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android源码-深入理解JNI技术

小米墨客
 小米墨客
发布于 2016/09/07 09:40
字数 6135
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9/5/2016 2:10:30 PM

android源码-深入理解JNI技术

本章涉及的源代码文件名及位置

AndroidRunTime.cpp (framework/base/core/jni/AndroidRunTime.cpp)
JNIHelp.c (libnativehelper/JNIHelp.c)

源码的下载可参考上一篇博客:android源码-下载与管理

1.1 概述

JNI,是Java Native Interface的缩写,中文为Java本地调用。通俗地说,JNI是一种技术,通过这种技术可以做到以下两点:

  • Java程序中的函数可以调用Native语言写的函数,Native一般指的是C/C++编写的函数。
  • Native程序中的函数可以调用Java层的函数,也就是在C/C++程序中可以调用Java的函数。

在Android平台上,JNI就是一座将Native世界和Java世界间的天堑变成通途的桥,它展示了Android平台上JNI所处的位置:

Android平台中JNI示意图

由上图可知,JNI将Java世界和Native世界紧密地联系在一起了。在Android平台上尽情使用Java开发的程序员们不要忘了,如果没有JNI的支持,我们将寸步难行!

1.2 Java世界-互通JNI

Java世界与Native世界通过JNI互通,Java世界与JNI之间建立直接互通通道,主要需要完成了两个比较重要的要点

(1) 加载JNI库

Java要调用Native函数,就必须通过一个位于JNI层的动态库才能做到。顾名思义,动态库就是运行时加载的库,那么是什么时候,在什么地方加载这个库呢?

这个问题没有标准答案,原则上是在调用native函数前,任何时候、任何地方加载都可以。通行的做法是,在类的static语句中加载,通过调用System.loadLibrary方法就可以了。System.loadLibrary函数的参数是动态库的名字,即xxx_jni。系统会自动根据不同的平台拓展成真实的动态拓展名,例如在Linux系统上会拓展成xxx_jni.so,而在Windows平台上则会拓展成xxx_jni.dll

(2) Java的native函数调用

Java函数前都有Java的关键字native,它表示这两个函数将由JNI层来实现。 所以对于Java程序员来说,使用JNI技术真的是太容易了。不过JNI层可没这么轻松,下面来看MS的JNI层分析。

1.3 Native世界-互通JNI

对于JNI桥接来讲,最大的疑惑可能是,怎么会知道Java层的native_xx函数对应的是JNI层的什么函数呢,对应关系是什么?

1.2.1 注册JNI函数

上面的问题其实讨论的是JNI函数的注册问题,“注册”之意就是将Java层的native函数和JNI层对应的实现函数关联起来,有了这种关联,调用Java层的native函数时,就能顺利转到JNI层对应的函数执行了。而JNI函数的注册实际上有两种方法,下面分别做介绍。

(1) 静态方法调用

我们从网上找到的与JNI有的关资料,一般都会介绍如何使用这种方法完成JNI函数的注册,这种方法就是根据函数名来找对应的JNI函数。这种方法需要Java的工具程序javah参与,整体流程如下:

  • 先编写Java代码,然后编译生成.class文件。
  • 使用Java的工具程序javah,如javah–o output packagename.classname ,这样它会生成一个叫output.h的JNI层头文件。其中packagename.classname是Java代码编译后的class文件,而在生成的output.h文件里,声明了对应的JNI层函数,只要实现里面的函数即可。

这个头文件的名字一般都会使用packagename_class.h的样式。

javah com.xio.HelloWorld

得到如下声明:

#include <jni.h>

#ifndef _Included_com_xio_HelloWorld
#define _Included_com_xio_HelloWorld
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

/*
* Class: com_xio_HelloWorld
* Method: printJNI
* Signature: (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
*/
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_xio_HelloWorld_print_ljni
(JNIEnv *, jobject, jstring);


#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

从上面代码中可以发现,printJNI的JNI层函数被声明成:

// Java层函数名中如果有一个”_”的话,转换成JNI后就变成了”_l”。	
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_xio_HelloWorld_print_ljni

需解释一下,静态方法中native函数是如何找到对应的JNI函数的。其实,过程非常简单:

