JNI的替代者—使用JNA访问Java外部功能接口

1. JNA简单介绍

先说JNI(Java Native Interface)吧，有过不同语言间通信经历的一般都知道，它允许Java代码和其他语言（尤其C/C++）写的代码进行交互，只要遵守调用约定即可。首先看下JNI调用C/C++的过程，注意写程序时自下而上，调用时自上而下。

 

可 见步骤非常的多，很麻烦，使用JNI调用.dll/.so共享库都能体会到这个痛苦的过程。如果已有一个编译好的.dll/.so文件，如果使用JNI技 术调用，我们首先需要使用C语言另外写一个.dll/.so共享库，使用SUN规定的数据结构替代C语言的数据结构，调用已有的 dll/so中公布的函 数。然后再在Java中载入这个库dll/so，最后编写Java  native函数作为链接库中函数的代理。经过这些繁琐的步骤才能在Java中调用 本地代码。因此，很少有Java程序员愿意编写调用dll/.so库中原生函数的java程序。这也使Java语言在客户端上乏善可陈，可以说JNI是 Java的一大弱点！

那么JNA是什么呢？

JNA(Java Native Access)是一个开源的Java框架，是Sun公司推出的一种调用本地方法的技术，是建立在经典的JNI基础之上的一个框架。之所以说它是JNI的替 代者，是因为JNA大大简化了调用本地方法的过程，使用很方便，基本上不需要脱离Java环境就可以完成。

如果要和上图做个比较，那么JNA调用C/C++的过程大致如下：

可以看到步骤减少了很多，最重要的是我们不需要重写我们的动态链接库文件，而是有直接调用的API，大大简化了我们的工作量。

JNA只需要我们写Java代码而不用写JNI或本地代码。功能相对于Windows的Platform/Invoke和Python的ctypes。

 

2. JNA技术原理

JNA使用一个小型的JNI库插桩程序来动态调用本地代码。开发者使用Java接口描述目标本地库的功能和结构，这使得它很容易利用本机平台的功能，而不会产生多平台配置和生成JNI代码的高开销。这样的性能、准确性和易用性显然受到很大的重视。

此外，JNA包括一个已与许多本地函数映射的平台库，以及一组简化本地访问的公用接口。

 

注意：

JNA是建立在JNI技术基础之上的一个Java类库，它使您可以方便地使用java直接访问动态链接库中的函数。

原来使用JNI，你必须手工用C写一个动态链接库，在C语言中映射Java的数据类型。

JNA中，它提供了一个动态的C语言编写的转发器，可以自动实现Java和C的数据类型映射，你不再需要编写C动态链接库。

也许这也意味着，使用JNA技术比使用JNI技术调用动态链接库会有些微的性能损失。但总体影响不大，因为JNA也避免了JNI的一些平台配置的开销。

 

3. JNA简单使用

JNA的项目已迁移至Github，目前最新版本是4.1.0，已有打包好的jar文件可供下载。

JNA把一个.dll/.so文件看做是一个Java接口，下面以一个简单的实例来说明怎么使用。

当然要从最经典的HelloWorld开始，我们调用C的printf函数打印出“HelloWorld”（官方的例子），前提是已将jar包加入你的classpath。

package com.sun.jna.examples;

import com.sun.jna.Library;
import com.sun.jna.Native;
import com.sun.jna.Platform;

/** Simple example of JNA interface mapping and usage. */
public class HelloWorld {

    // This is the standard, stable way of mapping, which supports extensive
    // customization and mapping of Java to native types.

    public interface CLibrary extends Library {
        CLibrary INSTANCE = (CLibrary)
            Native.loadLibrary((Platform.isWindows() ? "msvcrt" : "c"),
                               CLibrary.class);

        void printf(String format, Object... args);
    }

    public static void main(String[] args) {
        CLibrary.INSTANCE.printf("Hello, World\n");
        for (int i=0;i < args.length;i++) {
            CLibrary.INSTANCE.printf("Argument %d: %s\n", i, args[i]);
        }
    }
}

运行程序，如果没有带参数则只打印出“Hello, World”，如果带了参数，则会打印出所有的参数。

很简单，不需要写一行C代码，就可以直接在Java中调用外部动态链接库中的函数！

 

下面来解释下这个程序。

（1）需要定义一个接口，继承自Library 或StdCallLibrary

默认的是继承Library ，如果动态链接库里的函数是以stdcall方式输出的，那么就继承StdCallLibrary，比如众所周知的kernel32库。比如上例中的接口定义：

public interface CLibrary extends Library {

}

 

