专题3：Android技术之JNI和HAL

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1 Android 技术之 JNI 和 HAL

2 内容提纲 } jni 的介绍和作用 } jni 在 android 系统中的应用 } jni 的编写和编译技术 } hal 的介绍 } hal 的编写技术

3 System API Android Application Application Framework C code framework Core Java libraries JNI Android libraries Dalvik VM Android Runtime User Space Hardware layers Kernel Space Linux kernel drivers Android core Drivers Android devices Drivers Android porting works Hardware system Space Hardware system

4 JNI 的介绍 } 矛盾体 :java 应用程序如何与 linux 底层交互? android 实现了很好的分层机制, 从而使得开发者开发更加专注, 但是 android 的应用层和框架层使用的开发语言为 java,java 是一种平台无关性的语言, 平台对于上层的 java 代码来说是透明的, 而 android 是基于 linux 的一个操作系统,linux 只提供了 c/c++ 或者是汇编的接口给开发, 因此, 为了使得 android 系统运行正常, 必须想办法把 java 语言与 c/c++ 连接起来, 这个连接器螺丝就是 jni 技术

5 jni 的概念 } Java 本机接口 (Java Native Interface (JNI)) 是一个本机编程接口,JNI 允许 Java 代码使用以其它语言 ( 譬如 C 和 C++) 编写的代码和代码库

6 jni 在 android 系统中的应用 } jni 在 android 系统中得到了大量的运用, 比如 wifi, 3G,camera,g-sensor 等等, 只要是涉及到平台硬件, 都需要用到 jni

7 wifi 框架 WirelessSettings.java WifiManager.java WifiService.java WifiNative.java android_net_wifi_wifi.cpp wifi.c external/wpa_supplicant/ rt3070sta.ko

8 摄像头的框架

9 3G 框架 APP: Phone Framework telephony java JNI Framework telephony C socket rild 守护进程 hal: 特定模块的参考库 linux kernel : ppp 协议 3G 模块

10 GPS 框架

11 jni 的编写 } Java 调用 c/c++ 的框架 : Java 代码 --> jni 代码 --> c/c++ 代码 } 写一个简单的 Java app 来调用 C/C++ 代码打印 HelloWorld! 的过程 这个过程由下面这几个步骤组成 : 1. 编写 java 代码, 创建一个类 (HelloWorld.java) 声明 native method 2, 编写 jni 文件 3, 将 jni 实现文件编译成一个 native lib

12 第一步 : 编写 java 代码, 创建一个类 ( HelloWorld.java), 并且使用本地方法 } public class HelloActivity extends Activity { } public void oncreate(bundle savedinstancestate) { } super.oncreate(savedinstancestate); } setcontentview(r.layout.main); } this.fssayhello(); } } } static { } System.loadLibrary("hello_jni"); //notice } } private static native int fssayhello(); //notice declare } }

13 } HelloActivity 类声明一个本地 fssayhello() 方法 还有个 static 初始化函数 } native 方法的声明 : } 和一般 java 程序语言的声明中有不同之处, 如 fssayhello() 一个 native 方法声明必须包含 native 修饰符

14 第二步 : 构建 jni 函数, 并且编译成本地库 } jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) } { } jint result = -1; } JNIEnv* env = NULL; } LOGI("JNI_OnLoad"); } if (vm->getenv((void **)&env, JNI_VERSION_1_4)!= JNI_OK) { } LOGE("ERROR: GetEnv failed"); } goto bail; } } } if (registernatives(env)!= JNI_TRUE) { } LOGE("ERROR: registernatives failed"); } goto bail; } } } result = JNI_VERSION_1_4; } bail: } return result;

15 } 当 android 的 VM 执行到程序里的 System.loadLibrary( xx.so ) 函数的时候, 首先会执行 xx.so 中的 JNI_OnLoad() 函数, 所以我们需要在 native lib 中编写 JNI_OnLoad() 函数, } JNI_OnLoad 的写法其实不用自己记住, 可以参考 android 自带的例子 :./development/samples/simplejni/jni/native.cpp

16 } 接下来就要实现 registernatives(env) } static JNINativeMethod gmethods[] = { } {"fssayhello", "()I", (void*)hello_printf}, } }; } static const char *classpathname = "com/farsight/helloactivity "; } static int registernatives(jnienv* env){ } jclass clazz; } clazz = env->findclass(classpathname); } if (clazz == NULL) { } return JNI_FALSE;} } if (env->registernatives(clazz, gmethods, sizeof(gmethods) / sizeof(gmethods[0])) < 0) { } return JNI_FALSE; } } } return JNI_TRUE; } }