  • 当Java层调用print_jni函数时,它会从对应的JNI库Java_com_xio_HelloWorld_print_ljni,如果没有,就会报错。如果找到,则会为这个print_jniJava_com_xio_HelloWorld_print_ljni建立一个关联关系,其实就是保存JNI层函数的函数指针。以后再调用print_jni函数时,直接使用这个函数指针就可以了,当然这项工作是由虚拟机完成的。

从这里可以看出,静态方法就是根据函数名来建立Java函数和JNI函数之间的关联关系的,它要求JNI层函数的名字必须遵循特定的格式。这种方法也有几个弊端,它们是:

  • 需要编译所有声明了native函数的Java类,每个生成的class文件都得用javah生成一个头文件。
  • javah生成的JNI层函数名特别长,书写起来很不方便。
  • 初次调用native函数时要根据函数名字搜索对应的JNI层函数来建立关联关系,这样会影响运行效率。

有什么办法可以克服上面三种弊端吗?根据上面的介绍,Java native函数是通过函数指针来和JNI层函数建立关联关系的。如果直接让native函数知道JNI层对应函数的函数指针,不就万事大吉了吗?这就是下面要介绍的第二种方法:动态注册法。

(2) 动态注册

既然Java native函数数和JNI函数是一一对应的,那么是不是会有一个结构来保存这种关联关系呢?答案是肯定的。在JNI技术中,用来记录这种一一对应关系的,是一个叫JNINativeMethod的结构,其定义如下:

typedef struct {
	constchar* name;    

    const char* signature;
	void*       fnPtr;
} JNINativeMethod;

// 第一个变量name是Java中函数的名字。
// 第二个变量signature,用字符串是描述了Java中函数的参数和返回值
// 第三个变量fnPtr是函数指针,指向native函数。前面都要接 (void *)

应该如何使用这个结构体呢?来看JNI层是如何做的,代码如下所示:

//定义一个JNINativeMethod数组,其成员就是MS中所有native函数的一一对应关系。

static JNINativeMethod gMethods[] = {

	// Java中native函数的函数名。
	"print_jni" 
	
	//print_jni的签名信息
	"()V",  
	 
	//JNI层对应函数指针。
	(void*)com_xio_HelloWorld_printJni 

};

int com_xio_printJni(JNIEnv*env) {
	
	//调用AndroidRuntime的registerNativeMethods函数	
	returnAndroidRuntime::registerNativeMethods(env,
               "com/xio/HelloWorld", gMethods, NELEM(gMethods));

}

AndroidRunTime类提供了一个registerNativeMethods函数来完成注册工作,下面看registerNativeMethods的实现,代码如下:

[-->AndroidRunTime.cpp]

int AndroidRuntime::registerNativeMethods(JNIEnv*env, constchar* className, const JNINativeMethod* gMethods, int numMethods) {

    //调用jniRegisterNativeMethods函数完成注册

    returnjniRegisterNativeMethods(env, className, gMethods, numMethods);
}

其中jniRegisterNativeMethods是Android平台中,为了方便JNI使用而提供的一个帮助函数,其代码如下所示:

[-->JNIHelp.c]

int jniRegisterNativeMethods(JNIEnv* env, constchar* className,                  constJNINativeMethod* gMethods, int numMethods) {
    jclassclazz;

    clazz= (*env)->FindClass(env, className);

	......

	//实际上是调用JNIEnv的RegisterNatives函数完成注册的

    if((*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods, numMethods) < 0) {
       return -1;
    }

    return0;

}

其实动态注册的工作,只用两个函数就能完成。总结如下:

jclass clazz =  (*env)->FindClass(env, className);

//调用JNIEnv的RegisterNatives函数,注册关联关系。

(*env)->RegisterNatives(env, clazz, gMethods,numMethods);

当Java层通过System.loadLibrary加载完JNI动态库后,紧接着会查找该库中一个叫JNI_OnLoad的函数,如果有,就调用它,而动态注册的工作就是在这里完成的。