（2）接口内部定义

接口内部需要一个公共静态常量：INSTANCE，通过这个常量，就可以获得这个接口的实例，从而使用接口的方法，也就是调用外部dll/so的函数。

该常量通过Native.loadLibrary()这个API函数获得，该函数有2个参数：

• 第 一个参数是动态链接库dll/so的名称，但不带.dll或.so这样的后缀，这符合JNI的规范，因为带了后缀名就不可以跨操作系统平台了。搜索动态链 接库路径的顺序是：先从当前类的当前文件夹找，如果没有找到，再在工程当前文件夹下面找win32/win64文件夹，找到后搜索对应的dll文件，如果 找不到再到WINDOWS下面去搜索，再找不到就会抛异常了。比如上例中printf函数在Windows平台下所在的dll库名称是msvcrt，而在 其它平台如Linux下的so库名称是c。
• 第二个参数是本接口的Class类型。JNA通过这个Class类型，根据指定的.dll/.so文件，动态创建接口的实例。该实例由JNA通过反射自动生成。

CLibrary INSTANCE = (CLibrary)
            Native.loadLibrary((Platform.isWindows() ? "msvcrt" : "c"),
                               CLibrary.class);

接口中只需要定义你要用到的函数或者公共变量，不需要的可以不定义，如上例只定义printf函数：

void printf(String format, Object... args);

注意参数和返回值的类型，应该和链接库中的函数类型保持一致。

 

（3）调用链接库中的函数

定义好接口后，就可以使用接口中的函数即相应dll/so中的函数了，前面说过调用方法就是通过接口中的实例进行调用，非常简单，如上例中：

 

CLibrary.INSTANCE.printf("Hello, World\n");
        for (int i=0;i < args.length;i++) {
            CLibrary.INSTANCE.printf("Argument %d: %s\n", i, args[i]);
        }

 

 

 

这就是JNA使用的简单例子，可能有人认为这个例子太简单了，因为使用的是系统自带的动态链接库，应该还给出一个自己实现的库函数例子。其实我觉得这个完全没有必要，这也是JNA的方便之处，不像JNI使用用户自定义库时还得定义一大堆配置信息，对于JNA来说，使用用户自定义库与使用系统自带的库是完全一样的方法，不需要额外配置什么信息。比如我在Windows下建立一个动态库程序：

#include "stdafx.h"

extern "C"_declspec(dllexport) int add(int a, int b);

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

然后编译成一个dll文件（比如CDLL.dll），放到当前目录下，然后编写JNA程序调用即可：

public class DllTest {

    public interface CLibrary extends Library {
        CLibrary INSTANCE = (CLibrary)Native.loadLibrary("CDLL", CLibrary.class);

        int add(int a, int b);
    }

    public static void main(String[] args) {
        int sum = CLibrary.INSTANCE.add(3, 6);

        System.out.println(sum);
    }
}

 

4. JNA技术难点

有过跨语言、跨平台开发的程序员都知道，跨平台、语言调用的难点，就是不同语言之间数据类型不一致造成的问题。绝大部分跨平台调用的失败，都是这个问题造成的。关于这一点，不论何种语言，何种技术方案，都无法解决这个问题。JNA也不例外。

上面说到接口中使用的函数必须与链接库中的函数原型保持一致，这是JNA甚至所有跨平台调用的难点，因为C/C++的类型与Java的类型是不一样的，你必须转换类型让它们保持一致，比如printf函数在C中的原型为：

void printf(const char *format, [argument]);

你不可能在Java中也这么写，Java中是没有char *指针类型的，因此const char *转到Java下就是String类型了。

这就是类型映射（Type Mappings），JNA官方给出的默认类型映射表如下：

还有很多其它的类型映射，需要的请到JNA官网查看。

另外，JNA还支持类型映射定制，比如有的Java中可能找不到对应的类型（在Windows API中可能会有很多类型，在Java中找不到其对应的类型），JNA中TypeMapper类和相关的接口就提供了这样的功能。

 

5. JNA能完全替代JNI吗？

这可能是大家比较关心的问题，但是遗憾的是，JNA是不能完全替代JNI的，因为有些需求还是必须求助于JNI。

使用JNI技术，不仅可以实现Java访问C函数，也可以实现C语言调用Java代码。

而JNA只能实现Java访问C函数，作为一个Java框架，自然不能实现C语言调用Java代码。此时，你还是需要使用JNI技术。

JNI是JNA的基础，是Java和C互操作的技术基础。有时候，你必须回归到基础上来。

 

6.  参考文献

（1）JNA—JNI终结者

（2）C++DLL编程详解