Java筑基 - JNI到底是个啥

在前面介绍Unsafe的文章中,简单的提到了java中的本地方法(Native Method),它可以通过JNI(Java Native Interface)调用其他语言中的函数来实现一些相对底层的功能,本文我们就来顺藤摸瓜,介绍一下jni以及它的使用。

首先回顾一下jni的主要功能,从jdk1.1开始jni标准就成为了java平台的一部分,它提供的一系列的API允许java和其他语言进行交互,实现了在java代码中调用其他语言的函数。通过jni的调用,能够实现这些功能:

通常情况下我们一般使用jni用来调用c或c++中的代码,在上一篇文章中我们用了下面的流程来描述了native方法的调用过程:

Java Code -> JNI -> C/C++ Code

但是准确的来说这一过程并不严谨,因为最终被执行的不是原始的c/c++代码,而是被编译连接后的动态链接库。因此我们将这个过程从单纯的代码调用层面上进行升级,将jni的调用过程提高到了jvm和操作系统的层面,来加点细节进行一下完善:

看到这里,可能有的小伙伴就要提出疑问了,不是说java语言是跨平台的吗,这种与操作系统本地编译的动态链接库进行的交互,会不会使java失去跨平台的可移植性?

针对这一问题,大家可以回想一下以前安装jdk的经历,在官网的下载列表中提供了各个操作系统的不同版本jdk,例如windowslinuxmac os版本等等,在这些jdk中,针对不同系统有着不同的jvm实现。而java语言的跨平台性恰好是和它底层的jvm密不可分的,正是依靠不同的操作系统下不同版本jvm的“翻译”工作,才能使编译后的字节码在不同的平台下畅通无阻的运行。

在不同操作系统下,c/c++或其他代码生成的动态链接库也会有差异,例如在window平台下会编译为dll文件,在linux平台下会编译为so文件,在mac os下会编译为jnilib文件。而不同平台下的jvm,会“约定俗成”的去加载某个固定类型的动态链接库文件,使得依赖于操作系统的功能可以被正常的调用,这一过程可以参考下面的图来进行理解:

在对jni的整体调用流程有了一定的了解后,对于它如何调用其他语言中的函数这一过程,你是否也会好奇它是怎样实现的,下面我们就通过手写一个java程序调用c++代码的例子,来理解它的调用过程。

1、准备java代码

首先定义一个包含了native方法的类如下,之后我们要使用这个类中的native方法通过jni调用c++编写成的动态链接库中的方法:

public class JniTest {
    static{
        System.loadLibrary("MyNativeDll");
    }

    public static native void callCppMethod();

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("DLL path:"+System.getProperty("java.library.path"));
        callCppMethod();
    }
}

在代码中主要完成了以下工作:

  • 在静态代码块中,调用loadLibrary方法加载本地的动态链接库,参数为不包含扩展名的动态链接库库文件名。在window平台下会加载dll文件,在linux平台下会加载so文件,在mac os下会加载jnilib文件
  • 声明了一个native方法,native关键字负责通知jvm这里调用方法的是本地方法,该方法在外部被定义
  • main方法中,打印加载dll文件的路径,并调用本地方法

2、生成头文件

在使用c/c++来实现本地方法时,需要先创建.h头文件。简单的来说,c/c++程序通常由头文件(.h)和定义文件(.c.cpp)组成,头文件包含了功能函数、数据接口的声明,而定义文件用于书写程序的实现。

在jdk8中可以直接使用javac -h指令生成c/c++语言中的头文件。如果你使用的是较早版本的jdk,需要在执行javac编译完成class文件后,再执行javah -jni生成c/c++风格的头文件(在jdk10的新特性中已经删除了javah这一指令)。我们使用的jdk8简化了这一步骤,使其可以一步完成,在命令行窗口下执行命令:

javac -h ./jni JniTest.java

指令中使用 -h参数指定放置生成的头文件的位置,最后的参数是java源文件的名称。在这个过程中完成了两件工作,首先生成class文件,其次在参数指定的目录下生成头文件。生成的头文件com_cn_jni_JniTest.h内容如下:

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_cn_jni_JniTest */

#ifndef _Included_com_cn_jni_JniTest
#define _Included_com_cn_jni_JniTest
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_cn_jni_JniTest
 * Method:    callCppMethod
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_cn_jni_JniTest_callCppMethod
  (JNIEnv *, jclass);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

生成的头文件和大家熟悉的 java接口有些相似,只有函数的声明而没有具体实现。简单的解释一下头文件中的代码:

  • extern "C"告诉编译器,这部分代码使用C语言规则来进行编译
  • JNIEXPORTJNICALLjni中定义的两个宏,使用JNIEXPORT支持在外部程序代码中调用该动态库中的方法,使用JNICALL定义函数调用时参数的入栈出栈约定
  • 函数名称由包名+类名+方法名组成,在该方法中有两个参数,通过第一个参数JNIEnv *的对象可以调用jni.h中封装好的大量函数 ,第二个参数代表着native方法的调用者,当java代码中定义的native方法是静态方法时这里的参数是jclass,非静态方法的参数是jobject

接下来我们创建一个cpp文件,引用头文件并实现其中的函数,也就是native方法将要实际执行的逻辑:

#include "com_cn_jni_JniTest.h"
#include <stdio.h>
 
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_cn_jni_JniTest_callCppMethod
  (JNIEnv *, jclass)
{
    printf("Print From Cpp: \n");
    printf("I am a cpp method ! \n");
}

在方法的实现中加入简单的printf打印语句,在完成方法的实现后,我们需要将上面的cpp文件编译为动态链接库,提供给java中的native方法调用,因此下面需要在window环境下安装gcc环境。

3、gcc环境安装

在window环境下,如果你不希望为了生成一个dll就去下载体积庞大的的Visual Studio的话,MinGW是一个不错的选择,简单的说它就是一个windows版本下的gcc。那么估计有的同学又要问了,gcc是什么?简单的来说就是linux系统下C/C++的编译器,通过它可以将源代码编译成可执行程序。首先从下面的网址下载mingw-get-setup的安装程序:

http://sourceforge.net/projects/mingw/  #32位
https://sourceforge.net/projects/mingw-w64/  #64位

需要注意,一定要按照系统位数安装对应的版本,否则后面生成的dll在运行时就可能会因位数不匹配而报错,我在实验的过程中第一次就错误安装了32位的MinGw,导致了在程序运行过程中报了下面错误:

Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: 
F:\Workspace20\unsafe-test\src\main\java\com\cn\jni\jni\MyNativeDll.dll: 
Can't load IA 32-bit .dll on a AMD 64-bit platform

安装完成后,将MinGW\bin目录加入系统环境变量PATH,输入下面的指令测试gcc是否可以使用:

gcc -v

如果能够正常输出gcc的版本信息,说明gcc安装成功:

在测试的过程中发现,如果安装的是64位的mingw,那么在安装完成后gcc就已经直接可以可用。但是如果安装的是32位的mingw,需要使用下面的命令单独安装gcc

mingw-get install gcc

gcc安装完成后,如果还想安装gdbmake等其他指令进行调试或编译,同样可以使用强大的mingw-get命令进行独立安装。

4、生成动态链接库

gcc环境准备好的条件下,接下来使用下面的命令生成dll动态链接库:

gcc -m64 -Wl,--add-stdcall-alias -I"D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\include" 
-I"D:\Program Files\Java\jdk1.8.0_261\include\win32" 
-shared -o MyNativeDll.dll JniTestImpl.cpp

简单的解释一下各个参数的含义:

