77、Java编程练习与JNI技术详解

Java编程练习与JNI技术详解

一、Java编程练习

1.1 练习题目概述

以下是一系列Java编程练习，涵盖了对象引用、克隆、异常处理、不可变类创建等多个方面，通过这些练习可以加深对Java编程的理解和掌握。

1.2 具体练习内容

1. 二级别名演示 ：创建一个方法，该方法接收一个对象引用，但不修改该引用指向的对象。不过，该方法会调用第二个方法，并将引用传递给它，而第二个方法会修改该对象。
2. 自定义字符串类 ：创建一个名为 myString 的类，该类包含一个 String 对象，在构造函数中使用构造函数的参数对其进行初始化。添加 toString() 方法和 concatenate() 方法， concatenate() 方法用于将一个 String 对象追加到内部字符串中。在 myString 类中实现 clone() 方法。创建两个静态方法，每个方法都接收一个 myString 类型的引用 x ，并调用 x.concatenate("test") ，但在第二个方法中先调用 clone() 方法。测试这两个方法并展示不同的效果。
3. 电池与玩具类 ：创建一个名为 Battery 的类，该类包含一个 int 类型的电池编号（作为唯一标识符）。使该类可克隆，并提供 toString() 方法。然后创建一个名为 Toy 的类，该类包含一个 Battery 数组和一个 toString() 方法，用于打印所有电池信息。为 Toy 类编写 clone() 方法，该方法会自动克隆其所有的 Battery 对象。通过克隆 Toy 对象并打印结果来测试该方法。
4. 异常处理修改 ：修改 CheckCloneable.java ，使所有的 clone() 方法捕获 CloneNotSupportedException ，而不是将其传递给调用者。
5. 创建不可变类 ：使用可变伴随类技术，创建一个包含 int 、 double 和 char 数组的不可变类。
6. 性能测试修改 ：修改 Compete.java ，为 Thing2 和 Thing4 类添加更多成员对象，观察性能随复杂度的变化情况，判断是简单的线性关系还是更复杂的关系。
7. 深度复制蛇类 ：从 Snake.java 开始，创建一个蛇类的深度复制版本。
8. 继承ArrayList实现深度复制 ：继承 ArrayList ，并使其 clone() 方法执行深度复制。

1.3 练习总结

这些练习涉及到Java编程的多个重要概念，包括对象引用、克隆、异常处理、不可变类等。通过完成这些练习，可以提高对Java语言的掌握程度，加深对这些概念的理解。

二、Java Native Interface (JNI) 介绍

2.1 JNI概述

Java语言及其标准API功能丰富，足以编写完整的应用程序。但在某些情况下，需要调用非Java代码，例如访问特定操作系统的功能、与特殊硬件设备交互、重用现有的非Java代码库或实现对时间要求严格的代码段。与非Java代码进行交互需要编译器和虚拟机的专门支持，以及将Java代码映射到非Java代码的额外工具。JavaSoft提供的调用非Java代码的标准解决方案是Java Native Interface (JNI)。

2.2 JNI功能

JNI是一个相当丰富的编程接口，允许从Java应用程序中调用本地方法。它在Java 1.1中被引入，并与Java 1.0的等效接口（本地方法接口NMI）保持了一定程度的兼容性。但由于NMI的设计特点使其不适合在所有虚拟机中采用，因此未来的Java版本可能不再支持NMI。目前，JNI设计用于与仅用C或C++编写的本地方法进行交互。使用JNI，本地方法可以：
- 创建、检查和更新Java对象（包括数组和字符串）
- 调用Java方法
- 捕获和抛出异常
- 加载类并获取类信息
- 执行运行时类型检查

2.3 调用本地方法示例

下面通过一个简单的示例来演示如何从Java程序中调用本地方法，该本地方法又会调用标准C库函数 printf() 。

2.3.1 编写Java代码

首先，编写Java代码声明一个本地方法及其参数：

//: appendixb:ShowMessage.java
public class ShowMessage {
    private native void ShowMessage(String msg);
    static {
        System.loadLibrary("MsgImpl");
        // Linux hack, if you can't get your library
        // path set in your environment:
        // System.load(
        //  "/home/bruce/tij2/appendixb/MsgImpl.so");
    }
    public static void main(String[] args) {
        ShowMessage app = new ShowMessage();
        app.ShowMessage("Generated with JNI");
    }
} ///:~

