JVM——JNI 的运行机制

引入

在 Java 开发中，我们常常会遇到一些 Java 语言难以直接处理的场景，例如需要调用特定体系架构或操作系统的功能，或者利用汇编语言的 SIMD 指令来优化关键代码性能。这时，Java Native Interface（JNI）就成为了我们实现跨语言调用的强大工具。JNI 允许我们在 Java 代码中调用 C/C++ 代码，以实现所需功能。

JNI 的基本概念

JNI 是 Java 虚拟机提供的一种机制，用于在 Java 代码中调用原生代码（通常为 C/C++ 代码）。它使得 Java 应用程序能够与操作系统的本地函数库交互，从而实现对硬件资源的直接访问、调用系统 API 以及执行性能敏感型任务等功能。

JNI 的主要特点包括：

• 平台相关性 ：JNI 允许 Java 应用调用特定平台的本地代码，因此使用 JNI 开发的应用通常不具备 Java 的跨平台特性，只能在特定平台上运行。

• 性能优化 ：对于一些对性能要求极高的计算任务，通过 JNI 调用原生代码可以绕过 Java 虚拟机的一些性能限制，直接利用底层资源，从而获得更高的执行效率。

• 功能扩展 ：JNI 为 Java 应用提供了访问原生库中丰富功能的途径，这些功能可能是 Java 标准类库所不具备的。

native 方法的链接

在 Java 中，native 方法是指那些没有提供 Java 实现，而是通过 JNI 调用原生代码的方法。当在 Java 代码中调用这些 native 方法时，Java 虚拟机需要将它们链接到对应的原生函数上。native 方法的链接主要有两种方式：

自动链接

Java 虚拟机会自动查找符合默认命名规范的原生函数，并将 native 方法链接到这些函数上。为了生成符合命名规范的原生函数声明，我们可以使用 javac -h 命令。例如，对于以下 Java 类：

package org.example;
​
public class Foo {public static native void foo();public native void bar(int i, long j);public native void bar(String s, Object o);
}

执行 javac -h . org/example/Foo.java 命令后，会在当前目录下生成一个名为 org_example_Foo.h 的头文件。该头文件中包含了符合 JNI 命名规范的原生函数声明。命名规范要求原生函数以 Java_ 为前缀，接着是完整的包名和类名，中间用下划线连接，并且将原类名中的斜杠 / 替换为下划线 _。如果存在重载方法，则还需要将方法的参数类型编码追加到函数名后，参数类型中的特殊字符（如 ; 和 [）也会被替换为 _2 和 _3 等。

显式链接

除了自动链接方式外，还可以在原生代码中显式地进行 native 方法的链接。这种方式通常会使用一个名为 registerNatives 的 native 方法，并在其中调用 RegisterNatives JNI API 来手动注册其他 native 方法与原生函数的对应关系。例如，Java 中的 Object 类就使用了这种方式来注册其 native 方法。这种方式使得原生函数的命名可以更加灵活，不受默认命名规范的限制。

static JNINativeMethod methods[] = {{"hashCode", "()I", (void *)&JVM_IHashCode},{"wait", "(J)V", (void *)&JVM_MonitorWait},{"notify", "()V", (void *)&JVM_MonitorNotify},{"notifyAll", "()V", (void *)&JVM_MonitorNotifyAll},{"clone", "()Ljava/lang/Object;", (void *)&JVM_Clone},
};
​
JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_lang_Object_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls) {(*env)->RegisterNatives(env, cls, methods, sizeof(methods) / sizeof(methods[0]));
}

在使用显式链接时，需要注意必须在原生函数被调用之前完成注册工作。通常会在 Java 类的静态初始化块中调用 registerNatives 方法来完成注册。

JNI 的 API

JNI 提供了一系列丰富的 API，允许原生代码访问和操作 Java 虚拟机中的各种资源。这些 API 通过一个名为 JNIEnv 的数据结构提供给原生代码。JNIEnv 是一个线程私有的数据结构，每个 Java 线程都有一个对应的 JNIEnv 实例。它包含了指向各种 JNI 函数的指针，原生代码可以通过这些指针调用 JNI 函数。