所以,如果想使用动态注册方法,就必须要实现JNI_OnLoad函数,只有在这个函数中,才有机会完成动态注册的工作。静态注册则没有这个要求,可我建议读者也实现这个JNI_OnLoad函数,因为有一些初始化工作是可以在这里做的。

jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved) {

   //该函数的第一个参数类型为JavaVM,这可是虚拟机在JNI层的代表喔,每个Java进程只有一个

   JNIEnv* env = NULL;

    if(vm->GetEnv((void**) &env, JNI_VERSION_1_4) != JNI_OK) {
         goto bail;

    }
	assert(env != NULL);

    if (env->RegisterNatives(clazz, gMethods, sizeof(gMethods) / sizeof(gMethods[0])) < 0) {
		goto bail;
	}

	return JNI_VERSION_1_4;//必须返回这个值,否则会报错。
}

JNI函数注册的内容介绍完了。

注意:JNI层代码中一般要包含jni.h这个头文件。Android源码中提供了一个帮助头文件JNIHelp.h,它内部其实就包含了jni.h,所以我们在自己的代码中直接包含这个JNIHelp.h即可。

1.2.2 基本类型的转换

通过前面的分析,解决了JNI函数的注册问题。下面来研究数据类型转换的问题。在Java中调用native函数传递的参数是Java数据类型,那么这些参数类型到了JNI层会变成什么呢?

Java数据类型分为基本数据类型引用数据类型两种,JNI层也是区别对待这二者的。先来看基本数据类型的转换。

基本类型的转换很简单,可用表1表示:

表1  基本数据类型转换关系表

|Java |Native类型 |符号属性 |字长 |--| |boolean |jboolean |无符号 |8位 |byte |jbyte |无符号 |8位 |char |jchar |无符号 |16位 |short |jshort |有符号 |16位 |int |jint |有符号 |32位 |long |jlong |有符号 |64位 |float |jfloat |有符号 |32位 |double |jdouble |有符号 |64位

上面列出了Java基本数据类型和JNI层数据类型对应的转换关系,非常简单。不过,应务必注意,转换成Native类型后对应数据类型的字长,例如jchar在Native语言中是16位,占两个字节,这和普通的char占一个字节的情况完全不一样。

接下来看Java引用数据类型的转换,引用数据类型的转换如表2-2所示:

表2-2  Java引用数据类型转换关系表

|Java引用类型 |Native类型 |Java引用类型 |Native类型 |--| |All objects |jobject |char[] |jcharArray |java.lang.Class实例 |jclass |short[] |jshortArray |java.lang.String实例|jstring |int[] |jintArray |Object[] |jobjectArray |long[] |jlongArray |boolean[] |jbooleanArray |float[] |floatArray |byte[] |jbyteArray |double[] |jdoubleArray |java.lang.Throwable实例|jthrowable

由上表可知:除了Java中基本数据类型的数组、Class、String和Throwable外,其余所有Java对象的数据类型在JNI中都用jobject表示。这一点太让人惊讶了!

1.2.3 JNIEnv介绍

JNIEnv是一个和线程相关的,代表JNI环境的结构体,如图展示了JNIEnv的内部结构:

JNIEnv内部结构简图

从上图可知,JNIEnv实际上就是提供了一些JNI系统函数。通过这些函数可以做到:

  • 调用Java的函数。
  • 操作jobject对象等很多事情。

这里,先介绍一个关于JNIEnv的重要知识点。

上面提到说JNIEnv,是一个和线程有关的变量。也就是说,线程A有一个JNIEnv,线程B有一个JNIEnv。由于线程相关,所以不能在线程B中使用线程A的JNIEnv结构体。读者可能会问,JNIEnv不都是native函数转换成JNI层函数后由虚拟机传进来的吗?使用传进来的这个JNIEnv总不会错吧?是的,在这种情况下使用当然不会出错。不过当后台线程收到一个网络消息,而又需要由Native层函数主动回调Java层函数时,JNIEnv是从何而来呢?根据前面的介绍可知,我们不能保存另外一个线程的JNIEnv结构体,然后把它放到后台线程中来用。这该如何是好?

