32 | JNI的运行机制


        

正文

我们经常会遇见 Java 语言较难表达,甚至是无法表达的应用场景。比如我们希望使用汇编语言(如 X86_64 的 SIMD 指令)来提升关键代码的性能;再比如,我们希望调用 Java 核心类库无法提供的,某个体系架构或者操作系统特有的功能。

在这种情况下,我们往往会牺牲可移植性,在 Java 代码中调用 C/C++ 代码(下面简述为 C 代码),并在其中实现所需功能。这种跨语言的调用,便需要借助 Java 虚拟机的 Java Native Interface(JNI)机制。

关于 JNI 的例子,你应该特别熟悉 Java 中标记为native的、没有方法体的方法(下面统称为 native 方法)。当在 Java 代码中调用这些 native 方法时,Java 虚拟机将通过 JNI,调用至对应的 C 函数(下面将 native 方法对应的 C 实现统称为 C 函数)中。

1
2
3
public class Object {
public native int hashCode();
}

举个例子,Object.hashCode方法便是一个 native 方法。它对应的 C 函数将计算对象的哈希值,并缓存在对象头、栈上锁记录(轻型锁)或对象监视锁(重型锁所使用的 monitor)中,以确保该值在对象的生命周期之内不会变更。

native 方法的链接

在调用 native 方法前,Java 虚拟机需要将该 native 方法链接至对应的 C 函数上。

链接方式主要有两种。第一种是让 Java 虚拟机自动查找符合默认命名规范的 C 函数,并且链接起来。

事实上,我们并不需要记住所谓的命名规范,而是采用javac -h命令,便可以根据 Java 程序中的 native 方法声明,自动生成包含符合命名规范的 C 函数的头文件。

举个例子,在下面这段代码中,Foo类有三个 native 方法,分别为静态方法foo以及两个重载的实例方法bar。

1
2
3
4
5
6
7
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);
}

通过执行javac -h . org/example/Foo.java命令,我们将在当前文件夹(对应-h后面跟着的.)生成名为org_example_Foo.h的头文件。其内容如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class org_example_Foo */

#ifndef _Included_org_example_Foo
#define _Included_org_example_Foo
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Class: org_example_Foo
* Method: foo
* Signature: ()V
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_foo
(JNIEnv *, jclass);

/*
* Class: org_example_Foo
* Method: bar
* Signature: (IJ)V
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__IJ
(JNIEnv *, jobject, jint, jlong);

/*
* Class: org_example_Foo
* Method: bar
* Signature: (Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;)V
*/
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
(JNIEnv *, jobject, jstring, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

这里我简单讲解一下该命名规范。

首先,native 方法对应的 C 函数都需要以Java_为前缀,之后跟着完整的包名和方法名。由于 C 函数名不支持/字符,因此我们需要将/转换为_,而原本方法名中的_符号,则需要转换为_1。

举个例子,org.example包下Foo类的foo方法,Java 虚拟机会将其自动链接至名为Java_org_example_Foo_foo的 C 函数中。

当某个类出现重载的 native 方法时,Java 虚拟机还会将参数类型纳入自动链接对象的考虑范围之中。具体的做法便是在前面 C 函数名的基础上,追加__以及方法描述符作为后缀。

方法描述符的特殊符号同样会被替换掉,如引用类型所使用的;会被替换为_2,数组类型所使用的[会被替换为_3。

基于此命名规范,你可以手动拼凑上述代码中,Foo类的两个bar方法所能自动链接的 C 函数名,并用javac -h命令所生成的结果来验证一下。

第二种链接方式则是在 C 代码中主动链接。

这种链接方式对 C 函数名没有要求。通常我们会使用一个名为registerNatives的 native 方法,并按照第一种链接方式定义所能自动链接的 C 函数。在该 C 函数中,我们将手动链接该类的其他 native 方法。

举个例子,Object类便拥有一个registerNatives方法,所对应的 C 代码如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
// 注:Object 类的 registerNatives 方法的实现位于 java.base 模块里的 C 代码中
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]));
}

我们可以看到,上面这段代码中的 C 函数将调用RegisterNatives API,注册Object类中其他 native 方法所要链接的 C 函数。并且,这些 C 函数的名字并不符合默认命名规则。

当使用第二种方式进行链接时,我们需要在其他 native 方法被调用之前完成链接工作。因此,我们往往会在类的初始化方法里调用该registerNatives方法。具体示例如下所示:

1
2
3
4
5
6
public class Object {
private static native void registerNatives();
static {
registerNatives();
}
}

下面我们采用第一种链接方式,并且实现其中的bar(String, Object)方法。如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
// foo.c
#include <stdio.h>
#include "org_example_Foo.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
(JNIEnv *env, jobject thisObject, jstring str, jobject obj) {
printf("Hello, World\n");
return;
}

然后,我们可以通过 gcc 命令将其编译成为动态链接库:

1
2
# 该命令仅适用于 macOS
$ gcc -I$JAVA_HOME/include -I$JAVA_HOME/include/darwin -o libfoo.dylib -shared foo.c

这里需要注意的是,动态链接库的名字须以lib为前缀,以.dylib(或 Linux 上的.so)为扩展名。在 Java 程序中,我们可以通过System.loadLibrary(“foo”)方法来加载libfoo.dylib,如下述代码所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
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);

int i = 0xDEADBEEF;

public static void main(String[] args) {
try {
System.loadLibrary("foo");
} catch (UnsatisfiedLinkError e) {
e.printStackTrace();
System.exit(1);
}
new Foo().bar("", "");
}
}

如果libfoo.dylib不在当前路径下,我们可以在启动 Java 虚拟机时配置java.library.path参数,使其指向包含libfoo.dylib的文件夹。具体命令如下所示:

1
2
$ java -Djava.library.path=/PATH/TO/DIR/CONTAINING/libfoo.dylib org.example.Foo
Hello, World

JNI 的 API

在 C 代码中,我们也可以使用 Java 的语言特性,如 instanceof 测试等。这些功能都是通过特殊的 JNI 函数(JNI Functions)来实现的。

Java 虚拟机会将所有 JNI 函数的函数指针聚合到一个名为JNIEnv的数据结构之中。

这是一个线程私有的数据结构。Java 虚拟机会为每个线程创建一个JNIEnv,并规定 C 代码不能将当前线程的JNIEnv共享给其他线程,否则 JNI 函数的正确性将无法保证。

这么设计的原因主要有两个。一是给 JNI 函数提供一个单独命名空间。二是允许 Java 虚拟机通过更改函数指针替换 JNI 函数的具体实现,例如从附带参数类型检测的慢速版本,切换至不做参数类型检测的快速版本。

在 HotSpot 虚拟机中,JNIEnv被内嵌至 Java 线程的数据结构之中。部分虚拟机代码甚至会从JNIEnv的地址倒推出 Java 线程的地址。因此,如果在其他线程中使用当前线程的JNIEnv,会使这部分代码错误识别当前线程。

JNI 会将 Java 层面的基本类型以及引用类型映射为另一套可供 C 代码使用的数据结构。其中,基本类型的对应关系如下表所示:

引用类型对应的数据结构之间也存在着继承关系,具体如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
jobject
|- jclass (java.lang.Class objects)
|- jstring (java.lang.String objects)
|- jthrowable (java.lang.Throwable objects)
|- jarray (arrays)
|- jobjectArray (object arrays)
|- jbooleanArray (boolean arrays)
|- jbyteArray (byte arrays)
|- jcharArray (char arrays)
|- jshortArray (short arrays)
|- jintArray (int arrays)
|- jlongArray (long arrays)
|- jfloatArray (float arrays)
|- jdoubleArray (double arrays)

我们回头看看Foo类 3 个 native 方法对应的 C 函数的参数。

1
2
3
4
5
6
7
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_foo
(JNIEnv *, jclass);

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__IJ
(JNIEnv *, jobject, jint, jlong);

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2 (JNIEnv *, jobject, jstring, jobject);

静态 native 方法foo将接收两个参数,分别为存放 JNI 函数的JNIEnv指针,以及一个jclass参数,用来指代定义该 native 方法的类,即Foo类。

两个实例 native 方法bar的第二个参数则是jobject类型的,用来指代该 native 方法的调用者,也就是Foo类的实例。

如果 native 方法声明了参数,那么对应的 C 函数将接收这些参数。在我们的例子中,第一个bar方法声明了 int 型和 long 型的参数,对应的 C 函数则接收 jint 和 jlong 类型的参数;第二个bar方法声明了 String 类型和 Object 类型的参数,对应的 C 函数则接收 jstring 和 jobject 类型的参数。

下面,我们继续修改上一小节中的foo.c,并在 C 代码中获取Foo类实例的i字段。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
// foo.c
#include <stdio.h>
#include "org_example_Foo.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
(JNIEnv *env, jobject thisObject, jstring str, jobject obj) {
jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, thisObject);
jfieldID fieldID = (*env)->GetFieldID(env, cls, "i", "I");
jint value = (*env)->GetIntField(env, thisObject, fieldID);
printf("Hello, World 0x%x\n", value);
return;
}

我们可以看到,在 JNI 中访问字段类似于反射 API:我们首先需要通过类实例获得FieldID,然后再通过FieldID获得某个实例中该字段的值。不过,与 Java 代码相比,上述代码貌似不用处理异常。事实果真如此吗?

