Java访问底层操作系统

ゝ一纸荒年。 2024-03-23 12:28 14阅读 0赞

native方法定义：

简单地讲，一个Native Method就是一个java调用非java代码的接口。一个Native Method是这样一个java的方法：该方法的实现由非java语言实现，比如C。这个特征并非java所特有，很多其它的编程语言都有这一机制，比如在C＋＋中，你可以用extern "C"告知C＋＋编译器去调用一个C的函数。

native的作用：

native主要用于方法上
    
    1、一个native方法就是一个Java调用非Java代码的接口。一个native方法是指该方法的实现由非Java语言实现，比如用C或C++实现
    
    2、在定义一个native方法时，并不提供实现体（比较像定义一个Java Interface），因为其实现体是由非Java语言在外面实现的
    
    主要是因为JAVA无法对操作系统底层进行操作，但是可以通过jni(java native interface)调用其他语言来实现底层的访问

VM怎样使Native Method跑起来：

我们知道，当一个类第一次被使用到时，这个类的字节码会被加载到内存，并且只会回载一次。在这个被加载的字节码的入口维持着一个该类所有方法描述符的list，这些方法描述符包含这样一些信息：方法代码存于何处，它有哪些参数，方法的描述符（public之类）等等。
        如果一个方法描述符内有native，这个描述符块将有一个指向该方法的实现的指针。这些实现在一些DLL文件内，但是它们会被操作系统加载到java程序的地址空间。当一个带有本地方法的类被加载时，其相关的DLL并未被加载，因此指向方法实现的指针并不会被设置。当本地方法被调用之前，这些DLL才会被加载，这是通过调用java.system.loadLibrary()实现的。

1.概述  
今天在看Java多线程编程的时候，发现Thread这个类中有多个native方法，以前从来没有见过这种方法，因此对于比较好奇，查阅了一些资料，现在整理一下，以作备忘。

1.1.native关键字用法  
native是与C++联合开发的时候用的！使用native关键字说明这个方法是原生函数，也就是这个方法是用C/C++语言实现的，并且被编译成了DLL，由java去调用。 这些函数的实现体在DLL中，JDK的源代码中并不包含，你应该是看不到的。对于不同的平台它们也是不同的。这也是java的底层机制，实际上java就是在不同的平台上调用不同的native方法实现对操作系统的访问的。总而言之：

native 是用做java 和其他语言（如c++）进行协作时使用的，也就是native 后的函数的实现不是用java写的。  
既然都不是java，那就别管它的源代码了，我们只需要知道这个方法已经被实现即可。  
native的意思就是通知操作系统， 这个函数你必须给我实现，因为我要使用。 所以native关键字的函数都是操作系统实现的， java只能调用。  
java是跨平台的语言，既然是跨了平台，所付出的代价就是牺牲一些对底层的控制，而java要实现对底层的控制，就需要一些其他语言的帮助，这个就是native的作用了

1.2JNI简介  
native方法是通过java中的JNI实现的。JNI是Java Native Interface的 缩写。从Java 1.1开始，Java Native Interface (JNI)标准成为java平台的一部分，它允许Java代码和其他语言写的代码进行交互。JNI一开始是为了本地已编译语言，尤其是C和C++而设计 的，但是它并不妨碍你使用其他语言，只要调用约定受支持就可以了。使用java与本地已编译的代码交互，通常会丧失平台可移植性。但是，有些情况下这样做是可以接受的，甚至是必须的，比如，使用一些旧的库，与硬件、操作系统进行交互，或者为了提高程序的性能。JNI标准至少保证本地代码能工作在任何Java 虚拟机实现下。  
目前java与dll交互的技术主要有3种：jni，jawin和jacob。Jni（Java Native Interface）是sun提供的java与系统中的原生方法交互的技术（在windows\\Linux系统中，实现java与native method互调）。目前只能由c/c++实现。后两个都是sourceforge上的开源项目，同时也都是基于jni技术的windows系统上的一个应用库。Jacob（Java-Com Bridge）提供了java程序调用microsoft的com对象中的方法的能力。而除了com对象外，jawin（Java/Win32 integration project）还可以win32-dll动态链接库中的方法。就功能而言：jni >> jawin>jacob，其大致的结构如下图：