还记得前面介绍的那个JNI_OnLoad函数吗?它的第一个参数是JavaVM,它是虚拟机在JNI层的代表,代码如下所示:

//全进程只有一个JavaVM对象,所以可以保存,任何地方使用都没有问题。
jint JNI_OnLoad(JavaVM* vm, void* reserved)

正如上面代码所说,不论进程中有多少个线程,JavaVM却是独此一份,所以在任何地方都可以使用它。那么,JavaVM和JNIEnv又有什么关系呢?答案如下:

  • 调用JavaVM的AttachCurrentThread函数,就可得到这个线程的JNIEnv结构体。这样就可以在后台线程中回调Java函数了。
  • 另外,后台线程退出前,需要调用JavaVM的DetachCurrentThread函数来释放对应的资源。

再来看JNIEnv的作用。

1.2.4 通过JNIEnv操作jobject

前面提到过一个问题,即Java的引用类型除了少数几个外,最终在JNI层都用jobject来表示对象的数据类型,那么该如何操作这个jobject呢?

从另外一个角度来解释这个问题。一个Java对象是由什么组成的?当然是它的成员变量和成员函数了。那么,操作jobject的本质就应当是操作这些对象的成员变量和成员函数。所以应先来看与成员变量及成员函数有关的内容。

(1) jfieldID 和jmethodID的介绍

我们知道,成员变量和成员函数是由类定义的,它是类的属性,所以在JNI规则中,用jfieldID和jmethodID来表示Java类的成员变量和成员函数,它们通过JNIEnv的下面两个函数可以得到:

jfieldID GetFieldID(jclass clazz,const char*name, const char *sig);

jmethodID GetMethodID(jclass clazz, const char*name,const char *sig);

其中,jclass代表Java类,name表示成员函数或成员变量的名字,sig为这个函数和变量的签名信息。如前所示,成员函数和成员变量都是类的信息,这两个函数的第一个参数都是jclass。

在上面代码中,将scanFile和handleStringTag函数的jmethodID保存为MyMediaScannerClient的成员变量。为什么这里要把它们保存起来呢?这个问题涉及一个事关程序运行效率的知识点:

· 如果每次操作jobject前都去查询jmethoID或jfieldID的话将会影响程序运行的效率。所以我们在初始化的时候,就可以取出这些ID并保存起来以供后续使用。

取出jmethodID后,又该怎么用它呢?

(2) 使用jfieldID和jmethodID

通过JNIEnv输出的CallVoidMethod,再把jobject、jMethodID和对应参数传进去,JNI层就能够调用Java对象的函数了!

实际上JNIEnv输出了一系列类似CallVoidMethod的函数,形式如下:

NativeType Call<type>Method(JNIEnv *env,jobject obj,jmethodID methodID, ...)

其中type是对应Java函数的返回值类型,例如CallIntMethod、CallVoidMethod等。

上面是针对非static函数的,如果想调用Java中的static函数,则用JNIEnv输出的CallStatic<Type>Method系列函数。

现在,我们已了解了如何通过JNIEnv操作jobject的成员函数,那么怎么通过jfieldID操作jobject的成员变量呢?这里,直接给出整体解决方案,如下所示:

//获得fieldID后,可调用Get<type>Field系列函数获取jobject对应成员变量的值。

NativeType Get<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID)

//或者调用Set<type>Field系列函数来设置jobject对应成员变量的值。

void Set<type>Field(JNIEnv *env,jobject obj,jfieldID fieldID,NativeType value)

下面我们列出一些参加的Get/Set函数

|Get |Set| |--| |GetObjectField() |SetObjectField()| |GetBooleanField() |SetBooleanField()| |GetByteField() |SetByteField()| |GetCharField() |SetCharField()| |GetShortField() |SetShortField()| |GetIntField() |SetIntField()| |GetLongField() |SetLongField()| |GetFloatField() |SetFloatField()| |GetDoubleField() |SetDoubleField()|

通过本节的介绍,相信读者已了解jfieldIDjmethodID的作用,也知道如何通过JNIEnv的函数来操作jobject了。虽然jobject是透明的,但有了JNIEnv的帮助,还是能轻松操作jobject背后的实际对象了。

1.2.5 jstring介绍

Java中的String也是引用类型,不过由于它的使用非常频繁,所以在JNI规范中单独创建了一个jstring类型来表示Java中的String类型。虽然jstring是一种独立的数据类型,但是它并没有提供成员函数供操作。相比而言,C++中的string类就有自己的成员函数了。那么该怎么操作jstring呢?还是得依靠JNIEnv提供的帮助。这里看几个有关jstring的函数:

  • 调用JNIEnv的NewString(JNIEnv env, const jcharunicodeChars,jsize len),可以从Native的字符串得到一个jstring对象。其实,可以把一个jstring对象看成是Java中String对象在JNI层的代表,也就是说,jstring就是一个Java String。但由于Java String存储的是Unicode字符串,所以NewString函数的参数也必须是Unicode字符串。

  • 调用JNIEnv的NewStringUTF将根据Native的一个UTF-8字符串得到一个jstring对象。在实际工作中,这个函数用得最多。

  • 上面两个函数将本地字符串转换成了Java的String对象,JNIEnv还提供了GetStringChars和GetStringUTFChars函数,它们可以将Java String对象转换成本地字符串。其中GetStringChars得到一个Unicode字符串,而GetStringUTFChars得到一个UTF-8字符串。

  • 另外,如果在代码中调用了上面几个函数,在做完相关工作后,就都需要调用ReleaseStringChars或ReleaseStringUTFChars函数对应地释放资源,否则会导致JVM内存泄露。这一点和jstring的内部实现有关系,读者写代码时务必注意这个问题。

1.2.6 JNI类型签名的介绍

先来看动态注册中的一段代码:

static JNINativeMethod gMethods[] = {

	// Java中native函数的函数名。
	"print_jni" 
	
	//print_jni的签名信息
	"()V",  
	 
	//JNI层对应函数指针。
	(void*)com_xio_HelloWorld_printJni 

};

上面代码中的JNINativeMethod已经见过了,不过其中那个字符串"()V",根据前面的介绍可知,它是Java中对应函数的签名信息,由参数类型和返回值类型共同组成。不过为什么需要这个签名信息呢?

  • 这个问题的答案比较简单。因为Java支持函数重载,也就是说,可以定义同名但不同参数的函数。但仅仅根据函数名,是没法找到具体函数的。为了解决这个问题,JNI技术中就使用了参数类型和返回值类型的组合,作为一个函数的签名信息,有了签名信息和函数名,就能很顺利地找到Java中的函数了。

JNI规范定义的函数签名信息看起来很别扭,不过习惯就好了。它的格式是:

(参数1类型标示参数2类型标示...参数n类型标示)返回值类型标示。

当参数的类型是引用类型时,其格式是”L包名;”,其中包名中的”.”换成”/”。上面例子中的

Ljava/lang/String;表示是一个Java String类型。

函数签名不仅看起来麻烦,写起来更麻烦,稍微写错一个标点就会导致注册失败。所以,在具体编码时,读者可以定义字符串宏,这样改起来也方便。

表1  类型标示示意表

|类型标示 |Java类型 |类型标示 |Java类型| |--| |Z |boolean |F |float| |B |byte |D |double| |C |char |L/java/langaugeString; |String| |S |short |[I |int[]| |I |int |[L/java/lang/object; |Object[]| |J |long

上面列出了一些常用的类型标示。请读者注意,如果Java类型是数组,则标示中会有一个“[”,另外,引用类型(除基本类型的数组外)的标示最后都有一个“;”。

再来看一些小例子,如表2所示:

表2 函数签名小例子

|函数签名 |Java函数 | |--| |“()Ljava/lang/String;” |String f() | |“(ILjava/lang/Class;)J”|long f(int i, Class c)| |“([B)V” |void f(byte[] bytes)|

虽然函数签名信息很容易写错,但Java提供一个叫javap的工具能帮助生成函数或变量的签名信息,它的用法如下:

javap –s -p xxx。其中xxx为编译后的class文件,s表示输出内部数据类型的签名信息,p表示打印所有函数和成员的签名信息,而默认只会打印public成员和函数的签名信息。

有了javap,就不用死记硬背上面的类型标示了。

1.2.7 垃圾回收

我们知道,Java中创建的对象最后是由垃圾回收器来回收和释放内存的,可它对JNI有什么影响呢?下面看一个例子:

[-->垃圾回收例子]

static jobject save_thiz = NULL; //定义一个全局的jobject

static void com_xio_HelloWorld_print_jni(JNIEnv*env, jobject thiz, jstring path,
 jstringmimeType, jobject client) {

//保存Java层传入的jobject对象,代表MediaScanner对象

save_thiz = thiz;

return;

}

//假设在某个时间,有地方调用callMediaScanner函数

void function1()	{

  //在这个函数中操作save_thiz,会有问题吗?

