java高级用法之:JNA中的Memory和Pointer
简介
我们知道在native的代码中有很多指针，这些指针在JNA中被映射成为Pointer。除了Pointer之外，JNA还提供了更加强大的Memory类，本文将会一起探讨JNA中的Pointer和Memory的使用。
Pointer
Pointer是JNA中引入的类，用来表示native方法中的指针。大家回想一下native方法中的指针到底是什么呢？
native方法中的指针实际上就是一个地址，这个地址就是真正对象的内存地址。所以在Pointer中定义了一个peer属性，用来存储真正对象的内存地址：
protected long peer;
实时上，Pointer的构造函数就需要传入这个peer参数：
public Pointer(long peer) {
this.peer = peer;
}
接下来我们看一下如何从Pointer中取出一个真正的对象，这里以byte数组为例：
public void read(long offset, byte[] buf, int index, int length) {
Native.read(this, this.peer, offset, buf, index, length);
}
实际上这个方法调用了Native.read方法，我们继续看一下这个read方法：
static native void read(Pointer pointer, long baseaddr, long offset, byte[] buf, int index, int length);
可以看到它是一个真正的native方法，用来读取一个指针对象。
除了Byte数组之外，Pointer还提供了很多其他类型的读取方法。
又读取就有写入，我们再看下Pointer是怎么写入数据的：
public void write(long offset, byte[] buf, int index, int length) {
Native.write(this, this.peer, offset, buf, index, length);
}
同样的，还是调用 Native.write方法来写入数据。
这里Native.write方法也是一个native方法：
static native void write(Pointer pointer, long baseaddr, long offset, byte[] buf, int index, int length);
Pointer还提供了很多其他类型数据的写入方法。
当然还有更加直接的get*方法：
public byte getByte(long offset) {
return Native.getByte(this, this.peer, offset);
}
特殊的Pointer:Opaque
在Pointer中，还有两个createConstant方法，用来创建不可读也不可写的Pointer：
public static final Pointer createConstant(long peer) {
return new Opaque(peer);
}
public static final Pointer createConstant(int peer) {
return new Opaque((long)peer & 0xFFFFFFFF);
}
实际上返回的而是Opaque类，这个类继承自Pointer，但是它里面的所有read或者write方法，都会抛出UnsupportedOperationException：
private static class Opaque extends Pointer {
private Opaque(long peer) { super(peer); }
@Override
public Pointer share(long offset, long size) {
throw new UnsupportedOperationException(MSG);
}
Memory
Pointer是基本的指针映射，如果对于通过使用native的malloc方法分配的内存空间而言，除了Pointer指针的开始位置之外，我们还需要知道分配的空间大小。所以一个简单的Pointer是不够用了。
这种情况下，我们就需要使用Memory。
Memory是一种特殊的Pointer, 它保存了分配出来的空间大小。我们来看一下Memory的定义和它里面包含的属性：
public class Memory extends Pointer {
...
private static ReferenceQueue<Memory> QUEUE = new ReferenceQueue<Memory>();
private static LinkedReference HEAD; // the head of the doubly linked list used for instance tracking
private static final WeakMemoryHolder buffers = new WeakMemoryHolder();
private final LinkedReference reference; // used to track the instance
protected long size; // Size of the malloc'ed space
...
}
Memory里面定义了5个数据，我们接下来一一进行介绍。
首先是最为重要的size，size表示的是Memory中内存空间的大小，我们来看下Memory的构造函数：
public Memory(long size) {
this.size = size;
if (size <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("Allocation size must be greater than zero");
}
peer = malloc(size);
if (peer == 0)
throw new OutOfMemoryError("Cannot allocate " + size + " bytes");
reference = LinkedReference.track(this);
}
可以看到Memory类型的数据需要传入一个size参数，表示Memory占用的空间大小。当然，这个size必须要大于0.
然后调用native方法的malloc方法来分配一个内存空间，返回的peer保存的是内存空间的开始地址。如果peer==0，表示分配失败。
如果分配成功，则将当前Memory保存到LinkedReference中，用来跟踪当前的位置。
我们可以看到Memory中有两个LinkedReference，一个是HEAD，一个是reference。
LinkedReference本身是一个WeakReference，weekReference引用的对象只要垃圾回收执行，就会被回收，而不管是否内存不足。
private static class LinkedReference extends WeakReference<Memory>
我们看一下LinkedReference的构造函数：
private LinkedReference(Memory referent) {
super(referent, QUEUE);
}
这个QUEUE是ReferenceQueue，表示的是GC待回收的对象列表。
我们看到Memory的构造函数除了设置size之外，还调用了：
reference = LinkedReference.track(this);
仔细看LinkedReference.track方法：
static LinkedReference track(Memory instance) {
// use a different lock here to allow the finialzier to unlink elements too
synchronized (QUEUE) {
LinkedReference stale;
// handle stale references here to avoid GC overheating when memory is limited
while ((stale = (LinkedReference) QUEUE.poll()) != null) {
stale.unlink();
}
}
// keep object allocation outside the syncronized block
LinkedReference entry = new LinkedReference(instance);
synchronized (LinkedReference.class) {
if (HEAD != null) {
entry.next = HEAD;
HEAD = HEAD.prev = entry;
} else {
HEAD = entry;
}
}
return entry;
}
这个方法的意思是首先从QUEUE中拿出那些准备被垃圾回收的Memory对象，然后将其从LinkedReference中unlink。 最后将新创建的对象加入到LinkedReference中。
因为Memory中的QUEUE和HEAD都是类变量，所以这个LinkedReference保存的是JVM中所有的Memory对象。
最后Memory中也提供了对应的read和write方法，但是Memory中的方法和Pointer不同，Memory中的方法多了一个boundsCheck,如下所示：
public void read(long bOff, byte[] buf, int index, int length) {
boundsCheck(bOff, length * 1L);
super.read(bOff, buf, index, length);
}
public void write(long bOff, byte[] buf, int index, int length) {
boundsCheck(bOff, length * 1L);
super.write(bOff, buf, index, length);
}
为什么会有boundsCheck呢？这是因为Memory和Pointer不同，Memory中有一个size的属性，用来存储分配的内存大小。使用boundsCheck就是来判断访问的地址是否出界，用来保证程序的安全。
总结
Pointer和Memory算是JNA中的高级功能，大家如果想要和native的alloc方法进行映射的话，就要考虑使用了。
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