JNI

2024-12-01 08:57:40   0  举报

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AI智能生成

JNI (Java Native Interface) 是一种允许Java代码和其他编程语言（尤其是C和C++）进行交互的机制。它允许Java程序员在Java代码中调用本地方法，这些方法通常是用C或C++编写的。这种机制使得Java程序能够访问操作系统的底层功能，例如文件I/O、图形处理和网络通信。JNI是Java平台不可或缺的一部分，因为它提供了与各种底层系统和硬件进行交互的能力。

jni

jvm

java

作者其他创作

大纲/内容

JNI如何实现Java与C++互通

JNI是Java Native Interface的缩写 Java可以通过JNI作为桥梁实现Java程序与C语言、C++编写的程序互调

什么场景下会用到JNI 1.用Java实现不了或者实现起来比较复杂。比如人脸识别、图像识别 2.驱动硬件

什么是动态链接库？ 动态链接库:Linux平台下以【.so】结尾、Windows平台以下【.dll】结尾。程序编译时不会打包进可执行文件。 静态链接库:程序编译时会打包进可执行文件.相比动态链接库，生成的可执行文件更大。但是可独立运行

如何生成? C语言用gcc编译，C++用g++编译 编译的时候，不需要放.h文件

C语言 /usr/bin/gcc -dynamiclib -l /Library/JavaVirtualMachines/openjdk-12.-.2.jdk/Contents/Home/include  source/com_ziya_jni_TestPrint.cpp -o /lib/libjni.so

C++ /usr/bin/g++ -dynamiclib -l /Library/JavaVirtualMachines/openjdk-12.-.2.jdk/Contents/Home/include  source/com_ziya_jni_TestPrint.cpp -o /lib/libjni.so

生成的动态链接库放哪儿Java程序能找到 System.out.println(System.getProperty("java.library.path"));

如何使用 文件名格式:lib+文件名+".so"，真正在用的时候写文件名就行了。比如libhello.so System.loadLibraray("hello");

JNI头文件

如何生成 javac [-encoding utf8] -h targetDir sourceFile eg:javac -h /home/ziya/IdeaProjects/java-research/jni /home/ziya/IdeaProjects/java-research/src/main/java/com/luban/jni/MyJniTest.java

IDE配置external tool生成 $FileDirRelativeToProjectRoot$/$FileName$ -h ./jni

注意 1.只要Java文件中有native方法才会生成JNI头文件 2.如果Java程序中引用了其他的类，比如extends，需要关联引用的文件才能生成JNI头文件

函数原型解释 如果是静态方法，第二个参数是jclass类型。如果是非静态方法，第二个参数是jobject类型，即this.

handle模型 在oop模型、klass模型外面又包装了一层。 JNI_ENTRY(jobject, jni_NewGlobalRef(JNIEnv *env, jobject ref))   JNIWrapper("NewGlobalRef");   Handle ref_handle(thread, JNIHandles::resolve(ref));   jobject ret = JNIHandles::make_global(ref_handle);   return ret; JNI_END

开发JNI程序

需要配置头文件所在路径 include_directories("/home/ziya/Documents/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/include/") include_directories("/home/ziya/Documents/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/include/linux")

JNI相关API所在位置(jni.h) 可以以C语言的方式调用，也可以以C++的方式调用，略有不同

C语言端 生成.so文件 /usr/bin/gcc -dynamiclib -shared  -fpic -I/home/ziya/Documents/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/include/ -I/home/ziya/Documents/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/include/linux com_luban_jni_MyJniTest.c -o /lib/libjni_my.so 如果遇到jni_md.h文件找不到，需要将编译好的openjdk目录中的jni_md.h拷贝到它的上一层 jni_md.h文件找不到，需要将/home/ziya/Documents/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/include/linux下的jni_md.h 进入到上面的目录中执行cp jni_md.h ../即可 CLion的external tool配置 Program: /usr/bin/gcc Arguments: -shared -fpic -I/home/ziya/Documents/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/include/ com_qimingnan_jni_JniTest.c -o /lib/libjni.so Working Directory: $ProjectFileDir$

java端 生成.h头文件 javac -h /home/ziya/IdeaProjects/java-research/jni /home/ziya/IdeaProjects/java-research/src/main/java/com/luban/jni/MyJniTest.java

使用JNI将内存池接入

一般来说，大家接触到的GC收集器的所有名词都是一个独立的实体:内存管理器、垃圾分配策略、 屏障、信息收集器、记忆集、卡表......我们这里只聚焦于内存管理器、垃圾分配策略。

1.PS 内存管理器:ParalelScavengeHeap 垃圾回收策略:PSParallelCompact、PSMarkSweep(ParallelScavengeHeap::do_full_collection) 自调节控制器:PSAdaptiveSizePolicy 大对象判断如图

