使用 Java Native Interface 的最佳实践

使用Java Native Interface 的最佳实践简介：Java™ 本机接口（Java Native Interface，JNI）是一个标准的Java API，它支持将Java 代码与使用其他编程语言编写的代码相集成。

如果您希望利用已有的代码资源，那么可以使用JNI 作为您工具包中的关键组件——比如在面向服务架构（SOA）和基于云的系统中。

但是，如果在使用时未注意某些事项，则JNI 会迅速导致应用程序性能低下且不稳定。

本文将确定10 大JNI 编程缺陷，提供避免这些缺陷的最佳实践，并介绍可用于实现这些实践的工具。

Java 环境和语言对于应用程序开发来说是非常安全和高效的。

但是，一些应用程序却需要执行纯Java 程序无法完成的一些任务，比如：JNI 的发展JNI 自从JDK 1.1 发行版以来一直是Java 平台的一部分，并且在JDK 1.2 发行版中得到了扩展。

JDK 1.0 发行版包含一个早期的本机方法接口，但是未明确分隔本机代码和Java 代码。

在这个接口中，本机代码可以直接进入JVM 结构，因此无法跨JVM 实现、平台或者甚至各种JDK 版本进行移植。

使用JDK 1.0 模型升级含有大量本机代码的应用程序，以及开发能支持多个JVM 实现的本机代码的开销是极高的。

JDK 1.1 中引入的JNI 支持：● 版本独立性● 平台独立性● VM 独立性● 开发第三方类库有一个有趣的地方值得注意，一些较年轻的语言（如PHP）在它们的本机代码支持方面仍然在努力克服这些问题。

● 与旧有代码集成，避免重新编写。

● 实现可用类库中所缺少的功能。

举例来说，在Java 语言中实现ping 时，您可能需要Internet Control Message Protocol (ICMP) 功能，但基本类库并未提供它。

● 最好与使用C/C++ 编写的代码集成，以充分发掘性能或其他与环境相关的系统特性。

● 解决需要非Java 代码的特殊情况。

举例来说，核心类库的实现可能需要跨包调用或者需要绕过其他Java 安全性检查。

JNI 允许您完成这些任务。

它明确分开了Java 代码与本机代码（C/C++）的执行，定义了一个清晰的API 在这两者之间进行通信。

从很大程度上说，它避免了本机代码对JVM 的直接内存引用，从而确保本机代码只需编写一次，并且可以跨不同的JVM 实现或版本运行。

借助JNI，本机代码可以随意与Java 对象交互，获取和设计字段值，以及调用方法，而不会像Java 代码中的相同功能那样受到诸多限制。

这种自由是一把双刃剑：它牺牲Java 代码的安全性，换取了完成上述所列任务的能力。

在您的应用程序中使用JNI 提供了强大的、对机器资源（内存、I/O 等）的低级访问，因此您不会像普通Java 开发人员那样受到安全网的保护。

JNI 的灵活性和强大性带来了一些编程实践上的风险，比如导致性能较差、出现bug 甚至程序崩溃。

您必须格外留意应用程序中的代码，并使用良好的实践来保障应用程序的总体完整性。

本文介绍JNI 用户最常遇到的10 大编码和设计错误。

其目标是帮助您认识到并避免它们，以便您可以编写安全、高效、性能出众的JNI 代码。

本文还将介绍一些用于在新代码或已有代码中查找这些问题的工具和技巧，并展示如何有效地应用它们。

JNI 编程缺陷可以分为两类：● 性能：代码能执行所设计的功能，但运行缓慢或者以某种形式拖慢整个程序。

● 正确性：代码有时能正常运行，但不能可靠地提供所需的功能；最坏的情况是造成程序崩溃或挂起。

性能缺陷程序员在使用JNI 时的5 大性能缺陷如下：● 不缓存方法ID、字段ID 和类● 触发数组副本● 回访（Reaching back）而不是传递参数● 错误认定本机代码与Java 代码之间的界限● 使用大量本地引用，而未通知JVM不缓存方法ID、字段ID 和类要访问Java 对象的字段并调用它们的方法，本机代码必须调用FindClass()、GetFieldID()、GetMethodId() 和GetStaticMethodID()。