就易用性而言，正好相反：jacob>jawin>>jni。  
Jvm封装了各种操作系统实际的差异性的同时，提供了jni技术，使得开发者可以通过java程序（代码）调用到操作系统相关的技术实现的库函数，从而与其他技术和系统交互，使用其他技术实现的系统的功能；同时其他技术和系统也可以通过jni提供的相应原生接口开调用java应用系统内部实现的功能。

在windows系统上，一般可执行的应用程序都是基于native的PE结构，windows上的jvm也是基于native结构实现的。Java应用体系都是构建于jvm之上。

Jni对于应用本身来说，可以看做一个代理模式。对于开发者来说，需要使用c/c++来实现一个代理程序（jni程序）来实际操作目标原生函数，java程序中则是jvm通过加载并调用此jni程序来间接地调用目标原生函数。

1.3JN的书写步骤  
编写带有native声明的方法的java类，生成.java文件  
使用javac命令编译所编写的java类，生成.class文件  
使用javah -jni java类名生成扩展名为h的头文件，也即生成.h文件  
使用C/C++（或者其他编程想语言）实现本地方法，创建.h文件的实现，也就是创建.cpp文件实现.h文件中的方法  
将C/C++编写的文件生成动态连接库，生成dll文件

2.JNI实例  
下列是所有操作都是在目录：D:\\JNI 下进行的，这样做的好处是便于控制。还有另外一个要求是我们的java类不含包名，当前我只测试成功不含包名的类型。  
2.1.编写带有native声明的方法的java类：HelloWorld.java  
public class HelloWorld \{  
public native void displayHelloWorld();// java native方法申明

static {  
        System.loadLibrary("HelloWorldImpl");// 装入动态链接库，"HelloWorldImpl"是要装入的动态链接库名称。  
    }  
    
    public static void main(String[] args) {  
        // TODO Auto-generated method stub  
        HelloWorld helloWorld = new HelloWorld();  
        helloWorld.displayHelloWorld();  
    }

\}  
2.2.使用javac命令编译所编写的java类  
d:\\JNI>javac HelloWorld.java  
执行完上述命令以后生成D:\\JNI\\HelloWorld.class文件  
2.3.使用javah -jni java类名生成扩展名为h的头文件  
d:\\JNI>javah -jni HelloWorld  
执行完上述命令以后生成D:\\JNI\\HelloWorld.h文件，该文件内容如下：  
/\* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */  
\#include <jni.h>  
/* Header for class HelloWorld \*/

\#ifndef \_Included\_HelloWorld  
\#define \_Included\_HelloWorld  
\#ifdef \_\_cplusplus  
extern “C” \{  
\#endif  
/\*

*  Class: HelloWorld
 *  Method: displayHelloWorld
 *  Signature: ()V  
    \*/  
    JNIEXPORT void JNICALL Java\_HelloWorld\_displayHelloWorld  
    (JNIEnv \*, jobject);

\#ifdef \_\_cplusplus  
\}  
\#endif  
\#endif  
这里我们可以这样理解：这个h文件相当于我们在java里面的接口，这里声明了一个 Java\_HelloWorld\_displayHelloWorld (JNIEnv *, jobject);方法，然后在我们的本地方法里面实现这个方法，也就是说我们在编写C/C++程序的时候所使用的方法名必须和这里的一致  
2.4.使用C/C++实现本地方法  
创建HelloWorldImpl.cpp，代码如下所示：  
\#include “HelloWorld.h”  
\#include <stdio.h>  
\#include <jni.h>  
/*

*  Class: HelloWorld
 *  Method: displayHelloWorld
 *  Signature: ()V  
    \*/  
    JNIEXPORT void JNICALL Java\_HelloWorld\_displayHelloWorld  
    (JNIEnv \*, jobject)  
    \{  
    printf(“Hello World!\\n”);  
    return;  
    \}  
    3.5.将C/C++编写的文件生成动态连接库  
    将D:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_26\\include\\jni.h和D:\\Program Files\\Java\\jdk1.6.0\_26\\include\\win32\\jni\_md.h这两个文件拷贝到D:\\JNI\\目录下。与HelloWorldImpl.cpp同目录，目录结构如下图所示：

