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Java本地接口

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Java本地接口 (JNI)是一个编程框架使得运行在Java虚拟机上的Java程序调用或者被调用特定于本机硬件与操作系统的用其它语言（C、C++或汇编语言等）编写的程序。[1]

功用

JNI允许用本地代码来解决纯粹用Java编程不能解决的平台相关的特性。也用于改造已存在的其它语言写的应用程序，供Java程序访问。许多使用了JNI的标准库提供了文件I/O与其它功能。标准库中性能敏感或平台敏感的API实现允许所有Java应用程序安全且平台独立地访问这些功能。

JNI框架使得本地方法可以访问Java对象，就如同Java程序访问这些本地对象。本地方法可以创建Java对象，然后检查、使用这些对象执行任务。本地方法也可以检查并使用由Java程序创建的对象。

Java开发人员称JNI为逃生门（"escape hatch"），因为JINI允许增加标准Java API不能提供的功能。也可以用于时间关键的计算或者如解复杂数学方程，因为本地方法的运算比JVM更快。[2] 也可以在安卓上重用已存在的C/C++编写的库。

存在的问题

  • 使用JNI的精细的错误会使JVM不稳定，并且难以再现与调试。
  • 仅有应用程序与signed applet可以调用JNI。
  • 依赖于JNI的应用程序失去了Java的平台移植性（部分解决之道是对每一平台写专门的JNI代码，然后Java检测操作系统并载入当前的JNI代码）。
  • JNI框架对本地端执行代码分配的非JVM资源，不提供任何自动的垃圾收集。因此，本地端代码负责释放任何在本地获取的资源。
  • Linux与Solaris平台，如果本地代码登记了自身作为信号处理器，会拦截原本发给JVM的信号。应该使用信号链式的本地代码更好地与JVM合作。[3]
  • Windows平台上，结构化异常处理（SEH）可用于把本地代码包裹在SEH try/catch块中捕捉机器（CPU/FPU）生成的软中断（如：空指针访问冲突、除0操作等），在这些中断传播到JVM之前就得到处理。
  • NewStringUTF, GetStringUTFLength, GetStringUTFChars, ReleaseStringUTFChars, GetStringUTFRegion函数并不是标准的UTF-8，而是修改的UTF-8。[4] null字符(U+0000)以及码位大于等于U+10000的在修改的UTF-8中有不同的编码。许多程序实际上不正确地使用了这些函数，把标准的UTF-8字符串传入或传出这些函数。程序应当使用NewString, GetStringLength, GetStringChars, ReleaseStringChars, GetStringRegion, GetStringCritical与ReleaseStringCritical函数，这些函数在小尾序机器上使用UTF-16LE编码，在大尾序机器上使用UTF-16BE编码，使用UTF-16代替标准的UTF-8版的例程。

JNI如何工作

在JNI框架柱，本地函数一般在单独的.c或.cpp文件中实现。当JVM调用这些函数，就传递一个JNIEnv指针，一个jobject的指针，任何在Java方法中声明的Java参数。一个JNI函数看起啦类似这样： 

JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
  (JNIEnv *env, jobject obj)
{
    /*Implement Native Method Here*/
}

env指向一个结构包含了到JVM的界面，包含了所有必须的函数与JVM交互、访问Java对象。例如，把本地数组转换为Java数组的JNI函数，把本地字符串转换为Java字符串的JNI函数，实例化对象，抛出异常等。基本上，Java程序可以做的任何事情都可以用JNIEnv做到，虽然相当不容易。

例如，下面代码把Java字符串转化为本地字符串： 

//C++ code
extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring javaString)
{
    //Get the native string from javaString
    const char *nativeString = env->GetStringUTFChars(javaString, 0);

    //Do something with the nativeString

    //DON'T FORGET THIS LINE!!!
    env->ReleaseStringUTFChars(javaString, nativeString);
}

/*C code*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring javaString)
{
    /*Get the native string from javaString*/
    const char *nativeString = (*env)->GetStringUTFChars(env, javaString, 0);

    /*Do something with the nativeString*/

    /*DON'T FORGET THIS LINE!!!*/
    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, javaString, nativeString);
}

/*Objective-C code*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring javaString)
{
    /*DON'T FORGET THIS LINE!!!*/
    JNF_COCOA_ENTER(env);

    /*Get the native string from javaString*/
    NSString* nativeString = JNFJavaToNSString(env, javaString);

    /*Do something with the nativeString*/

    /*DON'T FORGET THIS LINE!!!*/
    JNF_COCOA_EXIT(env);
}

本地数据类型与Java数据类型可以互相映射。对于复合数据类型，如对象，数组，字符串，就必须用JNIEnv中的方法来显示地转换。

第2个参数obj引用到一个Java对象，在其中声明了本地方法。

类型映射

下表是Java (JNI)与本地代码之间的数据类型映射：

本地类型 Java语言的类型 描述 类型签名（signature）
unsigned char jboolean unsigned 8 bits Z
signed char jbyte signed 8 bits B
unsigned short jchar unsigned 16 bits C
short jshort signed 16 bits S
long jint signed 32 bits I

long long
__int64

jlong signed 64 bits J
float jfloat 32 bits F
double jdouble 64 bits D
void V

签名"L fully-qualified-class ;"是由该名字指明的类。例如，签名"Ljava/lang/String;"是类java.lang.String。带前缀[的签名表示该类型的数组，如[I表示整型数组。void签名使用V代码。

这些类型是可以互换的，如jint也可使用 int，不需任何类型转换。

但是，Java字符串、数组与本地字符串、数组是不同的。如果在使用char *代替了jstring，程序可能会导致JVM崩溃。 

JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName
        (JNIEnv *env, jobject obj, jstring javaString) {
    // printf("%s", javaString);        // INCORRECT: Could crash VM!

