java是如何调用native方法？hotspot源码分析必会技能

落日映苍穹つ 2022-12-21 03:11 109阅读 0赞

在学习JDK源码（concurrent并发包、Thread相关源码等）时，一层一层进入方法中，看到最底层通常都会看到一个native修饰的方法。

为什么到看JDK源码时，到native方法就没有了？native方法是干啥的？在哪里能看到native方法？java是如何调用native方法的？今天，就通过实际模拟，看看java是如何调用native方法的。

为了做这个测试，花了我两个晚上，遇到各种问题。为了解决这些问题，都不知道抽了多少根烟，掉了多少的头发。

上正文。

## 一、为什么会有native方法 ##

java是偏上层的计算机语言，最终都需要在底层的操作系统上执行，而java是不能直接操作操作系统的。这就需要在java和操作系统之间，有一种类似语言转义的过程。

我们知道，C语言和C++语言可以和操作系统直接交互。JDK中native方法，可以将java操作指令转换成C和C++，从而实现和底层的操作系统交互。而将java操作转换成C和C++的过程就是JVM完成的，jvm（比如hotspot）的源码中有大量的C和C++的代码，这些代码就包含JDK中native方法的具体实现了。

这里想复习一下JDK、JRE、JVM之间的关系。JDK是Java开发工具包，是整个Java的核心，包括了Java运行环境JRE、Java工具和Java基础类库。JRE是JDK项目的一部分，是java的运行环境，包含JVM标准实现及Java核心类库。JVM是java虚拟机，是整个java实现跨平台的最核心的部分，能够运行以Java语言写作的软件程序。因此，JVM是连接java语言和操作系统的桥梁，java的”一次编译到处运行“，就是JVM屏蔽了不同操作系统的差异，因为在JVM模块中，同一个native方法会有不同的操作系统的实现，以满足不同操作系统的要求。因此，想了解native方法的具体实现，必须看JVM的代码。JVM的源码在哪里？当然在JDK的源码当中了。[这里][Link 1]可以在查看不同版本的OpenJdk的代码，openJdk内部就有不同版本的hotspot的实现了。

今天的重点不是JDK的源码，这里就不细说了。

模拟Java调用c或c++写的native方法的技术叫做JNI(Java Native Interface)。JNI可以确保代码在不同的平台上方便的移植。

## 二、写一个简单的java对象 ##

这里写一个简单的java类，使用javac编译、javap生产头文件、并使用java命令执行。

/** * Description: java调用C * java方法中有很多native方法，这些方法都是hotspot中用C或者C++实现的。 * 下面模拟一个java调用C的过程 * @author 诸葛小猿 * @date 2020-11-11 */
    public class JavaCallC { 
    
        static { 
            // 使用文件名加载自定义的C语言库
            System.load("/root/java-learn/libJavaCallC.so" );
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            JavaCallC javaCallC =new JavaCallC();
            
            // 调用本地方法
            javaCallC.cMethod();
        }
    
        // 使用C语言实现本地方法
        private native void cMethod();
    }

几个坑：

*  为了后面不会出现各种幺蛾子，建议不要加包名。
 *  代码的第12行的库文件，后面会生成，注意文件的名字和路径。库文件也可以使用`System.loadLibrary( "JavaCallC" )`方式加载，这种方式加载要注意库的名字;
 *  代码的第24行，定义一个native方法。后面会使用c语言模拟实现。

## 三、获得JavaCallC.class文件 ##

将上面的文件上传到Centos上，使用如下命令进行编译。

文件上传路径： `/root/java-learn`

在该路径下执行编译命令： `java JavaCallC.java`

该路径下会生成一个class文件：`JavaCallC.class`

## 四、获得JavaCallC.h文件 ##

在 `/root/java-learn`路径下，使用javah命令生成头文件

在该路径下执行： `javah JavaCallC`。注意不要带后缀。

会在该路径下生成头文件：`JavaCallC.h`

上面的执行过程：

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# pwd
    /root/java-learn
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# ll
    total 4
    -rw-r--r-- 1 root root 635 Nov 12 23:45 JavaCallC.java
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# javac JavaCallC.java 
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# ll
    total 8
    -rw-r--r-- 1 root root 476 Nov 12 23:46 JavaCallC.class
    -rw-r--r-- 1 root root 635 Nov 12 23:45 JavaCallC.java
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# javah JavaCallC
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# ll
    total 12
    -rw-r--r-- 1 root root 476 Nov 12 23:46 JavaCallC.class
    -rw-r--r-- 1 root root 376 Nov 12 23:46 JavaCallC.h
    -rw-r--r-- 1 root root 635 Nov 12 23:45 JavaCallC.java
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]#