数据类型映射

JNI 定义了一套与 Java 基本类型相对应的 C 语言数据类型，例如 jint 对应 Java 的 int 类型，jlong 对应 Java 的 long 类型等。对于引用类型，JNI 提供了 jobject 类型及其派生类型（如 jclass、jstring、jarray 等）来表示 Java 中的各种对象引用。

常见 API 函数

对象操作 ：可以创建 Java 对象、获取对象的类信息、访问对象的字段和方法等。例如，NewObject 用于创建新对象，GetObjectClass 用于获取对象的类，GetFieldID 和 GetObjectField 用于访问对象的字段。

数组操作 ：提供了操作 Java 数组的 API，如 NewIntArray 创建新的 int 数组，GetIntArrayElements 获取数组元素等。

字符串操作 ：可以将 Java 的 String 对象转换为 C 风格的字符串，以及反之。例如，GetStringUTFChars 用于获取 String 对象的 UTF-8 编码的 C 字符串，NewStringUTF 用于从 C 字符串创建 Java String 对象。

异常处理 ：JNI 提供了处理异常的 API，如 ExceptionOccurred 用于检查是否发生了异常，ExceptionDescribe 用于输出异常信息，ExceptionClear 用于清除已发生的异常等。

局部引用与全局引用

在原生代码中，引用 Java 对象时需要考虑垃圾回收的问题。JNI 提供了局部引用和全局引用来解决这一问题。

局部引用

局部引用是在原生函数调用期间有效的引用。它们在原生函数返回之前一直有效，一旦原生函数返回，局部引用将自动被释放。局部引用主要用于确保在原生代码执行期间，所引用的 Java 对象不会被垃圾回收。例如，原生函数的参数、JNI API 创建的对象等都是局部引用。

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_nativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj) {jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, obj);jfieldID fid = (*env)->GetFieldID(env, cls, "instanceVar", "I");jint value = (*env)->GetIntField(env, obj, fid);printf("Value: %d\n", value);// 这里 cls、fid、value 都是局部引用，原生函数返回后它们将被自动释放
}

全局引用

全局引用与局部引用不同，它在整个应用程序的生命周期内有效，直到显式地被释放。如果需要在多个原生函数调用之间共享对某个 Java 对象的引用，或者需要缓存某些对象以供后续使用，则需要使用全局引用。全局引用可以通过 NewGlobalRef 函数从局部引用水创建，使用完毕后需要通过 DeleteGlobalRef 显式释放。

jobject globalRef;
​
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_init(JNIEnv *env, jobject obj) {globalRef = (*env)->NewGlobalRef(env, obj);// 现在 globalRef 是一个全局引用，可以安全地在其他原生函数中使用
}
​
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_cleanup(JNIEnv *env, jobject obj) {(*env)->DeleteGlobalRef(env, globalRef);// 释放全局引用，允许垃圾回收
}

