《JVM第6課》本地方法棧

救苦救难韩天尊發表於2024-10-31
JVM

1 什麼是本地方法

首先要知道什麼是本地方法，本地方法並不是 JVM 自己的方法，也不是 jre 裡面的方法，而是指那些作業系統自己的方法（如C/C++方法），它們在作業系統目錄裡。可以這麼理解，本地方法就是計算機作業系統對外提供的方法，JVM 透過呼叫這些方法可以實現 Java 程式和計算機的互動。

1.1 本地方法的好處

  1. 訪問作業系統資源：直接呼叫作業系統的API，例如檔案系統、網路介面、圖形使用者介面等。
  2. 效能最佳化：對於某些計算密集型任務，使用C或C++等語言實現可以顯著提高效能。
  3. 使用現有庫：利用已經存在的C/C++庫，避免重複開發和維護。
  4. 硬體訪問：直接訪問硬體裝置，例如攝像頭、感測器等。

所以如果我們想最佳化計算密集型任務的效能，或是呼叫 Java 中沒有實現的計算機功能，我們可以自己實現一個本地方法。

1.2 宣告本地方法

在Java中，本地方法透過native關鍵字宣告。例如：

public class MyClass {
    // 宣告本地方法
    public native void nativeMethod();

    // 靜態塊中載入本地庫
    static {
        System.loadLibrary("mylib"); // 載入名為mylib的本地庫
    }

    public static void main(String[] args) {
        new MyClass().nativeMethod(); // 呼叫本地方法
    }
}

1.3 實現本地方法

本地方法的實現通常使用JNI（Java Native Interface）或JNA（Java Native Access）來完成。以下是使用JNI實現本地方法的步驟：

1. 生成標頭檔案

使用javah工具生成包含本地方法簽名的C標頭檔案。假設上面的Java類儲存為MyClass.java，編譯後生成MyClass.class，然後執行：

javah -jni MyClass

這將生成一個名為MyClass.h的標頭檔案，內容如下：

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

#ifndef _Included_MyClass
#define _Included_MyClass
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     MyClass
 * Method:    nativeMethod
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_MyClass_nativeMethod
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

2. 編寫C語言實現

根據生成的標頭檔案，編寫C語言實現。例如：

#include <jni.h>
#include <stdio.h>
#include "MyClass.h"

// 實現本地方法
JNIEXPORT void JNICALL Java_MyClass_nativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj) {
    printf("Hello from native method!\n");
}

3. 編譯C程式碼

將C程式碼編譯成動態連結庫。假設C檔名為mylib.c，編譯命令如下：

在Linux上：

gcc -shared -o libmylib.so -I/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/include -I/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/include/linux mylib.c

在Windows上：

cl -I"%JAVA_HOME%\include" -I"%JAVA_HOME%\include\win32" -LD mylib.c -Fe mylib.dll

4. 執行Java程式

確保動態連結庫在Java程式的庫路徑中，然後執行Java程式：

java -Djava.library.path=. MyClass

1.4 使用JNA

JNA是一種更簡單的方式來呼叫本地庫，不需要編寫C程式碼。以下是一個使用JNA的示例：

  1. 新增JNA依賴：在專案中新增JNA的依賴。如果你使用Maven，可以在pom.xml中新增：
<dependency>
    <groupId>net.java.dev.jna</groupId>
    <artifactId>jna</artifactId>
    <version>5.8.0</version>
</dependency>
  1. 定義介面：定義一個介面來對映本地庫中的函式。
import com.sun.jna.Library;
import com.sun.jna.Native;

public interface MyLib extends Library {
    MyLib INSTANCE = Native.load("mylib", MyLib.class);

    void nativeMethod();
}
  1. 呼叫本地方法：
public class MyClass {
    public static void main(String[] args) {
        MyLib.INSTANCE.nativeMethod(); // 呼叫本地方法
    }
}

1.5 總結

本地方法是Java程式中的一種特殊方法，其宣告在Java程式碼中，但實現由非Java語言編寫。透過本地方法，Java程式可以訪問作業系統資源、最佳化效能、使用現有庫和直接訪問硬體裝置。常見的實現方式包括JNI和JNA。

2 本地方法棧

2.1 特點

  1. 執行緒私有：每個執行緒都有自己的本地方法棧，與Java虛擬機器棧一樣，本地方法棧也是執行緒私有的。
  2. 儲存結構：本地方法棧中的每個棧幀（Frame）對應一次本地方法的呼叫。棧幀中包含本地方法的引數、區域性變數、運算元棧等資訊。
  3. 呼叫機制：當Java程式碼呼叫一個本地方法時，JVM會建立一個新的棧幀並將其壓入本地方法棧。本地方法執行完畢後，棧幀會被彈出並丟棄。

2.2 本地方法棧與Java虛擬機器棧的區別

  • 用途不同：Java虛擬機器棧用於支援Java方法的執行，而本地方法棧用於支援本地方法的執行。
  • 實現方式：Java虛擬機器棧的實現由JVM規範規定，而本地方法棧的實現通常依賴於具體的JVM實現和作業系統的ABI（Application Binary Interface）。
  • 資料型別：Java虛擬機器棧主要處理Java型別的值，而本地方法棧可能涉及更廣泛的C/C++型別或其他原生型別。

2.3 本地方法棧的工作流程

  1. 方法呼叫：當Java程式碼中呼叫一個宣告為native的方法時，JVM會查詢該方法的本地實現。
  2. 棧幀建立：JVM為本地方法建立一個新的棧幀，並將其壓入本地方法棧。
  3. 引數傳遞：呼叫本地方法所需的引數會被從Java虛擬機器棧複製到本地方法棧的棧幀中。
  4. 方法執行：本地方法在本地方法棧中執行，可以訪問作業系統資源、硬體裝置等。
  5. 結果返回：本地方法執行完畢後，結果會被從本地方法棧複製回Java虛擬機器棧，然後繼續執行Java程式碼。
  6. 棧幀彈出：本地方法棧中的棧幀被彈出並丟棄。

2.4 總結

本地方法棧是JVM中用於支援本地方法呼叫的重要資料結構。透過本地方法棧，Java程式可以呼叫用其他語言編寫的程式碼，從而實現更廣泛的功能和更高的效能。

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