Java调用本地方法又是怎么一回事

JNI

JNI即Java Native Interface，它能在Java层实现对本地方法的调用，一般本地的实现语言主要是C/C++，其实从虚拟机层面来看JNI挺好理解，JVM主要使用C/C++ 和少量汇编编写，在执行Java字节码时如果遇到有某个方法标明为Native的则从JVM中找到对应的C/C++函数，一般本地方法对应的函数会被注册到JVM中。

使用JNI能让Java与本地语言交互，但一般也意味着丧失了跨平台性，而有些场合会使用。比如标准的Java特性不符合你的需求时，比如在性能要求很高的某段逻辑。

从一个例子说起

编写一个Java类提供本地加密的方法，其中加密方法为本地方法，实现是在ByteCodeEncryptor动态库。

package com.seaboat.bytecode;

public class ByteCodeEncryptor {
  static{
    System.loadLibrary("ByteCodeEncryptor");
  }

  public native static byte[] encrypt(byte[] text);

}

为方便起见，不自己写头文件，用javah -jni com.seaboat.bytecode.ByteCodeEncryptor生成。

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

#ifndef _Included_com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor
#define _Included_com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor
 * Method:    encrypt
 * Signature: ([B)[B
 */
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL Java_com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor_encrypt
  (JNIEnv *, jclass, jbyteArray);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

编写源文件，实现头文件声明的函数。

#include "com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor.h"
#include "jni.h"

void encode(char *str)
{
    unsigned int m = strlen(str);
    for (int i = 0; i < m; i++)
    {
        str[i] = str[i]+4;
    }

}

extern"C" JNIEXPORT jbyteArray JNICALL
Java_com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor_encrypt(JNIEnv * env, jclass cla,jbyteArray text)
{
    char* dst = (char*)env->GetByteArrayElements(text, 0);
    encode(dst);
    env->SetByteArrayRegion(text, 0, strlen(dst), (jbyte *)dst);
    return text;
}

用cl进行编译，生成动态库，指定编译需要的一些头文件。

cl /EHsc -ID:\Java\jdk1.8.0_73\include\ -ID:\Java\jdk1.8.0_73\include\win32 -LD com_seaboat_bytecode_ByteCodeEncryptor.cpp -FeByteCodeEncryptor.dll

可以调用Java层的ByteCodeEncryptor类的encrypt方法了。

怎么加载动态库

Java层需要调用System.loadLibrary去加载动态库，而它其实就是通过ClassLoader的loadLibrary方法来加载，加载的大致逻辑为：

是不是使用了绝对路径来指定动态库，如果是则直接通过绝对路径来加载。
如果启动Java时带有-Dsun.boot.library.path=xxxx时，则去改参数指定的目录下寻找动态库。
如果启动Java时带有-Djava.library.path=xxxx时，则去改参数指定的目录下寻找动态库。

加载动态库在Java层面实现不了，所以必须会通过本地才能真正实现加载操作，Java层面最后是走到NativeLibrary类，其包含的load本地方法为真正的加载注册操作。

对应着ClassLoader.c的Java_java_lang_ClassLoader_00024NativeLibrary_load函数，因为NativeLibrary在Java层的ClassLoader的子类，所以其中包含一串数字00024，即表示美元符号。该函数最重要的一步是调了JVM_LoadLibrary函数，该函数如下，核心的一步是os::dll_load，它会根据不同的操作系统做不同的处理。

JVM_ENTRY_NO_ENV(void*, JVM_LoadLibrary(const char* name))
  //%note jvm_ct
  JVMWrapper2("JVM_LoadLibrary (%s)", name);
  char ebuf[1024];
  void *load_result;
  {
    ThreadToNativeFromVM ttnfvm(thread);
    load_result = os::dll_load(name, ebuf, sizeof ebuf);
  }
  if (load_result == NULL) {
    char msg[1024];
    jio_snprintf(msg, sizeof msg, "%s: %s", name, ebuf);
    // Since 'ebuf' may contain a string encoded using
    // platform encoding scheme, we need to pass
    // Exceptions::unsafe_to_utf8 to the new_exception method
    // as the last argument. See bug 6367357.
    Handle h_exception =
      Exceptions::new_exception(thread,
                                vmSymbols::java_lang_UnsatisfiedLinkError(),
                                msg, Exceptions::unsafe_to_utf8);

    THROW_HANDLE_0(h_exception);
  }
  return load_result;
JVM_END

看一个图，它包含了linux、solaris、windows三大类型操作系统的处理，下面分别看看不同操作系统如何处理。

对于linux，主要通过dlopen函数来打开动态库，并加载到内存中，再通过dlsym函数可以获取动态库中的函数指针，于是就能实现调用动态库某函数。
对于solaris，主要通过dlopen函数来打开动态库，并加载到内存中，再通过dlsym函数可以获取动态库中的函数指针，但它与linux不同的是dlsym在linux中是非线程安全的，需要加锁，而solaris则不需要。
对于windows，主要通过LoadLibrary函数加载动态库，加载到内存中，再通过GetProcAddress函数可以获取动态库的函数指针，从而实现调用动态库某函数。

另外，我们注意到Java层不必指定动态库的后缀，这个留给JVM去解决，它会根据不同操作系统添加不同的后缀，这个逻辑由System.c的Java_java_lang_System_mapLibraryName函数实现，它会有如下两个后缀。

#define JNI_LIB_SUFFIX ".so"

#define JNI_LIB_SUFFIX ".dll"

字节码

对于字节码，它是Java执行时的指令，其实想一下就能想到本地方法要在执行时区别于Java层的调用，所以必须要有一个flag来标识本地方法，那咱们用javap来看看上面包含本地方法的class会有什么标识，可以看到存在一个ACC_NATIVE，有了它就可以在执行时调用C/C++函数了。

public static native byte[] encrypt(byte[]);
    descriptor: ([B)[B
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_NATIVE

总结一下

两句话总结起来就是，Java编译器将包含本地方法的class对应的方法添加ACC_NATIVE标识，而JVM负责将动态库加载到内存，Java执行引擎执行到本地方法时找到对应的函数，完成本地方法的调用。

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