对于GetFieldID()、GetMethodID() 和GetStaticMethodID()，为特定类返回的ID 不会在JVM 进程的生存期内发生变化。

但是，获取字段或方法的调用有时会需要在JVM 中完成大量工作，因为字段和方法可能是从超类中继承而来的，这会让JVM 向上遍历类层次结构来找到它们。

由于ID 对于特定类是相同的，因此您只需要查找一次，然后便可重复使用。

同样，查找类对象的开销也很大，因此也应该缓存它们。

举例来说，清单1 展示了调用静态方法所需的JNI 代码：清单1. 使用JNI 调用静态方法12345678910111213141516 int val=1;jmethodID method;jclass cls;cls = (*env)->FindClass(env, "com/ibm/example/TestClass");if ((*env)->ExceptionCheck(env)) {return ERR_FIND_CLASS_FAILED;}method = (*env)->GetStaticMethodID(env, cls, "setInfo", "(I)V");if ((*env)->ExceptionCheck(env)) {return ERR_GET_STATIC_METHOD_FAILED;}(*env)->CallStaticV oidMethod(env, cls, method,val);if ((*env)->ExceptionCheck(env)) {return ERR_CALL_STATIC_METHOD_FAILED;}当我们每次希望调用方法时查找类和方法ID 都会产生六个本机调用，而不是第一次缓存类和方法ID 时需要的两个调用。

缓存会对您应用程序的运行时造成显著的影响。

考虑下面两个版本的方法，它们的作用是相同的。

清单2 使用了缓存的字段ID：清单2. 使用缓存的字段ID1234567891011 int sumValues2(JNIEnv* env, jobject obj, jobject allValues){jint avalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, a);jint bvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, b);jint cvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, c);jint dvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, d);jint evalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, e);jint fvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, f);return avalue + bvalue + cvalue + dvalue + evalue + fvalue;}性能技巧#1查找并全局缓存常用的类、字段ID 和方法ID。

清单3 没有使用缓存的字段ID：清单3. 未缓存字段ID123456789111213141516 int sumValues2(JNIEnv* env, jobject obj, jobject allValues){jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env,allValues);jfieldID a = (*env)->GetFieldID(env, cls, "a", "I");jfieldID b = (*env)->GetFieldID(env, cls, "b", "I");jfieldID c = (*env)->GetFieldID(env, cls, "c", "I");jfieldID d = (*env)->GetFieldID(env, cls, "d", "I");jfieldID e = (*env)->GetFieldID(env, cls, "e", "I");jfieldID f = (*env)->GetFieldID(env, cls, "f", "I");jint avalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, a);jint bvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, b);jint cvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, c);jint dvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, d);jint evalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, e);jint fvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, f);return avalue + bvalue + cvalue + dvalue + evalue + fvalue}清单2 用3,572 ms 运行了10,000,000 次。

清单3 用了86,217 ms —多花了24 倍的时间。

触发数组副本JNI 在Java 代码和本机代码之间提供了一个干净的接口。

为了维持这种分离，数组将作为不透明的句柄传递，并且本机代码必须回调JVM 以便使用set 和get 调用操作数组元素。

Java 规范让JVM 实现决定让这些调用提供对数组的直接访问，还是返回一个数组副本。

举例来说，当数组经过优化而不需要连续存储时，JVM 可以返回一个副本。

（参见参考资料获取关于JVM 的信息）。

随后，这些调用可以复制被操作的元素。

举例来说，如果您对含有1,000 个元素的数组调用GetLongArrayElements()，则会造成至少分配或复制8,000 字节的数据（每个long 1,000 元素* 8 字节）。