17 } 几个注意点 : } classpathname: 指的是声明 fssayhello() 所在的类, } env->registernatives: 向 VM( 即 AndroidRuntime) 登记 gmethods[] 表格所含的本地函数 env->registernatives 的几个参数 : clazz: 告诉 VM, clazz 类中使用了 gmethods 中的本地方法 gmethods: 定义 java 语言和本地语言 (c/c++) 的映射关系,"()Z" 中,"()" 表示参数,Z 则代表返回值为 void sizeof(gmethods) / sizeof(gmethods[0]): gmethods 数组元素个数

18 } typedef struct { } const char* name; } const char* signature; } void* fnptr; } } JNINativeMethod;

19 第三步 : 编写 c/c++ 代码 实现 c 语言的 hello_printf(), 这个就是 linux 工程师的强项了, 学习 c 语言第一天干的就是这个事 } static jint hello_printf(jnienv *env, jobject thiz) } { } LOGI(">>>>jni test : hello world<<<<<\n"); } return 0; } }

20 LOCAL_PATH:= $(call my-dir) } include $(CLEAR_VARS) } LOCAL_SRC_FILES:= \ } com.farsight.hello.cpp } LOCAL_SHARED_LIBRARIES := \ } libutils } LOCAL_C_INCLUDES += \ } $(JNI_H_INCLUDE) } LOCAL_MODULE:= libhello_jni } LOCAL_PRELINK_MODULE := false } include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

21 源码都已经写好了, 需要一个编译规则, 把 c/cpp 编译一个 so, 可以用 Android..mk, 可以参考 development/samples/simplejni/jni/android.mk

22 hal 的介绍 } Android 的 HAL 是为了保护一些硬件提供商的知识产权而提出的, 是为了避开 linux 的 GPL 束缚 思路是把控制硬件的动作都放到了 Android HAL 中, 而 linux driver 仅仅完成一些简单的数据交互作用, 甚至把硬件寄存器空间直接映射到 user space 而 Android 是基于 Aparch 的 license, 因此硬件厂商可以只提供二进制代码, 所以说 Android 只是一个开放的平台, 并不是一个开源的平台 也许也正是因为 Android 不遵从 GPL, 所以 Greg Kroah-Hartman 才在 内核将 Andorid 驱动从 linux 中删除 GPL 和硬件厂商目前还是有着无法弥合的裂痕 Android 想要把这个问题处理好也是不容易的

23 HAL 存在的原因 } 1 并不是所有的硬件设备都有标准的 linux kernel 的接口 } 2 Kernel driver 涉及到 GPL 的版权 某些设备制造商并不原因公开硬件驱动, 所以才去 HAL 方式绕过 GPL } 3 针对某些硬件,Android 有一些特殊的需求

24 HAL 简介及现状分析 } 现有 HAL 架构由 Patrick Brady (Google) 在 2008 Google I/O 演讲中提出,HAL 的目的是为了把 Android framework 与 Linux kernel 完整 隔开 让 Android 不至过度依赖 Linux kernel, 有点 kernel independent 的意思 } 因为各厂商需要开发不开源代码的驱动程序模组要求下所规划的架构与概念要求下所规划的架构与观念, 但是目前的 HAL 架构抽象程度还不足需要变动框架来整合 HAL 模组

25 HAL 内容 } HAL 主要的实作储存于以下目录 : 1. libhardware_legacy/ - 旧的架构 采取链接库模块的观念进行 2. libhardware/ - 新架构 调整为 HAL stub 的观念 3. ril/ -Radio Interface Layer 4.msm7k QUAL 平台相关 } 主要包含一下一些模块 : Gps Vibrator Wifi Uevent Copybit Audio Camera Lights Ril Overlay

26 旧的 HAL 架构 (libhardware_legacy) } libhardware_legacy 作法, 是传统的 module 方式, 也就是将 *.so 文件当做 shared library 来使用, 在 runtime(jni 部份 ) 以 direct function call 使用 HAL module 通过直接函数调用的方式, 来操作驱动程序 } 当然, 应用程序也可以不需要通过 JNI 的方式进行, 直接加载 *.so 檔 (dlopen) 的做法调用 *.so 里的符号 (symbol) 也是一种方式 } 总而言之是没有经过封装, 上层可以直接操作硬件

27 新的 HAL 架构 (libhardware) } 现在的 libhardware 架构, 就有 stub 的味道了 HAL stub 是一种代理人 (proxy) 的概念,stub 虽然仍是以 *.so 檔的形式存在, 但 HAL 已经将 *.so 档隐藏起来了 Stub 向 HAL 提供 操作函数 (operations ), 而 runtime 则是向 HAL 取得特定模块 (stub) 的 operations, 再 callback 这些操作函数 这种以 indirect function call 的架构, 让 HAL stub 变成是一种 包含 关系, 即 HAL 里包含了许许多多的 stub( 代理人 ) Runtime 只要说明 类型, 即 module ID, 就可以取得操作函数 对于目前的 HAL, 可以认为 Android 定义了 HAL 层结构框架, 通过几个接口访问硬件从而统一了调用方式

