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如何在Linux平台下使用JNI提高Java效率

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  Java的出现给大家开发带来的极大的方便。但是,如果我们有大量原有的经过广泛测试的非Java代码,将它们全部用Java来重写,恐怕会带来巨大的工作量和长期的测试;如果我们的应用中需要访问到特定的设备,甚至是仅符合公司内部信息交互规范的设备。

作者:中国IT实验室 来源:中国IT实验室 2007年9月24日

关键字: 编程 java

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  Java的出现给大家开发带来的极大的方便。但是,如果我们有大量原有的经过广泛测试的非Java代码,将它们全部用Java来重写,恐怕会带来巨大的工作量和长期的测试;如果我们的应用中需要访问到特定的设备,甚至是仅符合公司内部信息交互规范的设备,或某个特定的操作系统才有的特性,Java就显得有些力不从心了。面对这些问题,Sun公司在JDK1.0中就定义了JNI规范,它规定了Java应用程序对本地方法的调用规则。
  
  实现步骤及相关函数使用
  
  本文将一步步说明在Linux平台下如何实现本地共享库与Java协同工作。Hello World程序是目前标准的入门第一步,那么,我也以类似的应用最为样例。
  
  第一步,定义一个 Java 类 -- Hello. 它提供SayHello方法:
  
  此时应注意两点:
  
  1、为要使用的每个本地方法编写本地方法声明,其声明方式与普通Java方法接口没什么不同,只是必须指定 native 关键字,如下所示:
  
  public native void SayHello(String strName);
  
  在这个函数中,我们将根据传进的人名,向某人问好。
  
  2、必须显式地加载本地代码库。我们需在类的一个静态块中加载这个库:
  
  static
  {
  System.loadLibrary("hello");
  }
  
  再加上必要的异常处理就生成如下源文件Hello.java:
  
  public class Hello
  {
  static
  {
  try
  {
  //此处即为本地方法所在链接库名
  System.loadLibrary("hello");
  }
  catch(UnsatisfiedLinkError e)
  {
  System.err.println
  ( "Cannot load hello library:\n " +
  e.toString() );
  }
  }
  public Hello()
  {
  }
  //声明的本地方法
  public native void SayHello(String strName);
  }
  
  编译后生成Hello.class文件。
  
  第二步,生成本地链接库。具体过程如下:
  
  1、要为以上定义的类生成 Java 本地接口头文件,需使用javah,Java 编译器的 javah 功能将根据Hello类生成必要的声明,此命令将生成Hello.h文件,我们在共享库的代码中要包含它,javah不使默认内部命令,需要指明路径,它在JDK的bin目录下,在我的Linux环境下命令如下:
  
  /home/jbuilder/jdk1.3.1/bin/javah Hello
  
  生成的Hello.h 文件 内容如下所示:
  
  /* DO NOT EDIT THIS FILE -
  it is machine generated */
  #include
  /* Header for class Hello */
  #ifndef _Included_Hello
  #define _Included_Hello
  #ifdef __cplusplus
  extern "C" {
  #endif
  /*
  * Class:   Hello
  * Method:  SayHello
  * Signature: (Ljava/lang/String;)V
  */
  JNIEXPORT void JNICALL Java_Hello_SayHello
  (JNIEnv *, jobject, jstring);
  #ifdef __cplusplus
  }
  #endif
  #endif
  
  2、在与Hello.h相同的路径下创建一个CPP文件Hello.cpp。内容如下:
  
  #include "Hello.h"
  #include
  //与Hello.h中函数声明相同
  JNIEXPORT void JNICALL Java_Hello_SayHello
  (JNIEnv * env, jobject arg, jstring instring)
  {
  //从instring字符串取得指向字符串UTF编码的指针
  const jbyte *str =
  (const jbyte *)env->GetStringUTFChars
  ( instring, JNI_FALSE );
  printf("Hello,%s\n",str);
  //通知虚拟机本地代码不再需要通过str访问Java字符串。
  env->ReleaseStringUTFChars
  ( instring, (const char *)str );
  return;
  }
  
  所有的JNI调用都使用了JNIEnv*类型的指针,习惯上在CPP文件中将这个变量定义为evn,它是任意一个本地方法的第一个参数。env指针指向一个函数指针表,在VC中可以直接用"->"操作符访问其中的函数。
  
  jobject 指向在此 Java 代码中实例化的 Java 对象 LocalFunction的一个句柄,相当于this指针。后续的参数就是本地调用中有Java程序传进的参数,本例中只有一个String型参数。对于字符串型参数,因为在本地代码中不能直接读取Java字符串,而必须将其转换为C/C++字符串或Unicode。以下是三个我们经常会用到的字符串类型处理的函数:
  
 

  