在上述代码中，本地方法声明后面跟着一个静态块，调用 System.loadLibrary() 方法加载一个动态链接库（DLL）到内存中并进行链接。DLL必须位于系统库路径中，文件名扩展名会根据平台由JVM自动添加。另外，还可以使用 System.load() 方法，该方法接受一个绝对路径，但使用环境变量是更好、更具可移植性的解决方案。

2.3.2 生成头文件

编译Java源文件后，使用 javah 工具对生成的 .class 文件运行，并指定 —jni 开关：

javah —jni ShowMessage

javah 会读取Java类文件，并为每个本地方法声明在C或C++头文件中生成一个函数原型。以下是生成的 ShowMessage.h 文件：

/* DO NOT EDIT THIS FILE  
   - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class ShowMessage */

#ifndef _Included_ShowMessage
#define _Included_ShowMessage
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     ShowMessage
 * Method:    ShowMessage
 * Signature: (Ljava/lang/String;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL  
Java_ShowMessage_ShowMessage
  (JNIEnv *, jobject, jstring);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

通过 #ifdef __cplusplus 预处理器指令可以看出，该文件可以由C或C++编译器编译。第一个 #include 指令包含 jni.h 头文件，该头文件定义了文件中使用的类型。 JNIEXPORT 和 JNICALL 是宏，会扩展为匹配特定平台的指令。 JNIEnv 、 jobject 和 jstring 是JNI数据类型定义。

2.3.3 实现DLL

接下来，编写C或C++源文件，包含 javah 生成的头文件并实现本地方法，然后编译生成动态链接库。以下是 MsgImpl.cpp 文件：

//: appendixb:MsgImpl.cpp
//# Tested with VC++ & BC++. Include path must  
//# be adjusted to find the JNI headers. See  
//# the makefile for this chapter (in the  
//# downloadable source code) for an example.
#include <jni.h>
#include <stdio.h>
#include "ShowMessage.h"

extern "C" JNIEXPORT void JNICALL  
Java_ShowMessage_ShowMessage(JNIEnv* env,  
jobject, jstring jMsg) {
  const char* msg=env->GetStringUTFChars(jMsg,0);
  printf("Thinking in Java, JNI: %s\n", msg);
  env->ReleaseStringUTFChars(jMsg, msg);
} ///:~

传递给本地方法的参数是返回Java的网关。第一个参数类型为 JNIEnv ，包含所有允许回调到JVM的钩子。第二个参数根据方法类型有不同的含义，对于非静态方法，它相当于C++中的 this 指针，类似于Java中的 this ，是调用本地方法的对象的引用；对于静态方法，它是实现该方法的类对象的引用。其余参数表示传递给本地方法调用的Java对象，基本类型也是通过这种方式传递，但它们是按值传递的。

2.4 JNI函数访问

2.4.1 JNIEnv参数

JNI函数是程序员在本地方法中与JVM进行交互的工具。每个JNI本地方法都会接收一个特殊的参数 JNIEnv 作为第一个参数，它是指向 JNIEnv_ 类型特殊JNI数据结构的指针。该数据结构的一个元素是指向JVM生成的数组的指针，数组的每个元素是指向JNI函数的指针。可以通过解引用这些指针从本地方法中调用JNI函数。

2.4.2 JNI函数分类

通过 JNIEnv 参数，程序员可以访问大量的函数，这些函数可以分为以下几类：
- 获取版本信息
- 执行类和对象操作
- 处理Java对象的全局和本地引用
- 访问实例字段和静态字段
- 调用实例方法和静态方法
- 执行字符串和数组操作
- 生成和处理Java异常