  • -m64 :将cpp代码编译为64位的应用程序
  • -Wl,--add-stdcall-alias-Wl表示将后面的参数传递给连接程序,参数--add-stdcall-alias表示带有标准调用后缀@NN的符号会被剥掉后缀后导出
  • -I:指定头文件的路径,在生成的头文件代码中引入的jni.h就在这个目录下
  • -shared:指定生成动态链接库,如果不使用这个标志那么外部程序将无法连接
  • -o:指定目标的名称,这里将生成的动态链接库命名为MyNativeDll.dll
  • JniTestImpl.cpp:被编译的源程序文件名

在指令的执行过程中,都做了什么事呢,可以参考下面这张图:

在执行过程中,以.cpp源代码和.h头文件作为源文件,先进行了预处理、编译、汇编的操作,图中省略了这一阶段产生的一些中间文件,编译完成后生成的.o二进制文件相对重要,依赖这个文件,最终生成动态链接库。

在执行了上面的指令后,就会在当前目录下生成一个MyNativeDll.dll文件,再运行之前准备好的java代码:

程序报错,这是因为在默认的载入库文件的目录下没有找到我们的dll文件。有两种方式可以解决:

  • 直接将dll文件拷贝到默认的加载目录下,具体的路径可以通过System.getProperty("java.library.path")获取,该方法可能会获得多个目录,放在任意一个目录下即可
  • 是在VM Option中修改启动参数,指定dll的存放目录:
-Djava.library.path=F:\Workspace20\unsafe-test\src\main\java\com\cn\jni\jni

再次执行,输出结果:

DLL path:F:\Workspace20\unsafe-test\src\main\java\com\cn\jni\jni
Print From Cpp: 
I am a cpp method ! 

可以看到程序加载dll的路径已经切换成了它的存放路径,并且通过jni调用成功,输出了在c++中的代码逻辑。可以用下面的图来总结上面实现jni调用的过程:

在对jni的调用有了一个整体的了解后,如果大家对代理模式比较熟悉的话,也可以从代理模式的角度来理解jni,将jni调用过程中的各个角色带入到代理模式中:

  • 代理角色:包含native方法的jni
  • 实现角色:c/c++或其他语言实现的动态链接库
  • 客户端:调用native方法的java类程序
  • 接口(抽象角色):在jni中接口这一角色的存在感相对薄弱,因为jni是跨语言的,所以说无法严格的定义一个接口并让它同时应用于java和其他语言。但是通过生成的.h头文件,在一定程度上实现了从接口规范上统一了java中native方法和其他语言中的函数

以代理模式的概述图来进行描述:

上图在标准代理模式的基础上做了一些修改以便于理解,因为这里的接口只做规范约束作用,所以让客户端的调用过程跳过了接口,直接指向了代理角色,再由代理角色调用实现角色完成功能的调用。总的来说,jni起到了一个代理或中介的作用,与常见代理不同的是这里只做方法的调用,而不实现逻辑上的增强。通过这一模式,向java程序员隐藏了底层c/c++代码的实现细节,让我们专注于业务代码的编写即可。

总结

在前面对native方法有了一定了解的基础上,本文介绍了jni的相关知识。通过本文的学习,有助于我们:

  • 理解java的为何能够做到跨平台,以及依赖操作系统的底层操作是如何实现的
  • 了解native方法的调用过程,在必要时可以自己实现jni类接口调用
  • 学到一点C/C++知识

当然了,使用jni也会带来一些缺点:

  • 当在某个操作系统下使用了jni标准,将本地代码编译生成了动态链接库后,如果要将这个程序移植到其他操作系统,需要在新的平台重新编译代码生成动态链接库
  • 对其他语言的不正确使用可能会造成程序出现错误,例如之前提到的使用c语言进行内存操作时未及时回收内存可能引起的内存泄漏
  • 对其他语言的依赖过高,会提高了java和其他语言的耦合性,也提高了对项目代码的维护成本

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posted @ 2021-05-11 09:05  码农参上  阅读(1301)  评论(3编辑  收藏  举报