引用管理的注意事项

避免引用泄漏 ：由于全局引用会阻止 Java 对象被垃圾回收，因此必须确保在不再需要时及时释放全局引用。否则，可能会导致内存泄漏。

局部引用的限制 ：局部引用只能在原生函数调用期间使用。如果需要将引用传递给其他线程或者保存到后续调用中，必须使用全局引用。

性能开销 ：频繁地创建和销毁全局引用可能会增加垃圾回收的负担，进而影响应用程序的性能。因此，在使用全局引用水时需要权衡其必要性和性能影响。

JNI 的调用过程与性能开销

调用过程

当 Java 代码调用 native 方法时，Java 虚拟机会执行以下步骤：

1. 查找原生函数 ：根据 native 方法的链接方式（自动链接或显式链接），找到对应的原生函数。

2. 准备调用 ：将 Java 虚拟机的执行环境切换到原生代码执行模式，包括设置原生函数的参数、保存 Java 虚拟机的上下文等。

3. 执行原生函数 ：调用原生函数，原生函数使用 JNI API 与 Java 虚拟机进行交互，访问 Java 对象、调用 Java 方法等。

4. 返回 Java 环境 ：原生函数执行完毕后，将控制权返回给 Java 虚拟机，恢复 Java 执行环境。

性能开销

JNI 调用会引入一定的性能开销，主要包括以下几个方面：

• 上下文切换 ：在 Java 和原生代码之间切换执行环境会产生一定的开销，包括保存和恢复寄存器、堆栈指针等。

• 数据类型转换 ：Java 和 C/C++ 的数据类型表示不同，JNI 需要在两者之间进行数据类型转换，这也会占用一定的时间。

• 句柄管理 ：为了支持垃圾回收，JNI 使用句柄来间接引用 Java 对象。句柄的管理和使用会增加内存访问的开销。

• 跨语言调用开销 ：跨语言调用涉及到的调用约定、参数传递等也会带来额外的性能损耗。

JNI 的异常处理

在 JNI 编程中，异常处理是一个重要的方面。JNI 提供了处理异常的 API，允许原生代码检测、抛出和清除异常。

检测异常

在调用可能抛出异常的 JNI 函数后，可以通过 ExceptionOccurred 函数检测是否发生了异常。如果发生了异常，可以使用 ExceptionDescribe 输出异常信息。

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_nativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj) {jclass cls = (*env)->FindClass(env, "org/example/SomeClass");if ((*env)->ExceptionOccurred(env)) {(*env)->ExceptionDescribe(env);(*env)->ExceptionClear(env);return;}// 继续处理...
}

抛出异常

原生代码可以使用 Throw 或 ThrowNew 函数抛出异常。Throw 函数用于抛出已有的异常对象，而 ThrowNew 函数用于创建并抛出新的异常对象。

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_nativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj) {jclass exceptionCls = (*env)->FindClass(env, "java/lang/Exception");(*env)->ThrowNew(env, exceptionCls, "An error occurred in native code");
}

清除异常

在某些情况下，原生代码可能需要清除已发生的异常，以便继续执行或重新抛出新的异常。可以使用 ExceptionClear 函数来清除异常。

if ((*env)->ExceptionOccurred(env)) {(*env)->ExceptionClear(env);// 处理异常或重新抛出...
}

实际应用案例

性能优化案例

假设我们有一个图像处理应用程序，其中包含一个对性能要求极高的滤镜算法。该算法在 Java 中实现时性能不够理想，因此我们决定使用 JNI 调用 C 语言实现的版本。通过 JNI，我们将算法的核心部分移植到 C 语言中，并利用其对底层硬件的直接访问能力，实现了显著的性能提升。

系统集成案例

在另一个场景中，我们需要开发一个与特定硬件设备交互的 Java 应用程序。该硬件设备提供了 C 语言的 SDK，我们通过 JNI 在 Java 应用中调用这些 C 函数，实现了对硬件设备的控制和数据采集。这使得 Java 应用能够充分利用硬件设备的功能，满足了项目需求。

JNI 的优点与局限性

优点

功能扩展性强 ：能够调用原生代码，访问 Java 核心类库无法提供的功能。

性能优化潜力大 ：对于性能敏感型任务，原生代码通常能提供更高的执行效率。

兼容性好 ：可以与现有的 C/C++ 库进行集成，充分利用已有的代码资源。

局限性

破坏可移植性 ：使用了 JNI 的 Java 应用通常依赖于特定平台的原生库，导致应用无法跨平台运行。

开发复杂度高 ：JNI 涉及 Java 和 C/C++ 两种语言的混合编程，增加了开发和调试的难度。

安全风险高 ：原生代码中的错误（如内存泄漏、野指针等）可能会导致 Java 虚拟机崩溃或出现不稳定的行为。

总结

本文详细介绍了 JNI 的运行机制，包括 native 方法的链接、JNI 的 API、局部引用与全局引用等内容。通过学习 JNI 的相关知识，我们能够更好地理解 Java 与原生代码之间的交互方式，掌握在 Java 应用中调用原生代码的方法和技巧，从而在实际开发中充分利用 JNI 的优势，解决 Java 语言难以直接处理的问题。

最佳实践

1. 尽量减少 JNI 的使用 ：由于 JNI 会破坏 Java 应用的可移植性，并且增加了开发和维护的复杂度，因此在可能的情况下，应优先考虑使用纯 Java 实现。

2. 封装原生代码 ：将原生代码封装在一个单独的模块中，与 Java 代码的其他部分解耦，这样可以降低维护难度，并且便于后续的修改和替换。

3. 严格管理引用 ：合理使用局部引用和全局引用，避免出现内存泄漏等问题。在不再需要全局引用时，及时释放它。

4. 充分测试 ：JNI 代码的调试和测试相对复杂，需要在不同的平台和环境下进行充分的测试，以确保原生代码的正确性和稳定性。