2.7 执行 cl/LD D:\\JNI\\HelloWorldImpl.cpp 得到HelloWorldImpl.dll文件  
我使用的是visual studio 2010，要使用其中的cl命令，必须打开visual studio 命令行，如下图所示：

然后再命令行中输入如下命令  
cl/LD D:\\JNI\\HelloWorldImpl.cpp  
具体如下图所示：

执行完上述命令以后，我们在C:\\Program Files (x86)\\Microsoft Visual Studio 10.0\\VC可以看到生成的四个文件，分别是：  
HelloWorldImpl.dll  
HelloWorldImpl.exp  
HelloWorldImpl.lib  
HelloWorldImpl.obj  
将其中的HelloWorldImpl.dll拷贝到D:\\JNI\\目录下。  
2.8.执行class得到结果  
在cmd中运行：  
d:\\JNI>java HelloWorld  
具体如下图所示：

3.在eclipse下运行  
4.1在eclipse下创建一个叫做jnitest的project  
4.2添加一个同3.1一样的HelloWorld.java  
4.3保存HelloWorld.java以后在jnitest\\bin目录下会生成HelloWorld.class。  
4.4根据根据HelloWorld.class生成HelloWorld.h文件  
4.5创建HelloWorldImpl.cpp来实现HelloWorld.h中的方法  
4.6使用Visual studio 2010生成HelloWorldImpl.dll  
4.7在Eclipse中运行HelloWorld程序，报错如下：  
java.lang.UnsatisfiedLinkError: no HelloWorldImpl in java.library.path  
at java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:1738)  
at java.lang.Runtime.loadLibrary0(Runtime.java:823)  
at java.lang.System.loadLibrary(System.java:1028)  
at HelloWorld.(HelloWorld.java:6)  
4.8将HelloWorldImpl.dll拷贝到C:\\Windows\\System32  
4.9再次执行HelloWorld程序，程序正常运行，console输出“Hello World!”

**JNI是什么**  
JNI 的全称是 Java Native Interface, Java 程序通过调用JNI 调用非java语言编写的方法。JNI支持Java在不同平台的运行，只要操作系统配备本地存储JNI的dll文件，Java程序可以调用JNI。  
一般情况下JNI是由C和C++编写，因为C是面向过程语言，所以更加适合计算机底层逻辑，在相等的时间内，相同功能下，JNI的执行速率比java语言快。为了实现Java平台无关性，JNI对应不同的系统有不同的版本，这样java在执行的时候不用去考虑本地操作系统，而是由不同的ddl去匹配不同的操作系统，因为这个原因，JDK中并不包含ddl文件，而ddl文件则是存储在操作系统的ddl文件夹内。在windows32位操作系统中，这个路径是 C:\\Windows\\System32，在windows 64位系统中，ddl的存储路径是C:\\Windows\\SysWOW64 以及C:\\Windows\\System32。

**JNI的加载**  
众所周知，java方法的加载是将字节码加载到java 虚拟空间中，这个被加载的字节码的入口维持一个该类的所有方法的列表，在这个list上，记载了此种方法的代码存储地，参数和方法的描述符，当调用某一个方法的时候，java可以通过查找这个List，得到代码存储地址，从而进行运行。  
如果一个方法描述符内有native字样，他不会在这个list中存储地址，而是存储一个指针，当程序调用相关的本地方法会通过指针找到相应的dll文件，加载dll文件到虚拟机中，如果没有找到dll文件，则会爆出无dll文件的系统错误。dll文件通过系统loadLibrary()或者load()方法加载,这两种方法的区别是loadLibrary()加载的时候会先找寻dependence.dll， 而load加载的时候需要先手工将dependence.dll 文件放入 java.library.path 的路径中。

**加载dll的方法**  
目前java函数库共有三种方法可以加载dll，分别是JNI,Jawin和Jacob，后两者都是基于JNI所研发的技术，其中Jacob实现了加载Microsoft 中的com 类库的方法。

Native 方法的运行步骤  
在Java 中声明Native() 方法并编译。  
在javah中产生一个.h文件  
基于dll文件，使用.cpp文件实现native的导出方法  
编译 cpp文件使得器生成动态链接库文件  
在Java中用System.loadLibrary（）方法加载动态链接库文件，程序便可调用此native文件。