Android-JNI開發系列《五》區域參考&全域參考&全域弱參考&快取策略-有解無憂

人間觀察

好像什么都來得及，又好像什么都來不及，

本篇文章主要介紹在jni開發中常見的三種參考的使用方法和注意事項以及jni和java互動的快取策略，

我們知道Java是一門純面象物件的語言，除了基本資料型別外，其它任何型別所創建的物件的記憶體都存在堆空間中，記憶體由JVM 的GC(Garbage Collection)垃圾回收進行管理，

但是對于c，c++中以及用c/c++撰寫的jni來說同樣需要手動管理和處理記憶體，特別是參考型別的物件，malloc，realloc，free ，delete ，不像java有jvm對每個行程記憶體的限制，特別是Android移動端使用不當給你oom好不啦，而在c++/c只要你想要多大的來隨便搞（只要系統記憶體充足）但是需要釋放，各有各的優勢，

在jni中分為區域參考，全域參考，全域弱參考，個人認為有點類似于java中
區域參考，強參考，軟參考SoftReference，在使用介紹之前我們先看一下jni中的基本型別和參考型別有哪些以及對應關系，

jni資料型別

基本資料型別：

java與Native映射關系如下表所示:

Java型別	Native 型別	Description
boolean	jboolean	unsigned 8 bits
byte	jbyte	signed 8 bits
char	jchar	unsigned 16 bits
short	jshort	signed 16 bits
int	jint signed	32 bits
long jlong	signed	64 bits
float	jfloat	32 bits
double	jdouble	64 bits
void	void	not applicable

參考資料型別

外面的為jni中的，括號中的java中的，

jobject
- jclass (java.lang.Class objects)
- jstring (java.lang.String objects)
- jarray (arrays)
  - 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 (java.lang.Throwable objects)

上面的層次中的jni的參考型別代表了繼承關系，jbooleanArray繼承jarray，jarray繼承jobject，最終都繼承jobject，

區域參考

通過呼叫jni的一些方法比如FindClass，NewCharArray，NewStringUTF等只要是回傳上面介紹的jni的參考型別都屬于區域參考，區域參考的生命周期只在方法中效，不能垮執行緒跨方法使用，函式退出后區域參考所參考的物件會被JVM自動釋放，或顯示呼叫DeleteLocalRef釋放，區域參考的也可以通過(*env)->NewLocalRef(env,local_ref)方法創建，一般不常用，

如下示例：

// jni_ref.cpp
// 在jni中呼叫java String類構造回傳String
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_jnilocalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {

    // 區域參考
    jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");

    // 呼叫public String(char[] value); 構造方法， 為了演示更多的區域參考
    jmethodID j_mid = env->GetMethodID(local_j_cls, "<init>", "([C)V");
    // 區域參考
    jcharArray local_j_charArr = env->NewCharArray(8);
    // 區域參考
    jstring local_str = env->NewStringUTF("LocalRef");
    const jchar *j_char = env->GetStringChars(local_str, nullptr);

    env->SetCharArrayRegion(local_j_charArr, 0, 8, j_char);

    jstring j_str = (jstring) env->NewObject(local_j_cls, j_mid, local_j_charArr);

    // 釋放區域參考，也可以不用呼叫在方法結束后jvm會自動回收，最好有良好的編碼習慣
    env->DeleteLocalRef(local_j_cls);
    env->DeleteLocalRef(local_str);
    env->DeleteLocalRef(local_j_charArr);

    // 也可以通過NewLocalRef函式創建 (*env)->NewLocalRef(env,local_ref);這個方法一般很少用，
    // 函式回傳后區域參考所參考的物件會被JVM自動釋放，或呼叫DeleteLocalRef釋放，(*env)->DeleteLocalRef(env,local_ref)

    // ReleaseStringChars和GetStringChars對應
    env->ReleaseStringChars(j_str, j_char);

    return j_str;
}

例子中的local_j_cls，local_j_charArr，local_j_charArr，j_str 都是區域參考型別，最后呼叫了DeleteLocalRef來釋放，
有同學問了，既然區域參考不用手動釋放，可不可以不用呼叫DeleteLocalRef方法，
咦，你這個小可愛，好問題哦！