    // Correct way: Create and release native string from Java string
    const char *nativeString = (*env)->GetStringUTFChars(env, javaString, 0);
    printf("%s", nativeString);
    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, javaString, nativeString);
}

这种情况也适用于Java数组。下例对数组元素求和。 

JNIEXPORT jint JNICALL Java_IntArray_sumArray
        (JNIEnv *env, jobject obj, jintArray arr) {
    jint buf[10];
    jint i, sum = 0;
    // This line is necessary, since Java arrays are not guaranteed
    // to have a continuous memory layout like C arrays.
    env->GetIntArrayRegion(arr, 0, 10, buf);
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        sum += buf[i];
    }
    return sum;
}

JNIEnv*

JNI环境指针(JNIEnv*)作为每个映射为Java方法的本地函数的第一个参数，使得本地函数可以与JNI环境交互。这个JNI界面指针可以存储，但仅在当前线程中有效。其它线程必须首先调用AttachCurrentThread()把自身附加到虚拟机以获得JNI界面指针。一旦附加，本地线程运行就类似执行本地函数的正常Java线程。本地线程直到执行DetachCurrentThread()把自身脱离虚拟机。[5]

把当前线程附加到虚拟机并获取JNI界面指针： 

JNIEnv *env;
(*g_vm)->AttachCurrentThread (g_vm, (void **) &env, NULL);

当前线程脱离虚拟机： 

(*g_vm)->DetachCurrentThread (g_vm);

高级使用

本地AWT绘制

本地代码不仅可以与Java交互，也可以在Java Canvas绘图，使用Java AWT Native Interface（英语：Java AWT Native Interface）。

访问汇编代码

JNI允许直接访问汇编代码。[6] 也可以从汇编代码访问Java。[7]

Microsoft的RNI

Microsoft实现的Java虚拟机——Visual J++的类似的访问本地Windows代码的机制Raw Native Interface（RNI）。

例子

HelloWorld

make.sh 

#!/bin/sh

# openbsd 4.9
# gcc 4.2.1
# openjdk 1.7.0

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.
javac HelloWorld.java
javah HelloWorld
gcc -shared libHelloWorld.c -o libHelloWorld.so
java HelloWorld

build.bat 

:: Microsoft Visual Studio 2012 Visual C++ compiler
SET VC="C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio 11.0\VC"
:: Microsoft Windows SDK for Windows 7 and .NET Framework 4 
SET MSDK="C:\Program Files (x86)\Microsoft SDKs\Windows\v7.1A"
:: Java 1.7.0 update 21
SET JAVA_HOME="C:\Program Files (x86)\Java\jdk1.7.0_21"

call %VC%\vcvarsall.bat

javac HelloWorld.java
javah HelloWorld
%VC%\bin\cl /I%JAVA_HOME%\include /I%JAVA_HOME%\include\win32 /I%VC%\include /I%VC%\lib /I%MSDK%\Lib libHelloWorld.c /FelibHelloWorld.dll /LD
java HelloWorld

HelloWorld.java 

class HelloWorld
{
	private native void print();
	public static void main(String[] args)
	{
		new HelloWorld().print();
	}
	static{
		System.loadLibrary("HelloWorld");
	}
}

HelloWorld.h 

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

#ifndef _Included_HelloWorld
#define _Included_HelloWorld
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     HelloWorld
 * Method:    print
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_print
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

libHelloWorld.c 

 #include <stdio.h>
 #include "HelloWorld.h"

 JNIEXPORT void JNICALL
 Java_HelloWorld_print(JNIEnv *env, jobject obj)
 {
     printf("Hello World!\n");
     return;
 }

Invocation: 

$ chmod +x make.sh
$ ./make.sh

参见

  • Java AWT Native Interface（英语：Java AWT Native Interface）
  • Gluegen（英语：Gluegen）, a Java tool which automatically generates the Java and JNI code necessary to call C libraries from Java code
  • P/Invoke, the .NET Framework method of calling native applications
  • SWIG, a multilanguage interface-generator for C and C++ libraries that can generate JNI code
  • Java Native Access provides Java programs easy access to native shared libraries without writing boilerplate code

参考文献

  1. ^ Role of the JNI. The Java Native Interface Programmer's Guide and Specification. [2008-02-27]. 
  2. ^ http://benchmarksgame.alioth.debian.org/u64/benchmark.php?test=all&lang=java&lang2=gcc&data=u64
  3. ^ If JNI based application is crashing, check signal handling!
  4. ^ Modified UTF-8 Strings
  5. ^ The Invocation API. Sun Microsystems. http://java.sun.com/j2se/1.5.0/docs/guide/jni/spec/invocation.html
  6. ^ Invoking Assembly Language Programs from Java. Java.net. 2006-10-19 [2007-10-06]. 
  7. ^ Launch Java Applications from Assembly Language Programs. Java.net. 2006-10-19 [2007-10-04]. 

相关书籍

外部链接

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