JVM源码剖析之registerNatives方法

版本信息：

jdk版本：jdk8u40

写在前面：

在Java类库中很多类都有一个registerNatives的native方法，并且写在static静态代码块中进行初始化调用，有不少的读者应该会对这个方法感兴趣，但是此方法是一个native方法，让不少的读者望而却步，所以笔者写在这一篇关于registerNatives方法的文章～

要真正弄懂registerNatives方法非常的复杂，因为你需要明白 C/C++ 的执行和动态链接库的原理、以及JVM对于动态链接库的封装处理、以及Java语言作为解释性语言JVM的解释器引擎如何对其做处理、以及JVM对于类加载的一个过程，他是如何链接native方法的～

这并不是在劝退各位读者，而是让读者有一个对知识的认知。当然，笔者认为高级的封装是有他的意义存在，屏蔽掉底层的各种复杂的实现。所以笔者也会尽量用通俗易懂的方式介绍registerNatives方法

源码论证：

首先需要说明白registerNatives这个native方法存在的意义：把类中其他native方法的实现映射到JVM虚拟机中内部的方法（native方法的实现是c/c++语言，而JVM也是c++语言实现，所以是完成一个其他native方法的映射）

在JVM的实现Hotspot源码中，一般情况下native层面的源码文件命名是跟类名一致，比如拿Thread.java 类来说，在Hotspot中他的native层面文件就是 Thread.c 。正好Thread类中也有registerNatives，接下来我们就看到Thread中registerNatives方法的native层面源码实现

/src/share/native/java/lang/Thread.c 文件中

cpp 复制代码

typedef struct {
    char *name;
    char *signature;
    void *fnPtr;
} JNINativeMethod;

static JNINativeMethod methods[] = {
    {"start0",           "()V",        (void *)&JVM_StartThread},
    {"stop0",            "(" OBJ ")V", (void *)&JVM_StopThread},
    {"isAlive",          "()Z",        (void *)&JVM_IsThreadAlive},
    {"suspend0",         "()V",        (void *)&JVM_SuspendThread},
    {"resume0",          "()V",        (void *)&JVM_ResumeThread},
    {"setPriority0",     "(I)V",       (void *)&JVM_SetThreadPriority},
    {"yield",            "()V",        (void *)&JVM_Yield},
    {"sleep",            "(J)V",       (void *)&JVM_Sleep},
    {"currentThread",    "()" THD,     (void *)&JVM_CurrentThread},
    {"countStackFrames", "()I",        (void *)&JVM_CountStackFrames},
    {"interrupt0",       "()V",        (void *)&JVM_Interrupt},
    {"isInterrupted",    "(Z)Z",       (void *)&JVM_IsInterrupted},
    {"holdsLock",        "(" OBJ ")Z", (void *)&JVM_HoldsLock},
    {"getThreads",        "()[" THD,   (void *)&JVM_GetAllThreads},
    {"dumpThreads",      "([" THD ")[[" STE, (void *)&JVM_DumpThreads},
    {"setNativeName",    "(" STR ")V", (void *)&JVM_SetNativeThreadName},
};

JNINativeMethod结构体定义了native方法的名字、签名、目标方法的地址。在Thread.c 文件中定义了JNINativeMethod结构体数组，完成了native方法名和目标方法映射，而这些方法名恰好是Thread.java 类中其他native方法，这也对应上上文说的 " 把类中其他native方法的实现映射到JVM虚拟机中内部的方法 " 等同于说执行Thread类中sleep方法就会执行JVM_Sleep这个JVM内部的方法

接下来我们看到registerNatives方法的实现，看它是如何完成的映射。

cpp 复制代码

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_lang_Thread_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls)
{
	// JNIEnv结构体是JNI给c语言提供访问JVM使用的，内部有很多函数去访问JVM
	// 而这里就是调用JNIEnv结构体中RegisterNatives方法
    (*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, ARRAY_LENGTH(methods));
}

又开发过JNI的读者可能这里就很容易理解，JNIEnv这个结构体是JNI给c语言提供访问JVM使用的，JNIEnv结构体内部有很多函数去访问JVM，而这里就是调用JNIEnv结构体中RegisterNatives方法，所以我们看到 src/share/vm/prims/jni.cpp 文件中RegisterNatives方法。

cpp 复制代码

JNI_ENTRY(jint, jni_RegisterNatives(JNIEnv *env, jclass clazz,
                                    const JNINativeMethod *methods,
                                    jint nMethods))

  jint ret = 0;
  // 获取到Klass对象，在Hotspot中Klass对象可以理解是Java的类
  KlassHandle h_k(thread, java_lang_Class::as_Klass(JNIHandles::resolve_non_null(clazz)));

  // 遍历JNINativeMethod结构体数组
  for (int index = 0; index < nMethods; index++) {
    // 获取到方法名和签名
    const char* meth_name = methods[index].name;
    const char* meth_sig = methods[index].signature;
    int meth_name_len = (int)strlen(meth_name);
    // 把方法名和签名转换成Hotspot中符号信息（实际上这一步无需关心）
    TempNewSymbol  name = SymbolTable::probe(meth_name, meth_name_len);
    TempNewSymbol  signature = SymbolTable::probe(meth_sig, (int)strlen(meth_sig));

    // 我们需要把目标方法注册到类中的native方法
    // 这一步就是完成注册
    bool res = register_native(h_k, name, signature,
                               (address) methods[index].fnPtr, THREAD);
  }
  return ret;
JNI_END

获取到Klass对象，在Hotspot中Klass对象可以理解为Java的类，因为类中定义了方法，而这一步就是要把目标方法（JVM内部方法）注册到类中的native方法
遍历JNINativeMethod结构体数组
获取到方法名和签名信息，因为需要通过它们找到native方法
调用register_native方法完成注册工作

接下来只需要看到register_native方法的实现即可。

cpp 复制代码

static bool register_native(KlassHandle k, Symbol* name, Symbol* signature, address entry, TRAPS) {
  // 通过方法名和签名找到类中的方法
  Method* method = k()->lookup_method(name, signature);
  
  ............ // 省略一些判断

  if (entry != NULL) {
    // 把目标方法（JVM内部方法）注册到类中的native中
    // 下次调用native方法时，执行的就是JVM内部的方法
    method->set_native_function(entry,
      Method::native_bind_event_is_interesting);
  }

  ............ // 省略一些判断

  return true;
}

这里就特别的简单了，通过方法名和签名得到方法，然后把目标方法（JVM内部方法）设置到方法中，下次执行native方法时，就会执行JVM内部的方法～

总结：

整体流程不难，但是笔者是直接 " 告诉答案 " ，如果说需要完整的闭环JNI和native方法的注册和native方法的执行，这个过程将会特别的复杂，不过学习某个层面，就应该把他的下层当作黑盒来理解即可～