  参数:array 数组对象
  
  isCopy 如果进行拷贝,指向以JNI_TRUE填充的jboolean,否则指向以JNI_FALSE填充的jboolean。
  
  例如: jboolean * GetBooleanArrayElements(jbooleanArray array, jboolean *isCopy)
  
  void ReleaseXxxArrayElements(xxxArray array,xxx *elems, jint mode)
  
  通知虚拟机不再需要从GetXxxArrayElements得到的指针。
  
  参数:array 数组对象
  
  elems 不再需要的指向数组元素的指针
  
  mode 0=在更新数组元素后释放elems缓冲器
  
  JNI_COMMIT=在更新数组元素后不释放elems缓冲器
  
  JNI_ABORT=不更新数组元素释放elems缓冲器
  
  例如:void ReleaseBooleanArrayElements(jbooleanArray array,jboolean *elems, jint mode)
  
  xxxArray NewXxxArray(jsize len)
  
  产生一个新的数组,通常在反值类型为数组型时用到
  
  参数:len 数组中元素的个数。
  
  例如:jbooleanArray NewBooleanArray(jsize len)
  
  3、编译生成共享库。
  
  使用GCC时,必须通知编译器在何处查找此Java本地方法的支持文件,并且显式通知编译器生成位置无关的代码,在我的环境中按如下过程编译:
  
  gcc-I/home/jbuilder/jdk1.3.1/include-I/home
  /jbuilder/jdk1.3.1/include/linux -fPIC -c Hello.c
  
  生成Hello.o
  
  gcc -shared -Wl,-soname,libhello.so.1
  -o libhello.so.1.0 Hello.o
  
  生成libhello.so.1.0
  
  接下来将生成的共享库拷贝为标准文件名
  
  cp libhello.so.1.0 libhello.so
  
  最后通知动态链接程序此共享文件的路径。
  
  export LD_LIBRARY_PATH=`pwd`
  :$LD_LIBRARY_PATH
  
  4、编写一个简单的Java程序来测试我们的本地方法。
  
  将如下源码存为ToSay.java:
  
  import Hello;
  import java.util.*;
  public class ToSay
  {
  public static void main(String argv[])
  {
  ToSay say = new ToSay();
  }
  public ToSay()
  {
  Hello h = new Hello();
  //调用本地方法向John问好
  h.SayHello("John");
  }
  }
  
  用javac编译ToSay.java,生成ToSay.class向执行普通Java程序一样使用java ToSay,我们会看到在屏幕上出现Hello,John。到这里我们就将整个的本地调用编写过程大概浏览了一遍。
  
  应用中注意事项
  
  1.如果可以通过TCP/IP实现Java代码与本地C/C++代码的交互工作,那么最好不使用以上提到的JNI的方式,因为一次JNI调用非常耗时,大概要花0.5~1个毫秒。
  
  2.在一个Applet应用中,不要使用JNI。因为在 applet 中可能引发安全异常。
  
  3.将所有本地方法都封装在单个类中,这个类调用单个 DLL。对于每种目标操作系统,都可以用特定于适当平台的版本替换这个 DLL。这样就可以将本地代码的影响减至最小,并有助于将以后所需的移植问题包含在内。
  
  4.本地方法要简单。尽量将生成的DLL 对任何第三方运行时 DLL 的依赖减到最小。使本地方法尽量独立,以将加载DLL 和应用程序所需的开销减到最小。如果必须要运行时 DLL,则应随应用程序一起提供它们。
  
  5.本地代码运行时,没有有效地防数组越界错误、错误指针引用带来的间接错误等。所以必须保证保证本地代码的稳定性,因为,丝毫的错误都可能导致Java虚拟机崩溃。
  
  结束语
  
  JNI调用规范给我们复用原有其它语言的代码提供了简单易用的接口,可以节省大量的财力,使我们可以在享受Java带来的开发速度的同时,不必放弃旧有资源。
  
  const char* GetStringUTFChars
  (jstring string,jboolean* isCopy)
  
  返回指向字符串UTF编码的指针,如果不能创建这个字符数组,返回null。这个指针在调用ReleaseStringUTFChar()函数之前一直有效。
  
  参数:string Java字符串对象
  
  isCopy 如果进行拷贝,指向以JNI_TRUE填充的jboolean,否则指向以JNI_FALSE填充的jboolean。
  
  void ReleaseStringUTFChars(jstring str, const char* chars)
  
  通知虚拟机本地代码不再需要通过chars访问Java字符串。
  
  参数:string Java字符串对象
  
  chars 由GetStringChars返回的指针
  
  jstring NewStringUTF(const char *utf)
  
  返回一个新的Java字符串并将utf内容拷贝入新串,如果不能创建字符串对象,
  
  返回null。通常在反值类型为string型时用到。
  
  参数:utf UTF编码的字符

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