使用 Java Native Interface 的最佳实践

避免最常见的 10 大 JNI 编程错误的技巧和工具

Java™ 本机接口(Java Native Interface,JNI)是一个标准的 Java API,它支持将 Java 代码与使用其他编程语言编写的代码相集成。如果您希望利用已有的代码资源,那么可以使用 JNI 作为您工具包中的关键组件 —— 比如在面向服务架构(SOA)和基于云的系统中。但是,如果在使用时未注意某些事项,则 JNI 会迅速导致应用程序性能低下且不稳定。本文将确定 10 大 JNI 编程缺陷,提供避免这些缺陷的最佳实践,并介绍可用于实现这些实践的工具。

Michael Dawson, 高级软件开发人员, IBM

Michael DawsonMichael Dawson 在 1989 年毕业于 Waterloo 大学,获得计算机工程学士学位,在 1991 年从 Queens 大学获得了电子工程的硕士学位,专长于密码技术。随后,他从事了数年的安全顾问工作,并帮助 IBM 等公司开发了启动项目。他曾领导自己的团队开发各种电子商务应用程序并将它们实现为各种服务,包括 EDI 通信服务、信用卡处理、在线拍卖以及电子发票等,涉及到的技术包括 C/C++、Java、J2EE 平台以及跨越多个操作系统的组件。在 2006 年,Michael 加入了 IBM 并在 J9 JVM 团队负责实现 Java 类库和核心 JVM 组件。



Graeme Johnson, J9 虚拟机开发经理, IBM

Graeme JohnsonGraeme Johnson 在 IBM 的 J9 Virtual Machine 团队担任开发经理和技术总监。他在 1994 年加入 IBM 之后(之前曾在 Object Technology International 任职)一直在开发虚拟机和调试程序,并且曾经负责过 VisualAge for Java 和 IBM/OTI Smalltalk 运行时。最近,Graeme 专注于 Apache Harmony 项目以及 IBM 的 Project Zero 的 Java/PHP 运行时支持。Graeme 经常在会议上发表关于各种主题的演讲,包括:JavaOne 2006 上的 Apache Harmony、EclipseCon 2007 上的多平台 C 开发以及 International PHP 2006 上对 PHP 运行时深入探讨。



Andrew Low, STSM,J9 虚拟机, IBM

Andrew Low经过几个学期的实习之后,Andrew Low 在 1994 年大学毕业之后加入了 Object Technology International Inc.。当 IBM 于 1996 年兼并 OTI 时,他仍然在公司任职。他的工作始终与 VM 技术相关,从小型的手机和 PDA 到大型的 IBM zSeries 大型机系统都有涉及。他目前在 IBM Ottawa Lab 的 J9 VM 团队担任技术总监,帮助实现 IBM Java 运行时内部的核心技术。Andrew 在 J9 VM 的开发中发挥了举足轻重的作用,并且是公认的嵌入式系统和 Java ME 领域的专家。最近,他正致力于将 Java 运行时技术拓展到 Web 2.0 世界的战略性工作。



2009 年 7 月 27 日

Java 环境和语言对于应用程序开发来说是非常安全和高效的。但是,一些应用程序却需要执行纯 Java 程序无法完成的一些任务,比如:

JNI 的发展

JNI 自从 JDK 1.1 发行版以来一直是 Java 平台的一部分,并且在 JDK 1.2 发行版中得到了扩展。JDK 1.0 发行版包含一个早期的本机方法接口,但是未明确分隔本机代码和 Java 代码。在这个接口中,本机代码可以直接进入 JVM 结构,因此无法跨 JVM 实现、平台或者甚至各种 JDK 版本进行移植。使用 JDK 1.0 模型升级含有大量本机代码的应用程序,以及开发能支持多个 JVM 实现的本机代码的开销是极高的。

JDK 1.1 中引入的 JNI 支持:

  • 版本独立性
  • 平台独立性
  • VM 独立性
  • 开发第三方类库

有一个有趣的地方值得注意,一些较年轻的语言(如 PHP)在它们的本机代码支持方面仍然在努力克服这些问题。

  • 与旧有代码集成,避免重新编写。
  • 实现可用类库中所缺少的功能。举例来说,在 Java 语言中实现 ping 时,您可能需要 Internet Control Message Protocol (ICMP) 功能,但基本类库并未提供它。
  • 最好与使用 C/C++ 编写的代码集成,以充分发掘性能或其他与环境相关的系统特性。
  • 解决需要非 Java 代码的特殊情况。举例来说,核心类库的实现可能需要跨包调用或者需要绕过其他 Java 安全性检查。