我網上搜索了下，大部分的文章說了下會有限制，超過512個區域參考（為什么是這個數字，一看就是一個有情懷的程式員）會造成區域參考表溢位，我還是想測驗一下如下

// jni_ref.cpp
    LOG_D("localRefOverflow start");
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/util/ArrayList");
        // env->DeleteLocalRef(local_j_cls);
    }
    LOG_D("localRefOverflow end");

count =513，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =2000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =10000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =10 0000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end

count =100 0000，沒有報錯，列印了localRefOverflow end
…

我靠，WTF? 直接for回圈900w次，例外出現了，

2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273] JNI ERROR (app bug): local reference table overflow (max=8388608)
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273] local reference table dump:
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]   Last 10 entries (of 8388608):
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388607: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388606: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388605: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388604: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.476 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388603: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388602: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388601: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388600: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388599: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388598: 0x706ca3a0 java.lang.Class<java.util.ArrayList>
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]   Summary:
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]     8388604 of java.lang.Class (3 unique instances)
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]         3 of java.lang.String (3 unique instances)
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]         1 of java.lang.String[] (3 elements)
2020-10-16 18:05:11.477 26699-26699/com.bj.gxz.jniapp A/zygote: indirect_reference_table.cc:273]  Resizing failed: Requested size exceeds maximum: 16777216

8388608 ，可以猜測是不同的Android 版本導致，Android經常這樣不同的API或者功能在不同的版本上表現不一樣，而我我用的Android 8.1的系統，為什么512沒有報錯了，
Android 8.0 之前區域參考表的上限是512個參考，Android 8.0后區域參考表上限提升到了8388608個參考，大家想一探究竟的話可以在如下Android 底層代碼中看一下，

需要翻墻
有關底層原始碼

看原始碼的同時我們也看到了比如FindClass 等方法，在最后方法的最后都有類似添加到區域參考表里的代碼，也就是說需要我們手動洗掉區域參考，

 static jclass FindClass(JNIEnv* env, const char* name) {
    CHECK_NON_NULL_ARGUMENT(name);
    Runtime* runtime = Runtime::Current();
    ClassLinker* class_linker = runtime->GetClassLinker();
    std::string descriptor(NormalizeJniClassDescriptor(name));
    ScopedObjectAccess soa(env);
    mirror::Class* c = nullptr;
    if (runtime->IsStarted()) {
      StackHandleScope<1> hs(soa.Self());
      Handle<mirror::ClassLoader> class_loader(hs.NewHandle(GetClassLoader(soa)));
      c = class_linker->FindClass(soa.Self(), descriptor.c_str(), class_loader);
    } else {
      c = class_linker->FindSystemClass(soa.Self(), descriptor.c_str());
    }
    return soa.AddLocalReference<jclass>(c);
  }

綜上可以看出并不是區域參考不用呼叫DeleteLocalRef來釋放，而是建議呼叫一下，如果你的jni方法很簡單&與java互動很少也可以不呼叫，但是如下的一些情況需要手動顯示的呼叫，為了防止記憶體溢位和區域參考表溢位，

如上我們模擬的情況，在for回圈里或者其它操作類似頻繁創建區域參考的需要釋放
遍歷陣列產生的區域參考，用完后要洗掉，

全域參考

通過呼叫jobject NewGlobalRef(jobject obj)基于參考來創建，引數是jobject型別，它可以跨方法、跨執行緒使用，JVM不會自動釋放它，必須顯示呼叫DeleteGlobalRef手動釋放void DeleteGlobalRef(jobject globalRef)

如下使用示例：
在jni中呼叫java String類構造回傳String

// jni_ref.cpp
static jclass g_j_cls;  // 加static前綴 只對本源檔案可見，對其它源檔案隱藏
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_jniGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {

    if (g_j_cls == nullptr) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");
        // 將local_j_cls區域參考改為全域參考
        g_j_cls = (jclass) env->NewGlobalRef(local_j_cls);
    } else {
        LOG_D("g_j_cls else");
    }

    // 呼叫public String(String value); 構造
    jmethodID j_mid = env->GetMethodID(g_j_cls, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");

    jstring str = env->NewStringUTF("GlobalRef");
    jstring j_str = (jstring) env->NewObject(g_j_cls, j_mid, str);
    return j_str;
}

