但是它有一些明显的缺点：
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方法的类需要用javah生成头文件, 在以前的开发中需要自己手动生成，现在是工具帮我们生成了而已
初次调用JIN方法时需要建立关联，影响效率,在建立关系的时候是全局搜索的，这样效率上大打折扣。
不够灵活，因为有些需要在运行的时候才决定注册需要的方法。
因为以上的不方便，所以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");
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，因此可以在该函数中做一些初始化的动作，其实这个函数就是相当于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，因为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层定义了自己的数据类型，用于衔接Java层和JNI层，至于这些数据类型我们在后面介绍。
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，其实类似于Android系统的API版本一样，不同的JNI版本中定义的一些不同的JNI函数。该函数会有两个参数，其中*jvm为Java虚拟机实例，JavaVM结构体定义了以下函数
DestroyJavaVM
AttachCurrentThread
DetachCurrentThread
GetEnv
我们前面已经说过了，JNIEnv是线程范围内的JNI环境，在动态注册的时候首先需要获取,一般用下面的代码:
JNIEnv *env = NULL;
if (vm->GetEnv((void **) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
return -1;
}
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); }
其中第一个参数为:需要动态注册的Java类(以/来隔开，比如com/example/等)，第二个参数是一个JNINativeMethod指针，定义如下:
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;
注释已经有了，其中第二个参数是方法的签名，我们回顾一下，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，每个方法都有自己的签名，每个签名对应一个方法，用javap -s -p 就可以获取了，下面是一张截图就可以看明白:
可以看到了吧,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
好了，有了这些，那么就可以动态注册了，全部代码如下:
//TODO 这个表示需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，一样可以反射获取,这里我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
* 如果成功返回JNI版本, 失败返回-1
* 这个方法一般都是固定的
*/
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;
}
// 需要注册的类
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;
}
日志文件代码如下:
static const char* kTAG = "JNIDEMO";
注释也已经很清楚了，我们需要知道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层的是一样的，换句话说在Java反射能做到的，在JNI中通过类似的反射也是可以做到的，这些方法原型在jni.h文件里面，比如
大家可以多去看看那些方法，基本上各种类型的方法都有，运行如下:
上面我们提到JNI定义了一些自己的数据类型。这些数据类型是衔接Java层和C/C++层的，如果有一个对象传递下来，那么对于C/C++来说是没办法识别这个对象的，同样的如果C/C++的指针对于Java层来说它也是没办法识别的，那么就需要JNI进行匹配，所以需要定义一些自己的数据类型，分为原始类型和引用类型，匹配的规则如下：
●.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
方法描述符
我们前面说了，在调用方法的时候需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，就是确定native方法的参数和返回值，我们这里定义的getApplication()方法没有参数，返回值为空所以对应的描述符为：
"()Landroid/app/Application;"，括号类为参数，其他的表示返回值，通过javap -s -p 也可以看的出来的,一般对应规则如下:
对于数组的话，举列如下:其他的都是类似的，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，如下表所示:
而对于引用类型，用L开头的，比如:
其他的基本都是类似的，在用的是时候注意下就好。
前面说了，JNI在整个Android系统中发挥了重要的作用，是连接底层和框架层的桥梁,在Android源码中更是大量的JNI代码，我们来说一个实际的例子：获取签名并且校验签名，原理是:获取当前的签名信息并且跟期待的签名信息是否一致，如果是一致，则通过，否则失败,代码原理跟上面的反射是一个道理. 这个工作在JNI_OnLoad中完成，如下代码:
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);
// 得到的签名一样，验证通过
if (result == 0){
return JNI_VERSION_1_6;
}
return -1;
}
loadSignature(evn, appContext)也是反射调用Java代码实现的，是系统自带的功能，代码如下:
jstring loadSignature(JNIEnv *env, jobject context)
{
// 获取Context类
jclass contextClass = env->GetObjectClass(context);
if (DEBUG_MODE)
LOGI("获取Context类");
// 得到getPackageManager方法的ID
jmethodID getPkgManagerMethodId = env->GetMethodID(contextClass, "getPackageManager", "()Landroid/content/pm/PackageManager;");
if (DEBUG_MODE)
LOGI("得到getPackageManager方法的ID");
// PackageManager
jobject pm = env->CallObjectMethod(context, getPkgManagerMethodId);
if (DEBUG_MODE)
LOGI("PackageManager");
// 得到应用的包名
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));
// 获得PackageManager类
jclass cls = env->GetObjectClass(pm);
// 得到getPackageInfo方法的ID
jmethodID mid = env->GetMethodID(cls, "getPackageInfo", "(Ljava/lang/String;I)Landroid/content/pm/PackageInfo;");
// 获得应用包的信息
jobject packageInfo = env->CallObjectMethod(pm, mid, pkgName, 0x40); //GET_SIGNATURES = 64;
// 获得PackageInfo 类
cls = env->GetObjectClass(packageInfo);
// 获得签名数组属性的ID
jfieldID fid = env->GetFieldID(cls, "signatures", "[Landroid/content/pm/Signature;");
// 得到签名数组
jobjectArray signatures = (jobjectArray) env->GetObjectField(packageInfo, fid);
// 得到签名
jobject signature = env->GetObjectArrayElement(signatures, 0);
// 获得Signature类
cls = env->GetObjectClass(signature);
// 得到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);
}
注释已经很明显了，获取签名信息并且转换为MD5格式的，如下:
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应该字节数是一样的
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;
}
这个也是系统的MD5加密功能,可以看到先获取了系统自带的签名信息，然后跟一个预期的信息进行strcmp比较，如果是一致的话，那么通过，如果不一样，有可能程序被篡改了，就不能通过，然后采取其他的措施，比如杀掉进程等等方法来处理，这个需要在实际的业务中根据实际情况决定。
在实际中，JNI还有很多的应用，比如FFMPEG,OpenGL等等，这个在用到的时候再说，大家也可以多去研究，今天的文章就写到这里，感谢大家阅读.。
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