안드로이드 프레임워크 프로그래밍(11) [JAVA 프레임워크와 Native 프레임워크 연결 원리]

 어느덧 안드로이드 프레임워크를 연구한지 3달 정도 되어갑니다. 초반에는 온갖 삽질이 길어져서 작업 하나를 수행하는 데에도 많은 시간이 소요되었습니다만 현재 조금 프로그램의 흐름을 볼 수 있는 눈이 생겨 어느 정도 감을 잡아가는 단계가 되었다고 조심스럽게 말해봅니다.


 이번 포스팅에서는 안드로이드 기기가 부팅된 후 Java와 Native 프레임워크가 JNI로 연결되는 과정에 대해 다루어 보도록 하겠습니다.


 이전 포스팅에서 service의 JNI 연결과정을 다룬 바 있습니다. 이번 포스팅에서는 '/framework/base/core'에  있는 프레임워크들이 JNI를 통해 Native와 서로 연결되는 과정을 다루게 됩니다. Java Service와 Native Service의 연결 과정에 대해서는 아래 포스팅을 참조해 주시길 바랍니다.


http://elecs.tistory.com/75


 본 포스팅은 안드로이드 카메라 시스템인 Camera.java와 android_hardware_Camera.cpp가 JNI로 함수가 연결되는 과정을 예로 설명드리겠습니다.


 안드로이드 Framework는 기기의 전원이 들어온 후 부팅이 완료되었을 때 init를 통해 zygote가 실행됩니다. 이 zygote가 동작하는 과정에서 AndroidRuntime::start() 함수를 소환함으로서 안드로이드 기기의 동작을 준비하는 과정을 거칩니다. 해당 코드를 살펴보면 다음과 같습니다.


/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

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void AndroidRuntime::start(const char* className, const char* options)
{
    ....
 
    /*
     * Register android functions.
     */
    if (startReg(env) < 0) {
        ALOGE("Unable to register all android natives\n");
        return;
    }
 
    ....
}
 
 
cs


 AndroidRuntime::start() 함수가 실행된 후 startReg()함수를 불러들이는 모습입니다. startReg() 함수를 통해 JNI가 동작되는 함수들을 실행하게 되는데 해당 함수를 자세히 살펴보도록 하겠습니다.


/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

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/*
 * Register android native functions with the VM.
 */
/*static*/ int AndroidRuntime::startReg(JNIEnv* env)
{
    /*
     * This hook causes all future threads created in this process to be
     * attached to the JavaVM.  (This needs to go away in favor of JNI
     * Attach calls.)
     */
    androidSetCreateThreadFunc((android_create_thread_fn) javaCreateThreadEtc);
 
    ALOGV("--- registering native functions ---\n");
 
    /*
     * Every "register" function calls one or more things that return
     * a local reference (e.g. FindClass).  Because we haven't really
     * started the VM yet, they're all getting stored in the base frame
     * and never released.  Use Push/Pop to manage the storage.
     */
    env->PushLocalFrame(200);
 
    if (register_jni_procs(gRegJNI, NELEM(gRegJNI), env) < 0) {
        env->PopLocalFrame(NULL);
        return -1;
    }
    env->PopLocalFrame(NULL);
 
    //createJavaThread("fubar", quickTest, (void*) "hello");
 
    return 0;
}
cs


 startReg() 함수 내에서 JNI를 등록하는 register_jni_procs()함수가 동작하는 것을 확인하실 수 있습니다. 그 안에 있는 인자인 gRegJNI는 JNI로 연결시킬 Register 함수들이 등록되어있는 구조체입니다. 코드를 통해 좀 더 자세히 구성요소를 확인해 보도록 하겠습니다.


/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

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extern int register_android_hardware_Camera(JNIEnv *env);
 
#ifdef NDEBUG
    #define REG_JNI(name)      { name }
    struct RegJNIRec {
        int (*mProc)(JNIEnv*);
    };
#else
    #define REG_JNI(name)      { name, #name }
    struct RegJNIRec {
        int (*mProc)(JNIEnv*);
        const char* mName;
    };
#endif
 
typedef void (*RegJAMProc)();
 
static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)
{
    for (size_t i = 0; i < count; i++) {
        if (array[i].mProc(env) < 0) {
#ifndef NDEBUG
            ALOGD("----------!!! %s failed to load\n", array[i].mName);
#endif
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}
 
static const RegJNIRec gRegJNI[] = {
 
    ....
 