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_delGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {
    if (g_j_cls != nullptr) {
        LOG_D("DeleteGlobalRef");
        // 釋放某個全域參考
        env->DeleteGlobalRef(g_j_cls);
    }
}

java呼叫

    public native String jniGlobalRef();
    public native void delGlobalRef();
    
    String ret1 = jniRef.jniGlobalRef();
    Log.e(TAG, "jniGlobalRef=" + ret1);
    String ret2 = jniRef.jniGlobalRef();
    Log.e(TAG, "jniGlobalRef=" + ret2);
    jniRef.delGlobalRef();

g_j_cls就是一個全域參考，然后我們多次呼叫下jniRef.jniGlobalRef方法列印如下：

2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniGlobalRef=GlobalRef
2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: g_j_cls else
2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniGlobalRef=GlobalRef
2020-10-16 20:30:46.074 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: DeleteGlobalRef

說明全域參考可以起到快取的效果，為什么要做這個測驗呢？因為頻繁呼叫類似JNI介面FindClass查找java中Class參考時是比較耗性能的，特別是在有互動頻繁的JNI的app中，

弱全域參考

這個有點類似于java的軟參考SoftReference，jvm在記憶體不足的時候會釋放它，通過呼叫jweak NewWeakGlobalRef(jobject obj)來創建一個弱全域參考，釋放呼叫void DeleteWeakGlobalRef(jweak obj)，jweak為typedef _jobject* jweak;
_jobject指標的別名，

如下使用示例，和全域參考一樣把全域參考的方法改為弱全域參考的方法即可，

// jni_ref.cpp
static jclass g_w_j_cls;
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_jniWeakGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {

    if (g_w_j_cls == nullptr) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");
        // 將local_j_clss區域參考改為弱全域參考
        g_w_j_cls = (jclass) env->NewWeakGlobalRef(local_j_cls);
    } else {
        LOG_D("g_w_j_cls else");
    }

    jmethodID j_mid = env->GetMethodID(g_w_j_cls, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");

    // 使用弱參考時，必須先檢查快取過的弱參考是指向活動的類物件，還是指向一個已經被GC的類物件
    // 檢查弱參考是否活動，即參考的比較IsSameObject
    // 如果g_w_j_cls指向的參考已經被回收，會回傳JNI_TRUE
    // 如果仍然指向一個活動物件，會回傳JNI_FALSE
    jboolean isGC = env->IsSameObject(g_w_j_cls, nullptr);
    if (isGC) {
        LOG_D("weak reference has been gc");
        return env->NewStringUTF("weak reference has been gc");
    } else {
        jstring str = env->NewStringUTF("WeakGlobalRef");
        jstring j_str = (jstring) env->NewObject(g_w_j_cls, j_mid, str);
        return j_str;
    }
}

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_delWeakGlobalRef(JNIEnv *env, jobject instance) {
    if (g_w_j_cls != nullptr) {
        // 呼叫DeleteWeakGlobalRef來釋放它，如果不手動呼叫這個函式來釋放所指向的物件，JVM仍會回收弱參考所指向的物件，但弱參考本身在參考表中所占的記憶體永遠也不會被回收，
        LOG_D("DeleteWeakGlobalRef");
        env->DeleteWeakGlobalRef(g_w_j_cls);
    }
}

java呼叫

        String ret3 = jniRef.jniWeakGlobalRef();
        Log.e(TAG, "jniWeakGlobalRef=" + ret3);
        String ret4 = jniRef.jniWeakGlobalRef();
        Log.e(TAG, "jniWeakGlobalRef=" + ret4);
        jniRef.delWeakGlobalRef();

g_w_j_cls就是一個弱全域參考，然后我們多次呼叫下jniRef.jniWeakGlobalRef方法列印如下：

2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniWeakGlobalRef=WeakGlobalRef
2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: g_w_j_cls else
2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: jniWeakGlobalRef=WeakGlobalRef
2020-10-16 20:30:46.075 29358-29358/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: DeleteWeakGlobalRef