打开头文件，查看具体内容：

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# cat JavaCallC.h
    /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
    #include <jni.h>
    /* Header for class JavaCallC */
    
    #ifndef _Included_JavaCallC
    #define _Included_JavaCallC
    #ifdef __cplusplus
    extern "C" { 
    #endif
    /*
     * Class:     JavaCallC
     * Method:    cMethod
     * Signature: ()V
     */
    JNIEXPORT void JNICALL Java_JavaCallC_cMethod # 这里就是java文件中cMethod方法的签名。
      (JNIEnv *, jobject);
    
    #ifdef __cplusplus
    }
    #endif
    #endif
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]#

头文件的第16-17行很关键，他是上面java文件的cMethod方法的签名。**在下面C语言实现这个方法时，方法的签名必须和这个方法一致**。

## 五、使用C语言模拟一个native方法 ##

模拟一个c代码，文件名称`Cclass.c`：

#include <stdio.h> //头文件
    #include "JavaCallC.h" // java文件头，这里一定要加上上面java语言的头文件
    
    // 这就是上面头文件中的cMethod方法的具体实现，注意方法签名不能变，一定要和头文件一样。
    JNIEXPORT void JNICALL Java_JavaCallC_cMethod(JNIEnv *env, jobject c1) 
    { 
        // 如果java调用cMethod方法成功，则会打印这句话
        printf("Java_JavaCallC_cMethod call succ \n");
    }
    
    // 以下所有的内容的内容是测试Cclass.c的语法的，可以省掉。
    // 先声明 后调用
    void test(){  printf("main C \n");}
    
    //main方法，程序入口,用于测试
    int main(){  test();}

同样将`Cclass.c`上传到Centos上，文件上传路径： `/root/java-learn`。

下面使用`Cclass.c`生成动态链接库文件：`libJavaCallC.so`。

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# gcc -fPIC -I /opt/jdk1.8.0_211/include -I /opt/jdk1.8.0_211/include/linux -shared -o libJavaCallC.so Cclass.c

很多坑：

*  生成的库文件名字及路径一定要和上面java文件中加载的一致。其中`-o libJavaCallC.so`就是生成的库文件名字。如果使用使用的是`System.loadLibrary()`方式加载的库文件，则使用的库名称是： “JavaCallC”，而不是 "libJavaCallC"或 “libJavaCallC.so”。
 *  `JavaCallC.java`文件中的native方法cMethod()在`Cclass.c`文件中的实现时，一定要和`JavaCallC.h`头文件中cMethed()的签名一致，一定要使用`JNIEXPORT void JNICALL Java_JavaCallC_cMethod(JNIEnv *env, jobject c1)`。
 *  `Cclass.c`中一定要在文件头中使用`#include "JavaCallC.h"`将头文件包含进来，不然编译和执行时找不到`Java_JavaCallC_cMethod`。
 *  使用gcc编译时，因为`Cclass.c`中包含`JavaCallC.h`头文件，而`JavaCallC.h`头文件的第二行又包含`#include <jni.h>`头文件，而`jni.h`中又包含其他的头文件，gcc编译时,这些头文件的位置要指定。这些头文件都在jdk所在的目录中，这些目录的位置要使用参数`-I`进行指定。

运行后生成共享库（动态链接库）文件：`libJavaCallC.so`。

编译完成后，共享库文件所在的目录加入到库文件的环境变量 `LD_LIBRARY_PATH`中。 `LD_LIBRARY_PATH`是Linux环境变量名，该环境变量主要用于指定查找共享库（动态链接库）时除了默认路径之外的其他路径。

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/java-learn

## 六、执行java ##

通过上面的操作，在`/root/java-learn`目录下就会有如下的5个文件：

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# ll
    total 24
    -rw-r--r-- 1 root root  594 Nov 12 22:39 Cclass.c
    -rw-r--r-- 1 root root  852 Nov 12 22:05 JavaCallC.class
    -rw-r--r-- 1 root root  376 Nov 12 22:05 JavaCallC.h
    -rw-r--r-- 1 root root 1108 Nov 12 22:04 JavaCallC.java
    -rwxr-xr-x 1 root root 6179 Nov 12 22:39 libJavaCallC.so
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]#