    REG_JNI(register_android_hardware_Camera),
 
    ....
 
};
 
 
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 위 코드 내용을 읽어보니 상당히 흥미로운 부분을 확인할 수 있었습니다. 각 함수들을 하나씩 살펴보도록 하겠습니다.


static const RegJNIRec gRegJNI[]

 구조체 RegJNIRec를 배열로 선언하고 있습니다. 배열은 초기화가 진행중인데 그 안에 있는 REG_JNI()는 코드 내에서 define 되어 있는 것을 확인하실 수 있습니다.


#define REG_JNI(name)      { name }

    struct RegJNIRec {
        int (*mProc)(JNIEnv*);
};


위에서 보시면 아시듯 'REG_JNI(name)'으로 선언된 부분이 { name }으로 변경되고 있는 것을 확인하실 수 있습니다. 그래고 바로 아래에는 구조체 RegJNIRec가 선언되고 있는 것을 보실 수 있습니다. 구조체 내부에 있는 int(*mProc)(JNIEnv*)는 포인터 함수로서 extern으로 선언되어 있던 함수 register_android_hardware_Camera()를 등록하는 구조임을 알 수 있습니다.


static int register_jni_procs(const RegJNIRec array[], size_t count, JNIEnv* env)

위 함수를 통해 드디어 본격적으로 JNI가 동작하게 됩니다. 함수 내부의 코드를 살펴보면 다음과 같은 것을 보실 수 있습니다.

if (array[i].mProc(env) < 0)

 위에서 설명한 gRegJNI[] 배열 내에 있던 구조체 RegJNIRec 내에 설정했던 함수 포인터들이 위 코드를 통해 반복문으로 모두 실행하는 것을 보실 수 있습니다. 위 과정을 실행하게 되면 프레임워크 내에 존재하는 모든 Java와 Native 함수들이 연결됩니다.

 다음으로 우리들이 등록하였던 register_android_hardware_Camera()함수를 보도록 하겠습니다.


/frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp

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static JNINativeMethod camMethods[] = {
 
   ....
 
  { "native_setup",
    "(Ljava/lang/Object;ILjava/lang/String;)V",
    (void*)android_hardware_Camera_native_setup },
 
    ....
 
};
 
// Get all the required offsets in java class and register native functions
int register_android_hardware_Camera(JNIEnv *env)
{
    ....
 
    // Register native functions
    return AndroidRuntime::registerNativeMethods(env, "android/hardware/Camera",
                                              camMethods, NELEM(camMethods));
}
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 위 코드를 보았을 때 JNINativeMethod 배열을 선언하는 과정을 보실 수 있는데 해당 배열 내에 선언된 값을 하나 보시면 다음과 같습니다.

  { "native_setup",
    "(Ljava/lang/Object;ILjava/lang/String;)V",
    (void*)android_hardware_Camera_native_setup }

 위의 구조를 보았을 때 JNINativeMethod가 struct 구조체로 구성되어 있다는 사실을 어느 정도 직감하실 수 있으실 겁니다! 해당 구조체 내에는 3개의 변수를 저장할 수 있는대 내용은 다음과 같습니다.


{ Java에서 선언된 native method, Signature, C++에서 연결하고자 하는 함수 }

위와 같은 방식으로 값들을 선언해 주시면 되겠습니다. 위에서 Signature는 Java에서 선안된 함수의 인자와 return을 간단하게 나타낸 것을 말합니다. Signature에 대해 좀 더 자세히 알고 싶으신 분들은 아래 포스팅을 참조해 주시기 바랍니다.


http://elecs.tistory.com/75


다음으로 AndroidRuntime.cpp에서 연결했었던 register_android_hardware_Camera(JNIEnv *env)함수를 확인해 보면 리턴형으로 다시 AndroidRuntime 내의 함수를 호출하고 있는 모습을 보실 수 있습니다. 이를 다시 AndroidRuntime.cpp 에서 확인해 보도록 하겠습니다.