2.5 访问Java字符串

Java字符串采用Unicode格式，如果要将其传递给非Unicode函数（如 printf() ），必须先使用 GetStringUTFChars() 函数将其转换为ASCII字符。该函数将Java字符串转换为UTF - 8字符。以下是 MsgImpl.cpp 中访问Java字符串的示例：

const char* msg=env->GetStringUTFChars(jMsg,0);
printf("Thinking in Java, JNI: %s\n", msg);
env->ReleaseStringUTFChars(jMsg, msg);

2.6 传递和使用Java对象

可以将自己创建的Java对象传递给本地方法，并在本地方法中访问该对象的字段和方法。以下是一个示例：

2.6.1 Java代码

//: appendixb:UseObjects.java
class MyJavaClass {
    public int aValue;
    public void divByTwo() { aValue /= 2; }
}

public class UseObjects {
    private native void  
        changeObject(MyJavaClass obj);
    static {
        System.loadLibrary("UseObjImpl");
        // Linux hack, if you can't get your library
        // path set in your environment:
        // System.load(
        //"/home/bruce/tij2/appendixb/UseObjImpl.so");
    }
    public static void main(String[] args) {
        UseObjects app = new UseObjects();
        MyJavaClass anObj = new MyJavaClass();
        anObj.aValue = 2;
        app.changeObject(anObj);
        System.out.println("Java: " + anObj.aValue);
    }
} ///:~

2.6.2 C++代码

//: appendixb:UseObjImpl.cpp
//# Tested with VC++ & BC++. Include path must  
//# be adjusted to find the JNI headers. See  
//# the makefile for this chapter (in the  
//# downloadable source code) for an example.
#include <jni.h>
extern "C" JNIEXPORT void JNICALL
Java_UseObjects_changeObject(
JNIEnv* env, jobject, jobject obj) {
    jclass cls = env->GetObjectClass(obj);
    jfieldID fid = env->GetFieldID(
        cls, "aValue", "I");
    jmethodID mid = env->GetMethodID(
        cls, "divByTwo", "()V");
    int value = env->GetIntField(obj, fid);
    printf("Native: %d\n", value);
    env->SetIntField(obj, fid, 6);
    env->CallVoidMethod(obj, mid);
    value = env->GetIntField(obj, fid);
    printf("Native: %d\n", value);
} ///:~

要访问Java字段或方法，必须先使用 GetFieldID() 和 GetMethodID() 函数获取其标识符。这些函数接受类对象、元素名称字符串和类型信息字符串，返回一个用于访问元素的标识符。

2.7 JNI与Java异常

使用JNI时，可以像在Java程序中一样抛出、捕获、打印和重新抛出Java异常，但需要程序员调用专门的JNI函数来处理异常。以下是一些用于异常处理的JNI函数：
- Throw() ：抛出一个现有的异常对象，用于在本地方法中重新抛出异常。
- ThrowNew() ：生成一个新的异常对象并抛出。
- ExceptionOccurred() ：确定是否抛出了异常且尚未清除。
- ExceptionDescribe() ：打印异常和堆栈跟踪信息。
- ExceptionClear() ：清除待处理的异常。
- FatalError() ：引发致命错误，不返回。

在调用每个JNI函数后，必须调用 ExceptionOccurred() 来检查是否抛出了异常。如果检测到异常，必须确保最终清除该异常，否则调用JNI函数的结果将不可预测。

2.8 JNI与线程

由于Java是多线程语言，多个线程可以同时调用本地方法。程序员必须确保本地调用是线程安全的，即不会以无监控的方式修改共享数据。可以通过将本地方法声明为 synchronized 或在本地方法中实现其他策略来确保正确的并发数据操作。另外，不要跨线程传递 JNIEnv 指针，因为它指向的内部结构是按线程分配的，包含仅在特定线程中有意义的信息。

2.9 使用现有代码库

如果有一个现有的大型代码库需要从Java调用，将DLL中的所有函数重命名以匹配JNI名称修饰约定不是一个可行的解决方案。最佳方法是在原始代码库“外部”编写一个包装DLL，Java代码调用这个新DLL中的函数，而新DLL又调用原始DLL函数。