}

上面的做法肯定会有问题,因为和save_thiz对应的Java层中的对象很有可能已经被垃圾回收了,也就是说,save_thiz保存的这个jobject可能是一个野指针,如使用它,后果会很严重。

可能有人要问,将一个引用类型进行赋值操作,它的引用计数不会增加吗?而垃圾回收机制只会保证那些没有被引用的对象才会被清理。问得对,但如果在JNI层使用下面这样的语句,是不会增加引用计数的。

save_thiz = thiz; //这种赋值不会增加jobject的引用计数。

那该怎么办?不必担心,JNI规范已很好地解决了这一问题,JNI技术一共提供了三种类型的引用,它们分别是:

  • Local Reference:本地引用。在JNI层函数中使用的非全局引用对象都是Local Reference。它包括函数调用时传入的jobject、在JNI层函数中创建的jobject。LocalReference最大的特点就是,一旦JNI层函数返回,这些jobject就可能被垃圾回收。

  • Global Reference:全局引用,这种对象如不主动释放,就永远不会被垃圾回收。

  • Weak Global Reference:弱全局引用,一种特殊的GlobalReference,在运行过程中可能会被垃圾回收。所以在程序中使用它之前,需要调用JNIEnv的IsSameObject判断它是不是被回收了。

平时用得最多的是Local Reference和Global Reference,下面看一个实例,代码如下所示:

xxClient(JNIEnv *env, jobjectclient)
	:mEnv(env),
	
	//调用NewGlobalRef创建一个GlobalReference,这样mClient就不用担心被回收了。

	mClient(env->NewGlobalRef(client)) {


}

//析构函数

virtual ~MyMediaScannerClient() {

	mEnv->DeleteGlobalRef(mClient);//调用DeleteGlobalRef释放这个全局引用。
 }

每当JNI层想要保存Java层中的某个对象时,就可以使用Global Reference,使用完后记住释放它就可以了。

因为Local Reference得回收并非是及时的,如果没有及时回收的Local Reference或许是进程占用过多的一个原因,请务必注意这一点。

1.2.8 JNI中的异常处理

JNI中也有异常,不过它和C++、Java的异常不太一样。当调用JNIEnv的某些函数出错后,会产生一个异常,但这个异常不会中断本地函数的执行,直到从JNI层返回到Java层后,虚拟机才会抛出这个异常。虽然在JNI层中产生的异常不会中断本地函数的运行,但一旦产生异常后,就只能做一些资源清理工作了(例如释放全局引用,或者ReleaseStringChars)。如果这时调用除上面所说函数之外的其他JNIEnv函数,则会导致程序死掉。

JNI层函数可以在代码中截获和修改这些异常,JNIEnv提供了三个函数进行帮助:

  • ExceptionOccured函数,用来判断是否发生异常。

  • ExceptionClear函数,用来清理当前JNI层中发生的异常。

  • ThrowNew函数,用来向Java层抛出异常。

异常处理是JNI层代码必须关注的事情,读者在编写代码时务小心对待。

1.4 本章小结

本章通过一个实例介绍了JNI技术中的几个重要方面,包括:

  • java层桥接JNI函数注册的方法。

  • Native如何与JNI建立联系

  • Java和JNI层数据类型的转换。

  • JNIEnv和jstring的使用方法,以及JNI中的类型签名。

  • 最后介绍了垃圾回收在JNI层中的使用,以及异常处理方面的知识。

##参考文献

《深入理解Android卷I》

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小米墨客
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引用来自“王岳勇蜀黍”的评论

好深、运用在哪里?比如界面?还是?
在android应用编写中经常会用到各种so库,so库和java层代码对接桥梁-jni。
王岳勇蜀黍
好深、运用在哪里?比如界面?还是?
xiaolei123
xiaolei123
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