/frameworks/base/core/jni/AndroidRuntime.cpp

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/*
 * Register native methods using JNI.
 */
/*static*/ int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv* env,
    const char* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods)
{
    return jniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}
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 드디어 이번 포스팅의 핵심이라 할 수 있는 jniRegisterNativeMethods()함수가 등장하였습니다! 해당 함수가 실행되게 되면 C++과 Java와의 함수가 최종적으로 연결됩니다. 해당 함수의 인자는 다음과 같이 구성되어 있습니다.

(Java VM 환경변수, 연결하고자 하는 Class의 경로, Native와 Java 사이에 연결하고자 하는 함수들의 내역이 있는 구조체 JNINativeMethod, gMethod의 길이);


위의 과정을 통해 연결된 Java 매소드는 해당 코드를 통하여 확실하게 확인하실 수 있습니다!


/frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java

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public class Camera {
 
    ....
    private native final void native_setup(Object camera_this, int cameraId,
                                           String packageName);
 
    ....
 
}
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/frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp

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// connect to camera service
static void android_hardware_Camera_native_setup(JNIEnv *env, jobject thiz,
    jobject weak_this, jint cameraId, jstring clientPackageName)
{
    // Convert jstring to String16
    const char16_t *rawClientName = env->GetStringChars(clientPackageName, NULL);
    jsize rawClientNameLen = env->GetStringLength(clientPackageName);
    String16 clientName(rawClientName, rawClientNameLen);
    env->ReleaseStringChars(clientPackageName, rawClientName);
 
    sp<Camera> camera = Camera::connect(cameraId, clientName,
            Camera::USE_CALLING_UID);
 
    if (camera == NULL) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Fail to connect to camera service");
        return;
    }
 
    // make sure camera hardware is alive
    if (camera->getStatus() != NO_ERROR) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Camera initialization failed");
        return;
    }
 
    jclass clazz = env->GetObjectClass(thiz);
    if (clazz == NULL) {
        jniThrowRuntimeException(env, "Can't find android/hardware/Camera");
        return;
    }
 
    // We use a weak reference so the Camera object can be garbage collected.
    // The reference is only used as a proxy for callbacks.
    sp<JNICameraContext> context = new JNICameraContext(env, weak_this, clazz, camera);
    context->incStrong((void*)android_hardware_Camera_native_setup);
    camera->setListener(context);
 
    // save context in opaque field
    env->SetIntField(thiz, fields.context, (int)context.get());
}
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  • 범블비 2015.03.19 20:26 ADDR 수정/삭제 답글

    안녕하세요 ^^
    프레임워크 관련 글 잘보았습니다.
    질문이 있는데 안드로드 프레임워크 수정을 해서 블루투스 핸드프리 시험을 하려고합니다.
    즉, 블루투스 핸드프리 프로파일은 전화 걸기 전화 받기 음성통화 기능이 있는데 일반 스마트폰 같은경우는 유심이 있어 기능 구현이 가능하지만 유심이 없는 핸드폰에서는 위와 같은 기능을 구현 하려면 할어떻게 해야할지 고민중입니다.
    염치 없지만 조언좀 얻을수 있을까요??
    복받으실겁니다.~~

    • Justin T. 2015.03.19 21:20 신고 수정/삭제

      환영합니다!
      블루투스는 안드로이드에게 있어 상당히 이상적인 통신방식 중 하나라고 생각합니다. 별다른 기기를 거치지 않고도 안드로이드와 직접 통신을 할 수 있다는 점이 저에게는 인상깊었지요.

      사실 블루투스에 연결되는 기기들은 SIM카드 유무와는 상관없이 사용하는 것이 가능합니다. 거의 대부분의 핸즈프리가 안드로이드 기기 내에 설계된 프로그램이 SIM 카드 유무에 따라 동작을 수행하도록 되어 있기에 그런겁니다.

      시작하기에 앞서 핸즈프리를 이용하는 프로그램을 DDMS를 통해 traceview를 하셔서 어떻게 동작하는지를 살펴보셨으면 합니다. 프로그램 수행 도중 SIM 카드 유무에 대해 판단하는 부분을 발견하실 수 있으실 것이고 해당 부분을 잘 처리 해주신다면 SIM 없이도 핸드프리를 활용한 프로그램을 제작하시는 데에 어려움은 없으실 것이라 생각합니다.