2.10 JNI使用流程总结

以下是使用JNI的主要流程：
1. 在Java类中声明本地方法。
2. 使用 System.loadLibrary() 或 System.load() 加载动态链接库。
3. 编译Java源文件，使用 javah 工具生成头文件。
4. 编写C或C++源文件，包含头文件并实现本地方法。
5. 编译C或C++源文件，生成动态链接库。
6. 在本地方法中使用 JNIEnv 参数访问JNI函数，处理Java对象、字符串、异常等。

2.11 总结

Java Native Interface (JNI) 提供了一种在Java应用程序中调用非Java代码的方式，通过JNI可以访问操作系统特定功能、与特殊硬件设备交互等。但使用JNI需要注意异常处理、线程安全等问题。同时，对于现有代码库的调用，可以采用包装DLL的方式。通过本文的介绍和示例代码，希望读者能够对JNI有更深入的理解和掌握。

2.12 参考代码流程图

graph TD;
    A[编写Java代码声明本地方法] --> B[加载动态链接库];
    B --> C[编译Java源文件];
    C --> D[使用javah生成头文件];
    D --> E[编写C或C++源文件实现本地方法];
    E --> F[编译C或C++源文件生成动态链接库];
    F --> G[在本地方法中使用JNIEnv访问JNI函数];

2.13 JNI函数分类表格

分类	说明
获取版本信息	获取JNI和Java虚拟机的版本信息
执行类和对象操作	创建、检查和更新Java对象
处理Java对象的全局和本地引用	管理Java对象的引用，确保对象在本地方法调用期间不被垃圾回收
访问实例字段和静态字段	获取和设置Java对象的实例字段和静态字段
调用实例方法和静态方法	调用Java对象的实例方法和静态方法
执行字符串和数组操作	处理Java字符串和数组
生成和处理Java异常	抛出、捕获和处理Java异常

2.14 本地方法参数传递机制

在JNI中，本地方法的参数传递机制有其独特之处。下面详细分析不同类型参数的传递方式：
- 基本类型参数 ：基本类型（如 int 、 double 等）按值传递给本地方法。这意味着在本地方法中对这些参数的修改不会影响到Java端的原始值。例如，如果在Java代码中传递一个 int 类型的变量给本地方法，本地方法接收到的是该变量的副本。
- 对象类型参数 ：对象类型参数传递的是Java对象的引用。在本地方法中，可以通过这个引用访问和修改Java对象的状态。但需要注意的是，本地方法中对对象的修改会直接反映到Java端的原始对象上。例如，传递一个 StringBuilder 对象给本地方法，在本地方法中调用其 append() 方法，Java端的 StringBuilder 对象也会被修改。

2.15 本地方法返回值处理

本地方法可以返回不同类型的值给Java代码。返回值的处理方式取决于返回值的类型：
- 基本类型返回值 ：本地方法返回基本类型时，会直接将值返回给Java代码。例如，本地方法返回一个 int 类型的值，Java代码可以直接接收并使用。
- 对象类型返回值 ：本地方法返回对象类型时，返回的是Java对象的引用。Java代码可以通过这个引用操作返回的对象。例如，本地方法返回一个 ArrayList 对象，Java代码可以对该 ArrayList 进行遍历、添加元素等操作。

2.16 JNI性能考虑

使用JNI虽然可以实现Java与非Java代码的交互，但也会带来一定的性能开销。以下是一些影响JNI性能的因素及相应的优化建议：
- 方法调用开销 ：从Java代码调用本地方法会有一定的开销，因为涉及到Java和本地代码之间的上下文切换。为了减少这种开销，可以尽量减少不必要的本地方法调用，将相关操作合并到一个本地方法中。
- 数据传递开销 ：在Java和本地代码之间传递数据也会有开销，尤其是传递大量数据时。可以考虑在本地代码中处理数据，减少数据在Java和本地代码之间的来回传递。
- 内存管理开销 ：JNI中的内存管理需要特别注意，不当的内存管理会导致内存泄漏和性能问题。要及时释放不再使用的本地引用和全局引用，避免内存泄漏。