28 目前 HAL 的解决方案 } 旧的 (legeacy)hal 在 hardware 目录的 libhardware_legacy 我们称为 HAL module } 新的 HAL 在 hardware 的 libhardware 下称之为 HAL stub

29 HAL_legacy 和 HAL 的对比 } HAL_legacy: 旧式的 HAL 是一个模块, 采用共享库形式, 在编译时会调用到 由于采用 function call 形式调用, 因此可被多个进程使用, 但会被 mapping 到多个进程空间中, 造成浪费, 同时需要考虑代码能否安全重入的问题 (thread safe) } HAL: 新式的 HAL 采用 HAL module 和 HAL stub 结合形式,HAL stub 不是一个 share library, 编译时上层只拥有访问 HAL stub 的函数指针, 并不需要 HAL stub 上层通过 HAL module 提供的统一接口获取并操作 HAL stub,so 文件只会被 mapping 到一个进程, 也不存在重复 mapping 和重入问题

30 Android HAL 架构

31 HAL module 架构 } HAL moudle 主要分为三个结构 : struct hw_module_t; struct hw_module_methods_t; struct hw_device_t; } 定义在 hardware.h 文件里面 } 他们的继承关系如右图 :

32 hal 的编写技术 } 实验框架 : } App --> jni --> hal --> 操作硬件 } 步骤的简单介绍 : } 1, 在 jni 实验的基础上, 在 app(helloactivity.java) 中加入操作硬件的本地函数 } 2, 在 jni 文件中, 加入 hal 的接口, 从而可以调用 hal 的代码, 与 hal 关联起来 } 3, 按照 hal 规范, 构建 hal 模块文件 } 4, 编写操作操作某个硬件的代码, 我们只做简单的, 实现打开 /dev/led

33 第一步 : 修改 HelloActivity.java 中加入操作硬件的本地函数 } public class HelloActivity extends Activity { } public void oncreate(bundle savedinstancestate) { } super.oncreate(savedinstancestate); } setcontentview(r.layout.main); } this.fssayhello(); } this.fsledinit(); // 新增 } } } static { } System.loadLibrary("hello_jni"); //notice } } } private static native int fssayhello(); //notice declare } private static native int fsledinit(); //notice declare // 新增 } }

34 第二步 : 修改 jni 文件, 实现本地函数 fsledinit(), 同时加入 hal 的接口 A, 添加 fsfbinit 的 c 语言映射函数 static JNINativeMethod gmethods[] = { {"fssayhello", "()I", (void*)hello_printf}, {"fsledinit", "()I", (void*)fs_led_init}, };

35 B, 实现 fs_led_init(), 用来调用一个 open 函数, 从而打开设备 static struct led_hal_control_device_t *sfsleddevice = 0; static struct led_hal_module_t* sfsledmodule=0; /* convenient api for open device*/ static inline int fs_led_control_open(const struct hw_module_t* module, struct led_hal_control_device_t** device) { LOGI("fs_led_control_open"); return module->methods->open(module, LED_HAL_HARDWARE_MODULE_ID, (struct hw_device_t**)device); }

36 } static jint fs_led_init(jnienv *env, jobject thiz) } { } struct led_hal_module_t const *module; } if (hw_get_module(led_hal_hardware_module_id, (const hw_module_t**)&module) == 0) { } sfsledmodule = (struct led_hal_module_t *)module; } fs_led_control_open(&sfsledmodule->common, &sfsleddevice); } } } LOGI("fs_led_init success"); } return 0; } }

37 这里引进了几个 hal 的常用接口 : struct led_hal_module_t : hal 层的代码都是通过模块的形式存在, 而一个模块对应一个 XX_module_t, 这个结构体需要自己定义, 并且初始化, 淡定, 定义很简单 hw_get_module(); 加载 hal 模块的 api, 不用自己实现,(module 指向变量 HAL_MODULE_INFO_SYM) struct led_hal_control_device_t; 每个模块中都会对硬件进行操作, 而每个设备对应一个 XX_control_device_t, 需要自己定义, 并实现, 同样淡定 我们的目的就是要 open 一个设备,open() 函数就是最终用来打开设备的函数 } 所以我们接下来就是要定义和实现以上几个接口

38 第三步 : 按照 hal 规范, 构建 hal 模块文件, 实现 hal 的接口 A, 声明 struct ;ed_hal_module_t 等几个结构体 } struct led_hal_module_t {// 自己定义 struct hw_module_t common; // 第一个成员必须是 hw_module_t 类型 }; struct led_hal_control_device_t{ // 用于控制 struct hw_device_t common; // 不好意思, 第一个成员也必须是 struct hw_device_t 类型 }