2.Serial(我们的JVM参考这个去实现) 内存管理器:GenCollectedHeap 垃圾回收策略:MarkSweepPolicy(Serial)、ASConcurrentMarkSweepPolicy与ConcurrentMarakSweepPolicy(CMS)

3.G1 内存管理器:G1CollectedHeap 垃圾回收策略:G1CollectorPolicyExt

JVM的堆区是何时如何创建的 注意理解一句话:不是由GC算法决定内存模型，而是希望支持什么样的GC算法，需要设计什么样的内存模型

根据不同的垃圾回收策略去创建不同的内存模型

当确定好Universe::_collectedHeap(垃圾回收策略之后)，接着会调用initialize()

以G1收集器为例，接着就是要向操作系统申请内存。具体实现在reserve_heap中

reserve_heap方法，最终一定会调用到os目录中的代码

接入思路 以永久代的方式存储klass模型 1.模拟启动JVM初始化堆 2.重写类解析器，将klass模型写入永久代 3.模拟创建对象，将oop模型写入新生代

Unsafe.allocateMemory() C++中new一个对象其实是在一个进程的堆中创建的，HotSpot要想new在自己的堆中，肯定要重写new，重写了new，对应的delete方法也要重写

自实现OOP机制

OOP作为Java语言的基石，所有的特性都需要此基石支撑。 JVM的三种模型 1.oop模型: InstanceOop 2.Klass模型 InstanceKlass InstanceMirrorKlass 3.handle模型 jint(int类型做了一层包装)

JVM实现思路 1.用C++从0开始，自己实现所有 2.用C++从0开始，jdk部分用openjdk的，比如System类 3.用JNI作为桥梁，一点一点的接入。比如内存池。openJDK有的通过JNI调用，比如System

OOP实现思路 1.传统方式(先以这种方式实现) 2.内存编织方式(进阶实现)

klass状态 enum Classstate { allocated, // allocated (but not yet linked) loaded,  // loaded and inserted in class hierarchy (but not linked yet) linked, // successfully linked/verfied (but not initialized yet) being_initialized, // currently running class initializer fully_initialized, // initialied (successfull final state) initialization_error, // error happened during initialization } allocated状态表示已经分配内存，在InstanceKlass的构造函数中通常会将_init_state初始化为这个状态， loaded状态表示类已经装载并且已经插入到继承体系中，在SystemDictionary:add_to_hierarchy()方法中会更新 linked状态标识已经成功连接/校验，只在InstanceKlass::link_class_impl()方法中更新为这个状态 另外3个状态是在类的初始化方法InstanceKlass::initialize_impl()中使用 初始化之前，会执行<clinit>静态代码块，初始化之后会上锁，保证线程安全 1.klass-oop-handle体系，还要实现mirrorKlass 2.用C++重写类解析器，生成Java类对应的Klass对象、mirrorKlass对象 3.实现方法初始化 4.实现对象创建(无继承无实现) 5.实现属性读写(静态、非静态) 6.实现方法调用(重复调用、嵌套调用) 7.实现继承(无属性无方法) 8.实现属性继承、属性读写(非多态访问、多态访问) 9.属性方法继承、方法访问(非多态访问、多态访问) 10.接口实现 11.多态访问

封装 继承 多态 一个类有属性和方法，可以继承和实现其他类。 属性分为静态和非静态 new指令会触发父类的加载 new一个对象对应的四条字节码指令 new 创建一个空对象，内存地址入栈 dup 复制栈顶元素，接下来要调用init非静态方法，但this指针还是空的，所以需要把栈顶元素弹出去，给this指针赋值，然后再把元素压入栈 invokespecial <init> 调用init方法 astore_1 pop出元素，赋值给index=1的局部变量表 加载阶段 SytemDictionary::resolve_or_null -> parseClassFile link阶段的触发是在合适的阶段被触发的，例如new一个对象时 link_class. HotSpot源码中是有验证阶段和解析阶段的，但是没有准备阶段(为类变量分配内存，设置默认值。但是在到达初始化。之前，类变量都没有初始化为真正的初始值) 多态 invokevirtual 类继承相关 invokeinterface 接口实现相关 vtable dispatch 虚表分发

类的初始化initialized_impl parseClassFile()->parseFields()->调整变量内存布局

layout_fields(class_loader, &fac, &parsed_annotations, &info, CHECK_NULL);

三种内存编织规则

解析属性，将会创建short[length][6] 接着将它解析之后放入FieldInfo Map<String, Integer>map,字段会有一个签名

JVM是如何调用Java方法的

多态的体现及相关指令 1.类的继承 invokevirtual vtable 2.接口实现 invoke interface itable Jvm中调用方法 invokestatic 调用静态方法 invokespecial private、构造方法 invokevirtual 多态方法，虚表分发 (vtable dispatch) invokeinterface 调用接口实现 invokedynamic lambda表达式