和全域參考一樣可以起到快取的效果，
剛才我們說了就是弱全域參考在記憶體不足的時候會被jvm回收，怎么判斷它被回收了，判null ，沒錯！當被回收了會為null，所以我們在使用弱全域參考的時候頻道弱全域參考是否還存在，怎么判斷呢？使用參考比較，

參考比較

在jni中提供了 jboolean IsSameObject(jobject ref1, jobject ref2)方法，如果ref1和ref2指向同個物件則回傳JNI_TRUE，否則回傳JNI_FALSE，

    jclass local_j_cls_1 = env->FindClass("java/util/ArrayList");
    jclass local_j_cls_2 = env->FindClass("java/util/ArrayList");
    jboolean same1 = env->IsSameObject(local_j_cls_1, local_j_cls_2);
    LOG_D("%d",same1);
    jboolean same2= env->IsSameObject(local_j_cls_1, nullptr);
    LOG_D("%d",same2);

輸出 1和0

快取策略

當我們在本地代碼方法中通過FindClass查找Class、GetMethodID查找方法、GetFieldID獲取類的欄位ID和GetFieldValue獲取欄位的時候是需要jvm來做很多作業的，可能這個欄位ID或者方法是在超類中繼承而來的，那jvm可能還需要層次遍歷，而這些負責和jni互動java中的類的全路徑，欄位，方法一般是不會修改了，是固定的，這也是為什么我們在做android混淆打包的時候需要keep這些類，因為這些一般不會變，不能變，變了后jni中會找不到了具體的類，欄位，方法了，既然打包后不會變我們是可以進行快取策略來處理，

另外至于效率提高多少，沒有驗證，不過不重要，如果是頻繁這種查找一般會采用快取，只查找一次或者在程式初始化的時候提前查找，

對于這類情況的快取分為基本資料型別快取和參考快取，

基本資料型別快取

基本資料型別的快取在c，c++中可以借助關鍵字static處理，
學過c，c++的都知道

static區域變數只初始化一次，下一次依據上一次結果值
static全域變數只初使化一次，防止在其他檔案中被參考
加static函式的函式為內部函式，只能在本源檔案中使用，和普通函式的作用域不同

static jclass g_j_cls_cache;
extern "C" JNIEXPORT jstring JNICALL
Java_com_bj_gxz_jniapp_ref_JNIRef_refCache(JNIEnv *env, jobject instance) {
    if (g_j_cls_cache == nullptr) {
        jclass local_j_cls = env->FindClass("java/lang/String");
        // 將local_j_cls區域參考改為全域參考
        g_j_cls_cache = (jclass) env->NewGlobalRef(local_j_cls);
    } else {
        LOG_D("g_j_cls_cache use cache");
    }

    // 呼叫public String(String value); 構造
    static jmethodID j_mid;
    if (j_mid == nullptr) {
        j_mid = env->GetMethodID(g_j_cls_cache, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");
    } else {
        LOG_D("j_mid use cache");
    }

    jstring str = env->NewStringUTF("refCache");
    jstring j_str = (jstring) env->NewObject(g_j_cls_cache, j_mid, str);
    return j_str;
}

java呼叫

        String ret5 = jniRef.refCache();
        Log.e(TAG, "refCache=" + ret5);
        String ret6 = jniRef.refCache();
        Log.e(TAG, "refCache=" + ret6);
        jniRef.delRefCache();

local_j_cls區域參考變為全域參考，j_mid變數改為static
輸出:

10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: refCache=refCache
10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: g_j_cls_cache use cache
10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp D/JNI: j_mid use cache
10-16 22:58:21.074 4469-4469/com.bj.gxz.jniapp E/JNI: refCache=refCache

有人問local_j_cls區域參考可以加static嗎？不用全域參考/全域弱應用？可以加static，但是不能起到快取的作用，因為上文說了區域參考在函式結束后會被jvm回收了，不然再次使用回到非法記憶體訪問導致應用crash，所以正確的做法如上用全域參考/全域弱應用，

參考型別的快取

可以借助上面的全域參考或者弱全域參考，弱全域參考記得在使用前判斷下是否被回收了IsSameObject，最后記得釋放 DeleteGlobalRef ,DeleteWeakGlobalRef，

最后源代碼：https://github.com/ta893115871/JNIAPP

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/yidong/180841.html

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