39 } #define LED_HAL_HARDWARE_MODULE_ID "led_hal_sample" 这个宏很重要,hal 以 so 的形式存在, 那么 so 的名字中就包含 fs_hal_sample, 所以不是瞎定义的

40 B, 初始化 struct led_hal_module_t 几个结构体 : 1) 构建 HAL_MODULE_INFO_SYM 变量 const struct led_hal_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = { common: { } tag: HARDWARE_MODULE_TAG, // 必须是这个值 } version_major: 1, // } version_minor: 0, // 没有太多讲究 } id: LED_HAL_HARDWARE_MODULE_ID, } name: "fs HAL sample module", } author: "shenzhen farsight", } methods: &led_hal_module_methods, } } };

41 每个模块中必须要有一个以 HAL_MODULE_INFO_SYM 为名字的结构体变量, 至于这个变量的结构体类型名由开发人员自己定, 比如 :fs_fb_module_t 为自己定义, 并且模块中有变量 : struct fs_fb_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM ;

42 构建 fs_fb_module_methods static struct hw_module_methods_t led_hal_module_methods = { } open: led_device_open } };

43 #define SAMPLE_DEVICE_NAME "/dev/led" static int fd = -1; static int led_device_close(struct hw_device_t* device){ if (device) { } free(device); } } } close(fd); } return 0; } }

44 static int led_device_open(const struct hw_module_t* module, const char* name,struct hw_device_t** device){ } struct led_hal_control_device_t *hal_ctl_dev; } hal_ctl_dev = (struct led_hal_control_device_t*)malloc(sizeof(*hal_ctl_dev)); } memset(hal_ctl_dev, 0, sizeof(*hal_ctl_dev)); } hal_ctl_dev->common.tag=hardware_device_tag; } hal_ctl_dev->common.version = 0; } hal_ctl_dev->common.module= module; } hal_ctl_dev->common.close = led_device_close; }

45 } if((fd = open(sample_device_name, O_RDWR))==-1){ } exit(1); } }else{ } LOGI("open ok\n"); } } } return 0; } }

46 linux 应用中, 要对某个硬件操作, 必须用 open() 将设备打开, 因此可以封装 open() } int (*led_device_open)(const struct hw_module_t* module, const char* id, struct hw_device_t** device); } 介绍一下这三个参数 : struct hw_module_t* module: 模块对象, 可以理解为一个 module 代表一个 so const char* name : 一般对设备操作有控制和传输数据, 其实可以通过这个 name 来判断是来控制设备还是与设备进行数据传输 struct hw_device_t** device, 面向对象的思想, 可以理解为一个真正设备的形象代言人, 包含设备属性和功能

47 第四步 :Android.mk 的编写 } LOCAL_PATH := $(call my-dir) } include $(CLEAR_VARS) } LOCAL_PRELINK_MODULE := false } LOCAL_MODULE_PATH := $(TARGET_OUT_SHARED_LIBRARIES)/hw } LOCAL_SHARED_LIBRARIES := liblog } LOCAL_SRC_FILES := led_hal_sample.c } LOCAL_MODULE := led_hal_sample.default } include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

48 } 为什么要命名 led_hal_sample.default 呢, 因为 hw_get_module 的时候会到 /system/lib/hw 去搜索相应的 so 文件, 一般命名方式为 xx.ro.hardware.so, xx.default.so

49 HAL Module 获取 } hardware.c } int hw_get_module(const char *id, const struct hw_module_t **module) } 1. 查找 module patch if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT) { if (property_get(variant_keys[i], prop, NULL) == 0) { continue; } snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.%s.so", HAL_LIBRARY_PATH, id, prop); } else { snprintf(path, sizeof(path), "%s/%s.default.so", HAL_LIBRARY_PATH, id); }

50 HAL Module 获取 (cont.) } 2. 载入 so if (i < HAL_VARIANT_KEYS_COUNT+1) { /* load the module, if this fails, we're doomed, and we should not try * to load a different variant. */ status = load(id, path, module); } } 3. Open so handle = dlopen(path, RTLD_NOW); if (handle == NULL) { char const *err_str = dlerror(); LOGE("load: module=%s\n%s", path, err_str?err_str:"unknown"); status = -EINVAL; goto done; }

51 HAL Module 获取 (cont.) } 4. 获取 symbol /* Get the address of the struct hal_module_info. */ const char *sym = HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR; hmi = (struct hw_module_t *)dlsym(handle, sym); if (hmi == NULL) { LOGE("load: couldn't find symbol %s", sym); status = -EINVAL; goto done; }

52 HAL Module 获取 (cont.) } hardware.h #define HAL_MODULE_INFO_SYM HMI /** * Name of the hal_module_info as a string */ #define HAL_MODULE_INFO_SYM_AS_STR "HMI"