Java本地接口

JNI （Java Native Interface，Java本地接口）是一种编程框架，使得Java虚拟机中的Java程序可以调用本地应用/或库，也可以被其他程序调用。 本地程序一般是用其它语言（C、C++或汇编语言等）编写的，并且被编译为基于本机硬件和操作系统的程序。[1]

设计目的和功能

有些事情Java无法处理时，JNI允许程序员用其他编程语言来解决，例如，Java标准库不支持的平台相关功能或者程序库。也用于改造已存在的用其它语言写的程序，供Java程序调用。许多基于JNI的标准库提供了很多功能给程序员使用，例如文件I/O、音频相关的功能。当然，也有各种高性能的程序，以及平台相关的API实现，允许所有Java应用程序安全并且平台独立地使用这些功能。

JNI框架允许Native方法调用Java对象，就像Java程序访问Native对象一样方便。Native方法可以创建Java对象，读取这些对象，并调用Java对象执行某些方法。当然Native方法也可以读取由Java程序自身创建的对象，并调用这些对象的方法。

注意事项
  • 在使用JNI的过程中，可能因为某些微小的BUG，对整个JVM造成很难重现和调试的错误。
  • 仅有应用程序与签名的applet可以调用JNI。
  • 依赖于JNI的应用失去了Java的平台移植性（一种解决办法是为每个平台编写专门的JNI代码，然后在Java代码中，根据操作系统载入正确的JNI代码）。
  • JNI框架并没有对 non-JVM 内存提供自动垃圾回收机制，Native代码（如汇编语言）分配的内存和资源，需要其自身负责进行显式的释放。
  • Linux与Solaris平台，如果Native代码将自身注册为信号处理器（signal handler），就会拦发给JVM的信号。可以使用 责任链模式 让 Native代码更好地与JVM进行交互。[2]
  • Windows平台上，在SEH try/catch块中可以将结构化异常处理（SEH）用来包装Native代码，以捕获机器（CPU/FPU）生成的软中断（例如：空指针异常、被除数为0等），将这些中断在传播到JVM（中的Java代码）之前进行处理，以免造成未捕获的异常。
  • NewStringUTF、GetStringUTFLength、GetStringUTFChars、ReleaseStringUTFChars與 GetStringUTFRegion等编码函数处理的是一种修改的UTF-8，[3]，实际上是一种不同的编码，某些字符并不是标准的UTF-8。 null字符（U+0000）以及不在Unicode字符平面映射中的字符（codepoints 大于等于 U+10000 的字符，例如UTF-16中的代理对 surrogate pairs），在修改的UTF-8中的编码都有所不同。 许多程序错误地使用了这些函数，将标准UTF-8字符串传入或传出这些函数，实际上应该使用修改后的编码。程序应当先使用NewString、GetStringLength、GetStringChars、ReleaseStringChars、GetStringRegion、GetStringCritical与ReleaseStringCritical等函数，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，然后再通过程序将 UTF-16转换为 UTF-8。
  • JNI在某些情况下可能带来很大的开销和性能损失：[4]
    • 调用 JNI 方法是很笨重的操作，特别是在多次重复调用的情况下。
    • Native 方法不会被 JVM 内联，也不会被 即時編譯 优化 ，因为方法已经被编译过了。
    • Java 数组可能会被拷贝一份，以传递给 native 方法，执行完之后再拷贝回去. 其开销与数组的长度是线性相关的。
    • 如果传递一个对象给方法，或者需要一个回调，那么 Native 方法可能会自己调用JVM。 访问Java对象的属性、方法和类型时，Native代码需要类似反射的东西。签名由字符串指定，通常从JVM中查询。这非常缓慢并且容易出错。
    • Java 中的字符串（String） 也是对象，有 length 属性，并且是编码过的. 读取或者创建字符串都需要一次时间复杂度为 O(n) 的复制操作.

JNI如何工作

在JNI框架，native方法一般在单独的.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函数看起来类似这样： 

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。

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
  • 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. . The Java Native Interface Programmer's Guide and Specification. [2008-02-27]. （原始内容存档于2012-06-26）.
  2. . [2014-05-30]. （原始内容存档于2014-11-09）.
  3. . [2014-05-30]. （原始内容存档于2020-05-03）.
  4. . [2017-01-22]. （原始内容存档于2019-10-17）.
  5. The Invocation API. Sun Microsystems. http://java.sun.com/j2se/1.5.0/docs/guide/jni/spec/invocation.html （页面存档备份，存于）
  6. . Java.net. 2006-10-19 [2007-10-06]. （原始内容存档于2008-03-30）.
  7. . Java.net. 2006-10-19 [2007-10-04]. （原始内容存档于2007-10-11）.

相关书籍
  • Gordon, Rob. 1st. Prentice Hall. March 1998: 498 [2014-05-30]. ISBN 0-13-679895-0. （原始内容存档于2012-10-01）.
  • Liang, Sheng. 1st. Prentice Hall. June 20, 1999: 320 [2014-05-30]. ISBN 0-201-32577-2. （原始内容存档于2012-10-01）.

外部链接
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