JNI解析以及在Android中的实际应用

JNI解析以及在Android中的实际应用

Android小彩虹2021-07-19 14:49:07170A+A-

简述

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。

如何使用

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:

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

//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:
#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

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:

JNI数据类型

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。

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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