2.17 JNI实际应用场景

JNI在实际开发中有很多应用场景，以下是一些常见的例子：
- 访问操作系统特定功能 ：当Java标准API无法满足需求时，可以使用JNI调用操作系统的底层功能。例如，在Windows系统中调用Windows API来实现文件操作、系统信息获取等功能。
- 与硬件设备交互 ：在嵌入式系统开发中，需要与硬件设备进行交互。可以使用JNI编写本地代码来控制硬件设备，如读取传感器数据、控制电机等。
- 重用现有代码库 ：如果有现有的非Java代码库（如C或C++代码库），可以使用JNI将其集成到Java应用程序中，避免重复开发。

2.18 JNI常见错误及解决方法

在使用JNI的过程中，可能会遇到一些常见的错误。以下是一些常见错误及相应的解决方法：
| 错误类型 | 错误描述 | 解决方法 |
| ---- | ---- | ---- |
| UnsatisfiedLinkError | 当Java代码无法加载本地库时会抛出该异常。 | 检查本地库的路径是否正确，确保本地库文件存在于系统库路径中。 |
| NullPointerException | 在本地方法中访问空引用时会抛出该异常。 | 在使用引用之前，先检查引用是否为空。 |
| ClassNotFoundException | 当本地方法无法找到Java类时会抛出该异常。 | 检查Java类的名称是否正确，确保Java类已经被正确加载。 |
| NoSuchFieldError 或 NoSuchMethodError | 当本地方法无法找到Java类的字段或方法时会抛出该异常。 | 检查字段或方法的名称和签名是否正确。 |

2.19 JNI开发环境搭建

搭建JNI开发环境需要以下步骤：
1. 安装Java开发工具包（JDK） ：确保已经安装了合适版本的JDK，并配置好环境变量。
2. 安装C或C++开发工具 ：根据需要选择合适的C或C++开发工具，如Visual Studio、GCC等。
3. 配置开发环境 ：将JDK的头文件路径和库文件路径添加到C或C++开发工具的包含路径和库路径中。
4. 编写Java代码和本地代码 ：按照前面介绍的步骤编写Java代码和本地代码。
5. 编译和运行 ：编译Java代码和本地代码，生成动态链接库，并运行Java程序。

2.20 JNI未来发展趋势

随着Java技术的不断发展，JNI也在不断改进和完善。未来，JNI可能会朝着以下方向发展：
- 性能优化 ：进一步优化JNI的性能，减少方法调用和数据传递的开销。
- 简化开发 ：提供更简单、更易用的API，降低JNI开发的难度。
- 跨平台支持 ：增强JNI的跨平台支持能力，使其在不同操作系统和硬件平台上都能更好地工作。

2.21 总结

本文详细介绍了Java Native Interface (JNI) 的相关知识，包括JNI的概述、功能、调用本地方法的示例、JNI函数访问、异常处理、线程安全等方面。同时，还讨论了JNI的性能考虑、实际应用场景、常见错误及解决方法、开发环境搭建等内容。通过学习本文，读者可以对JNI有更深入的理解，并能够在实际开发中灵活运用JNI技术实现Java与非Java代码的交互。

2.22 JNI开发流程mermaid图

graph LR
    A[安装JDK和C/C++开发工具] --> B[配置开发环境]
    B --> C[编写Java代码声明本地方法]
    C --> D[加载动态链接库]
    D --> E[编译Java源文件]
    E --> F[使用javah生成头文件]
    F --> G[编写C或C++源文件实现本地方法]
    G --> H[编译C或C++源文件生成动态链接库]
    H --> I[运行Java程序调用本地方法]

2.23 JNI性能优化策略列表

• 减少不必要的本地方法调用，将相关操作合并到一个本地方法中。
• 在本地代码中处理数据，减少数据在Java和本地代码之间的来回传递。
• 及时释放不再使用的本地引用和全局引用，避免内存泄漏。
• 对频繁调用的本地方法进行性能测试和优化。