如何实现 通过父类引用访问子类方法，底层是借助虚表实现的。如图，其底层就是用数组来存储额。越处于继承链的顶端，其中的方法越靠前存储。 在C++中，这张表叫虚表。在JVM中，这张表叫做vtable,位置在klass对象的后面。 只要是通过invokevirtual指令调用的方法都需要写入vtable.哪些方法通过invokevirtual指令调用呢？被protected、public修饰，且不被final、static修饰的方法。满足这些条件的方法又称为虚方法。那native方法要插入vtable吗? 要 写程序实现时，要先处理parent.parent的虚方法，再处理parent的虚方法，再处理自己的虚方法。具体细节: 1.因为Object类，自实现的JVM是不解析的，那顶层的父类的super klass是NULL，所以程序需要处理  a.super klass为空 b.super klass不为空 2.因为不知道继承链有多长，虚表递归处理

何时写入vtable? 可以有两个选择 1.解析字节码文件的时候 2.需要用到虚表的时候，即调用的时候。JVM是选择这个时机触发插入的。具体是link阶段 JVM在执行这些字节码指令之前进行link:anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、ldc2_w、multianewarray、new、putfield

如何调用？ 按顺序找，调用最后出现的那个，这也就是为什么子类重写了父类中的方法，调用的是子类中的原因所在

模板解释器原理 1.call_stub 2.entry_point

执行字节码案例 Java代码 public class Test_1 {     public static void main(String[] args) {         int a = 10;     } } 生成的字节码指令 0 bipush 10 2 istore_1 3 return

1.第一步，找到main方法

再点进去你会发现，它是一个接口实现，并且还在jni.h当中，定位不到方法实现中

我们需要jni+下划线+方法名。到jni.cpp里面去找

2.调用jni_invoke_static

3.调用call_stub call_stub生成的代码长什么样？ 哪里生成的？stubGenerator_x86_64.cpp#generate_initial() -> generate_all_stub

StubRoutines::initialize1()

StubGenerator_generator

generate_call_stub里面的 __ enter()做的就是在开启堆栈

解决了什么问题？ 虚拟机栈在哪里？main方法其实就是call_stub调的，， 需要准备调用环境，call_stub是一个函数指针，开辟堆栈 call_stub在调用main方法的时候，有两个步骤，第一个是生成call_stub，第二个执行entry_point, 然后才会调用到main方法当中去 call_stub做的事情 需要创建自己的栈也就是OS中的栈，然后再创建虚拟机栈。虚拟机栈式寄生在call_stub的栈中，为什么要这样做？ 因为硬编码编织纪要支持push这样的汇编指令，又要支持虚拟机栈，很矛盾的点，又要支持push汇编指令又要用到虚拟机栈，怎么解决呢？ 两种方案 1.寄生。虚拟机栈寄生在call_stub的栈中，在call_stub的下面拉伸一段，96字节 2.移花接木。也是自实现的JVM版本中的方式，两个虚拟机栈，怎么来回切换呢？如果说在OS栈中，需要用到虚拟机栈，把rsp/esp，切到虚拟机栈，然后用完之后，再切回到OS栈中。切栈

call_stub做了两件事情 1.创建堆栈 2.进入entry_point

怎么进入的entry_point呢？ 将Java方法放入到了rbx寄存器当中，然后执行

entry_point什么时候生成的呢？ JVM启动的时候，在init_globals()里面的时候生成->interpreter_init()->TemplateInterpreter::initialize()

普通的Java方法定义成zerolocals method_entry(zeroloclas) method_entry(zerolocals_synchronized) 带了synchronized修饰

4.method_entry(zerolocals) Interpreter::_entry_table[Interpreter::kind] = generate_method_entry(Interpreter::kind); return ig_this->generate_normal_entry(synchronized);

return ig_this->generate_normal_entry(synchronized);

生成路径 interpreter_init()->

Interpreter继承了CppInterpreter和TemplateInterpreter，我们点进TemplateInterpreter看它的initialize()方法

这里进行了TemplateTable初始化，以及InterpreterGenerator的构造方法

我们点进去看它在x86_64下的构造方法里面做了什么

调用了generate_all()

上面的代码点过去不知道为什么跳转到的式cppInterpreter，正确的式应该是跳到templateInterpreter.cpp

5.__ dispatch_next(vtos); def(Bytecodes::_bipush              , ubcp|____|____|____, vtos, itos, bipush              ,  _           );

6.void TemplateTable::bipush() {     transition(vtos, itos); // 将bipush后面的操作数赋值给rax __ load_signed_byte(rax, at_bcp(1)); }