JVM 虚拟机系列:架构(二)一图看懂虚拟机架构:JNI

1:前言

在 Android 生态中主要有 C/C++、Java、Kotlin 三种语言 ,它们的关系不是替换而是互补。其中,C/C++ 的语境是算法和高性能,Java 的语境是平台无关和内存管理,而 Kotlin 则融合了多种语言中的优秀特性,带来了一种更现代化的编程方式;

JNI 是实现 Java 代码与 C/C++ 代码交互的特性, 思考一个问题 —— Java 虚拟机是如何实现两种毫不相干的语言的交互的呢?今天,我们来全面总结 JNI 开发知识框架。

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1.1 为什么要使用 JNI?

JNI(Java Native Interface,Java 本地接口)是 Java 生态的特性,它扩展了 Java 虚拟机的能力,使得 Java 代码可以与 C/C++ 代码进行交互。通过 JNI 接口,Java 代码可以调用 C/C++ 代码,C/C++ 代码也可以调用 Java 代码。

这就引出第 1 个问题(为什么要这么做):Java 为什么要调用 C/C++ 代码,而不是直接用 Java 开发需求呢?我认为主要有 4 个原因:

 原因 1 - Java 天然需要 JNI 技术:虽然 Java 是平台无关性语言,但运行 Java 语言的虚拟机是运行在具体平台上的,所以 Java 虚拟机是平台相关的。因此,对于调用平台 API 的功能(例如打开文件功能,在 Window 平台是 openFile 函数,而在 Linux 平台是 open 函数)时,虽然在 Java 语言层是平台无关的,但背后只能通过 JNI 技术在 Native 层分别调用不同平台 API。类似的,对于有操作硬件需求的程序,也只能通过 C/C++ 实现对硬件的操作,再通过 JNI 调用;

• 原因 2 - Java 运行效率不及 C/C++:Java 代码的运行效率相对于 C/C++ 要低一些,因此,对于有密集计算(例如实时渲染、音视频处理、游戏引擎等)需求的程序,会选择用 C/C++ 实现,再通过 JNI 调用;

• 原因 3 - Native 层代码安全性更高:反编译 so 文件的难度比反编译 Class 文件高,一些跟密码相关的功能会选择用 C/C++ 实现,再通过 JNI 调用;

• 原因 4 - 复用现有代码:当 C/C++ 存在程序需要的功能时,则可以直接复用。

问题2:(为什么可以这么做):为什么两种独立的语言可以实现交互呢?

因为 Java 虚拟机本身就是 C/C++ 实现的,无论是 Java 代码还是 C/C++ 代码,最终都是由这个虚拟机支撑,共同使用一个进程空间。JNI 要做的只是在两种语言之间做桥接。

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1.2:JNI开发的基本流程 

一个标准的 JNI 开发流程主要包含以下步骤:

1、创建 HelloWorld.java,并声明 native 方法 sayHi();

2、使用 javac 命令编译源文件,生成 HelloWorld.class 字节码文件;

3、使用 javah 命令导出 HelloWorld.h头文件(头文件中包含了本地方法的函数原型);

4、在源文件 HelloWorld.cpp 中实现函数原型;

5、编译本地代码,生成 Hello-World.so 动态原生库文件;

6、在 Java 代码中调用 System.loadLibrary(...) 加载 so 文件;

7、使用 Java 命令运行 HelloWorld 程序。

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 1.3 JNI性能误区

JNI 本身本身并不能解决性能问题,错误地使用 JNI 反而可能引入新的性能问题,这些问题都是要注意的:

• 问题 1 - 跨越 JNI 边界的调用:从 Java 调用 Native 或从 Native 调用 Java 的成本很高,使用 JNI 时要限制跨越 JNI 边界的调用次数;

• 问题 2 - 引用类型数据的回收:由于引用类型数据(例如字符串、数组)传递到 JNI 层的只是一个指针,为避免该对象被垃圾回收虚拟机会固定住(pin)对象,在 JNI 方法返回前会阻止其垃圾回收。因此,要尽量缩短 JNI 调用的执行时间,它能够缩短对象被固定的时间(关于引用类型数据的处理,在下文会说到)。

1.4 注册JNI函数的方式

Java 的 native 方法和 JNI 函数是一一对应的映射关系,建立这种映射关系的注册方式有 2 种:

• 方式 1 - 静态注册:基于命名约定建立映射关系;

• 方式 2 - 动态注册:通过 JNINativeMethod 结构体建立映射关系。

关于注册 JNI 函数的更多原理分析,见 注册 JNI 函数。

1.5 加载So库的时机

so 库需要在运行时调用 System.loadLibrary(…) 加载,一般有 2 种调用时机:

1、在类静态初始化中:如果只在一个类或者很少类中使用到该 so 库,则最常见的方式是在类的静态初始化块中调用;

2、在 Application 初始化时调用:如果有很多类需要使用到该 so 库,则可以考虑在 Application 初始化等场景中提前加载。

2: JNI模板代码

3:参考文献

JNI 从入门到实践,万字爆肝详解!

 

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