下面我就尝试获取了不存在的字段j,运行结果如下所示:

1
2
3
4
5
$ java org.example.Foo
Hello, World 0x5
Exception in thread "main" java.lang.NoSuchFieldError: j
at org.example.Foo.bar(Native Method)
at org.example.Foo.main(Foo.java:20)

我们可以看到,printf语句照常执行并打印出Hello, World 0x5,但这个数值明显是错误的。当从 C 函数返回至 main 方法时,Java 虚拟机又会抛出NoSuchFieldError异常。

实际上,当调用 JNI 函数时,Java 虚拟机便已生成异常实例,并缓存在内存中的某个位置。与 Java 编程不一样的是,它并不会显式地跳转至异常处理器或者调用者中,而是继续执行接下来的 C 代码。

因此,当从可能触发异常的 JNI 函数返回时,我们需要通过 JNI 函数ExceptionOccurred检查是否发生了异常,并且作出相应的处理。如果无须抛出该异常,那么我们需要通过 JNI 函数ExceptionClear显式地清空已缓存的异常。

具体示例如下所示(为了控制代码篇幅,我仅在第一个GetFieldID后检查异常以及清空异常):

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
// foo.c
#include <stdio.h>
#include "org_example_Foo.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
(JNIEnv *env, jobject thisObject, jstring str, jobject obj) {
jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, thisObject);
jfieldID fieldID = (*env)->GetFieldID(env, cls, "j", "I");
if((*env)->ExceptionOccurred(env)) {
printf("Exception!\n");
(*env)->ExceptionClear(env);
}
fieldID = (*env)->GetFieldID(env, cls, "i", "I");
jint value = (*env)->GetIntField(env, thisObject, fieldID);
// we should put an exception guard here as well.
printf("Hello, World 0x%x\n", value);
return;
}

局部引用与全局引用

在 C 代码中,我们可以访问所传入的引用类型参数,也可以通过 JNI 函数创建新的 Java 对象。

这些 Java 对象显然也会受到垃圾回收器的影响。因此,Java 虚拟机需要一种机制,来告知垃圾回收算法,不要回收这些 C 代码中可能引用到的 Java 对象。

这种机制便是 JNI 的局部引用(Local Reference)和全局引用(Global Reference)。垃圾回收算法会将被这两种引用指向的对象标记为不可回收。

事实上,无论是传入的引用类型参数,还是通过 JNI 函数(除NewGlobalRef及NewWeakGlobalRef之外)返回的引用类型对象,都属于局部引用。

不过,一旦从 C 函数中返回至 Java 方法之中,那么局部引用将失效。也就是说,垃圾回收器在标记垃圾时不再考虑这些局部引用。

这就意味着,我们不能缓存局部引用,以供另一 C 线程或下一次 native 方法调用时使用。

对于这种应用场景,我们需要借助 JNI 函数NewGlobalRef,将该局部引用转换为全局引用,以确保其指向的 Java 对象不会被垃圾回收。

相应的,我们还可以通过 JNI 函数DeleteGlobalRef来消除全局引用,以便回收被全局引用指向的 Java 对象。

此外,当 C 函数运行时间极其长时,我们也应该考虑通过 JNI 函数DeleteLocalRef,消除不再使用的局部引用,以便回收被引用的 Java 对象。

另一方面,由于垃圾回收器可能会移动对象在内存中的位置,因此 Java 虚拟机需要另一种机制,来保证局部引用或者全局引用将正确地指向移动过后的对象。

HotSpot 虚拟机是通过句柄(handle)来完成上述需求的。这里句柄指的是内存中 Java 对象的指针的指针。当发生垃圾回收时,如果 Java 对象被移动了,那么句柄指向的指针值也将发生变动,但句柄本身保持不变。

实际上,无论是局部引用还是全局引用,都是句柄。其中,局部引用所对应的句柄有两种存储方式,一是在本地方法栈帧中,主要用于存放 C 函数所接收的来自 Java 层面的引用类型参数;另一种则是线程私有的句柄块,主要用于存放 C 函数运行过程中创建的局部引用。

当从 C 函数返回至 Java 方法时,本地方法栈帧中的句柄将会被自动清除。而线程私有句柄块则需要由 Java 虚拟机显式清理。

进入 C 函数时对引用类型参数的句柄化,和调整参数位置(C 调用和 Java 调用传参的方式不一样),以及从 C 函数返回时清理线程私有句柄块,共同造就了 JNI 调用的额外性能开销(具体可参考该 stackoverflow 上的回答)。

总结与实践

今天我介绍了 JNI 的运行机制。

Java 中的 native 方法的链接方式主要有两种。一是按照 JNI 的默认规范命名所要链接的 C 函数,并依赖于 Java 虚拟机自动链接。另一种则是在 C 代码中主动链接。

JNI 提供了一系列 API 来允许 C 代码使用 Java 语言特性。这些 API 不仅使用了特殊的数据结构来表示 Java 类,还拥有特殊的异常处理模式。

JNI 中的引用可分为局部引用和全局引用。这两者都可以阻止垃圾回收器回收被引用的 Java 对象。不同的是,局部引用在 native 方法调用返回之后便会失效。传入参数以及大部分 JNI API 函数的返回值都属于局部引用。

今天的实践环节,请阅读该文档中的 Performance pitfalls 以及 Correctness pitfalls 两节。