下面使用`java JavaCallC`命令在当前目录下执行我们的java程序：

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# java JavaCallC
    Java_JavaCallC_cMethod call succ
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]#

通过执行打印的结果`Java_JavaCallC_cMethod call succ`可以看出，java调用到了native方法，并执行了C文件中的方法体，并打印出执行成功。

## 七、遇到的问题 ##

在做这个测试时，遇到了各种问题。这里列出来：

[root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# java com.wuxiaolong.LB.Demo.Lesson1.JavaCallC
    Error: Could not find or load main class com.wuxiaolong.LB.Demo.Lesson1.JavaCallC
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    ## 这个问题是因为最开始使用了包名，执行时报错，可以通过相关的配置解决，测试中我去掉了包名。
    
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# java JavaCallC
    Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: no JavaCallC in java.library.path
            at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:1867)
            at java.lang.Runtime.loadLibrary0(Runtime.java:870)
            at java.lang.System.loadLibrary(System.java:1122)
            at JavaCallC.<clinit>(JavaCallC.java:16)
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    ## 这是因为加载时使用的时System.loadLibrary(),而库名写错了
    
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# gcc -fPIC -I /opt/jdk1.8.0_211/include -I /opt/jdk1.8.0_211/include/linux -shared -o libJavaCallC.so Cclass.c
    Cclass.c:2:53: error: Java_JavaCallC_cMethod.h: No such file or directory
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    ## 这好像是因为Cclass.c文件中没有使用： #include "JavaCallC.h"
    
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# java JavaCallC 
    Exception in thread "main" java.lang.UnsatisfiedLinkError: JavaCallC.cMethod()V
            at JavaCallC.cMethod(Native Method)
            at JavaCallC.main(JavaCallC.java:25)
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    ## 这是因为Cclass.c文件方法的签名和JavaCallC.h头文件中的不一致
    
    
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# gcc -fPIC -I /opt/jdk1.8.0_211/include -shared -o libJavaCallC.so Cclass.c
    In file included from JavaCallC.h:2,
                     from Cclass.c:2:
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:45:20: error: jni_md.h: No such file or directory
    In file included from JavaCallC.h:2,
                     from Cclass.c:2:
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:63: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘jsize’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:122: error: expected specifier-qualifier-list before ‘jbyte’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:220: error: expected specifier-qualifier-list before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1869: error: expected specifier-qualifier-list before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1877: error: expected specifier-qualifier-list before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1895: error: expected specifier-qualifier-list before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1934: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1937: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1940: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1944: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘jint’
    /opt/jdk1.8.0_211/include/jni.h:1947: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘void’
    In file included from Cclass.c:2:
    JavaCallC.h:15: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘void’
    Cclass.c:11: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘void’
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    ## 这是因为编译时少了参数 ： -I /opt/jdk1.8.0_211/include/linux
    
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# gcc -fPIC -I /opt/jdk1.8.0_211/include -I /opt/jdk1.8.0_211/include/linux -shared -o libJavaCallC.so Cclass.c
    Cclass.c:19: error: expected ‘=’, ‘,’, ‘;’, ‘asm’ or ‘__attribute__’ before ‘void’
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# 
    ## 这好像是因为Cclass.c文件方法的签名和JavaCallC.h头文件中的不一致
    
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]# gcc -fPIC -I /opt/jdk1.8.0_211/include -I /opt/jdk1.8.0_211/include/linux -shared -o libJavaCallC.so Cclass.c
    Cclass.c: In function ‘Java_JavaCallC_cMethod’:
    Cclass.c:12: error: expected declaration specifiers before ‘printf’
    Cclass.c:13: error: expected declaration specifiers before ‘}’ token
    Cclass.c:13: error: expected ‘{ ’ at end of input
    [root@iZuf61pdvb2o7cf4mu9ccyZ java-learn]#
    ## 这好像是因为Cclass.c文件方法的签名和JavaCallC.h头文件中的不一致

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[Link 1]: http://hg.openjdk.java.net/
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