如何使用c++和JNI (Java Native Interface) 进行Android NDK开发？ (性能优化)

JNIEnv 必须每次调用时重新获取，因其是线程局部的；JavaVM 可全局缓存，但 JNIEnv* 跨线程复用会导致崩溃；正确做法是通过 GetEnv 或 AttachCurrentThread 获取，并在 native 线程结束时 Detach。

为什么 JNIEnv* 必须在每个 JNI 函数调用中重新获取，不能跨线程缓存？

Android 的 JNI 环境（JNIEnv*）是线程局部的，不是全局可复用的指针。很多开发者误以为在 Java_com_example_NativeLib_init 中保存一次 JNIEnv*，后续就能直接用——这会导致崩溃或随机内存错误，尤其在回调、异步线程或 onDraw 频繁调用场景下。

正确做法是：每次进入 JNI 函数时，通过 JavaVM->GetEnv() 或 AttachCurrentThread() 获取当前线程有效的 JNIEnv*。如果线程未附加（如 native 线程刚创建），必须先 AttachCurrentThread；用完后，若该线程由 native 创建，建议显式 DetachCurrentThread（避免线程资源泄漏）。

• JavaVM* 可安全全局缓存（在 JNI_OnLoad 中获取并存为静态变量）
• 不要在 C++ 成员变量或 static 指针中长期持有 JNIEnv*
• Android 12+ 对未 detach 的线程更敏感，可能触发 ANR 或 java.lang.OutOfMemoryError: pthread_create failed

如何避免频繁 FindClass 和 GetMethodID 导致的性能瓶颈？

FindClass 是 JNI 中开销最大的操作之一，它要遍历类路径、解析字节码、触发类加载——在循环或高频回调（如音频处理、传感器采样）中反复调用，会显著拖慢吞吐量，甚至引发 GC 压力。

解决方案是「缓存 class 引用和方法 ID」，但必须注意生命周期管理：

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• 使用 GetObjectClass 或 FindClass + NewGlobalRef 缓存 jclass（否则类卸载后引用失效）
• GetMethodID/GetFieldID 结果是纯数值，可直接缓存为 static const，无需 global ref
• 缓存时机放在 JNI_OnLoad 或首次调用时（加锁保护），而非每次函数入口
• 避免缓存 java.lang.String 等系统类——它们不会被卸载，FindClass 结果可直接复用，但加 NewGlobalRef 更稳妥

static jclass g_StringClass = nullptr;
static jmethodID g_StringInit = nullptr;
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM vm, void reserved) {
JNIEnv* env;
if (vm->GetEnv(reinterpret_cast(&env), JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
return JNI_ERR;
}
jclass localClass = env->FindClass("java/lang/String");
if (localClass == nullptr) return JNI_ERR;
g_StringClass = reinterpret_cast(env->NewGlobalRef(localClass));
g_StringInit = env->GetMethodID(g_StringClass, "", "([BLjava/nio/charset/Charset;)V");
env->DeleteLocalRef(localClass);
return JNI_VERSION_1_6;
}

如何用 GetDirectBufferAddress 替代 GetByteArrayElements 避免内存拷贝？

当 Java 层传入 ByteBuffer.allocateDirect() 时，底层是 native 内存；而 GetByteArrayElements 总是触发 JVM 内部拷贝（即使传的是 direct buffer），在图像处理、音视频编解码等大数据量场景下，每帧多一次 memcpy 就是几十 MB/s 的浪费。

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关键判断逻辑：只对 direct buffer 使用 GetDirectBufferAddress，且必须配合 GetDirectBufferCapacity 校验长度。普通 heap byte array 仍需走 GetByteArrayRegion 或 GetByteArrayElements（后者需记得 ReleaseByteArrayElements）。

• 用 IsDirect 判断是否为 direct buffer
• GetDirectBufferAddress 返回 void*，不增加引用计数，无需释放
• 切勿对非 direct buffer 调用该函数——返回 nullptr，解引用即 crash
• Android 8.0+ 上，direct buffer 的地址可安全用于 DMA 或 GPU 映射（如 Vulkan VK_EXTERNAL_MEMORY_ANDROID_HARDWARE_BUFFER_BIT_ANDROID）

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_example_NativeLib_processDirectBuffer(JNIEnv* env, jobject thiz, jobject buffer) {
    if (!env->IsDirect(buffer)) {
        jclass ex = env->FindClass("java/lang/IllegalArgumentException");
        env->ThrowNew(ex, "buffer must be a direct ByteBuffer");
        return;
    }
    void* addr = env->GetDirectBufferAddress(buffer);
    jlong capacity = env->GetDirectBufferCapacity(buffer);
    if (addr == nullptr || capacity <= 0) return;
    // 直接操作 addr，无拷贝
    process_image_data(static_cast(addr), static_cast(capacity));
}

NDK 中启用 -O3 -flto -march=armv8-a+simd 后为何部分设备闪退？

高级优化标志能提升浮点密集型计算（如 FFT、卷积）30%+ 性能，但会破坏 ABI 兼容性：例如 -march=armv8-a+simd 生成的指令在不支持 NEON 的旧设备（如部分 ARM Cortex-A7）上非法，直接 SIGILL；-flto 可能导致符号重排，与 Java 层 native 方法名映射失败（UnsatisfiedLinkError）。

安全做法是分档构建 + 运行时检测：

• ABI 分离：为 arm64-v8a 启用 SIMD，armeabi-v7a 仅用 -O2 + -mfpu=neon
• 运行时 CPU 特性检测：用 android_getCpuFeatures()（需 android/ndk-version.h）判断是否支持 ANDROID_CPU_ARM_FEATURE_NEON，再 dispatch 到不同实现
• -flto 必须配套 full LTO 链接（CMake 中设 set(CMAKE_INTERPROCEDURAL_OPTIMIZATION ON)），否则函数内联不生效，还可能因弱符号问题导致崩溃
• 禁用 -fstack-protector-strong 在某些低端芯片上引发栈对齐异常（尤其 inline asm 场景）

最易忽略的一点：所有 JNI 函数签名必须声明为 extern "C"，否则 -flto 可能因 C++ name mangling 导致 Java 找不到 native 方法。