JNI 允许您完成这些任务。它明确分开了 Java 代码与本机代码(C/C++)的执行,定义了一个清晰的 API 在这两者之间进行通信。从很大程度上说,它避免了本机代码对 JVM 的直接内存引用,从而确保本机代码只需编写一次,并且可以跨不同的 JVM 实现或版本运行。

借助 JNI,本机代码可以随意与 Java 对象交互,获取和设计字段值,以及调用方法,而不会像 Java 代码中的相同功能那样受到诸多限制。这种自由是一把双刃剑:它牺牲 Java 代码的安全性,换取了完成上述所列任务的能力。在您的应用程序中使用 JNI 提供了强大的、对机器资源(内存、I/O 等)的低级访问,因此您不会像普通 Java 开发人员那样受到安全网的保护。JNI 的灵活性和强大性带来了一些编程实践上的风险,比如导致性能较差、出现 bug 甚至程序崩溃。您必须格外留意应用程序中的代码,并使用良好的实践来保障应用程序的总体完整性。

本文介绍 JNI 用户最常遇到的 10 大编码和设计错误。其目标是帮助您认识到并避免它们,以便您可以编写安全、高效、性能出众的 JNI 代码。本文还将介绍一些用于在新代码或已有代码中查找这些问题的工具和技巧,并展示如何有效地应用它们。

JNI 编程缺陷可以分为两类:

  • 性能:代码能执行所设计的功能,但运行缓慢或者以某种形式拖慢整个程序。
  • 正确性:代码有时能正常运行,但不能可靠地提供所需的功能;最坏的情况是造成程序崩溃或挂起。

性能缺陷

程序员在使用 JNI 时的 5 大性能缺陷如下:

不缓存方法 ID、字段 ID 和类

要访问 Java 对象的字段并调用它们的方法,本机代码必须调用 FindClass()GetFieldID()GetMethodId()GetStaticMethodID()。对于 GetFieldID()GetMethodID()GetStaticMethodID(),为特定类返回的 ID 不会在 JVM 进程的生存期内发生变化。但是,获取字段或方法的调用有时会需要在 JVM 中完成大量工作,因为字段和方法可能是从超类中继承而来的,这会让 JVM 向上遍历类层次结构来找到它们。由于 ID 对于特定类是相同的,因此您只需要查找一次,然后便可重复使用。同样,查找类对象的开销也很大,因此也应该缓存它们。

举例来说,清单 1 展示了调用静态方法所需的 JNI 代码:

清单 1. 使用 JNI 调用静态方法
int val=1;
jmethodID method;
jclass cls;

cls = (*env)->FindClass(env, "com/ibm/example/TestClass");
if ((*env)->ExceptionCheck(env)) {
   return ERR_FIND_CLASS_FAILED;
}
method = (*env)->GetStaticMethodID(env, cls, "setInfo", "(I)V");
if ((*env)->ExceptionCheck(env)) {
   return ERR_GET_STATIC_METHOD_FAILED;
}
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, cls, method,val);
if ((*env)->ExceptionCheck(env)) {
   return ERR_CALL_STATIC_METHOD_FAILED;
}

当我们每次希望调用方法时查找类和方法 ID 都会产生六个本机调用,而不是第一次缓存类和方法 ID 时需要的两个调用。

缓存会对您应用程序的运行时造成显著的影响。考虑下面两个版本的方法,它们的作用是相同的。清单 2 使用了缓存的字段 ID:

清单 2. 使用缓存的字段 ID
int sumValues2(JNIEnv* env, jobject obj, jobject allValues){

   jint avalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, a);
   jint bvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, b);
   jint cvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, c);
   jint dvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, d);
   jint evalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, e);
   jint fvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, f);

   return avalue + bvalue + cvalue + dvalue + evalue + fvalue;
}

性能技巧 #1

查找并全局缓存常用的类、字段 ID 和方法 ID。

清单 3 没有使用缓存的字段 ID:

清单 3. 未缓存字段 ID
int sumValues2(JNIEnv* env, jobject obj, jobject allValues){
   jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env,allValues);
   jfieldID a = (*env)->GetFieldID(env, cls, "a", "I");
   jfieldID b = (*env)->GetFieldID(env, cls, "b", "I");
   jfieldID c = (*env)->GetFieldID(env, cls, "c", "I");
   jfieldID d = (*env)->GetFieldID(env, cls, "d", "I");
   jfieldID e = (*env)->GetFieldID(env, cls, "e", "I");
   jfieldID f = (*env)->GetFieldID(env, cls, "f", "I");
   jint avalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, a);
   jint bvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, b);
   jint cvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, c);
   jint dvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, d);
   jint evalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, e);
   jint fvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, f);
   return avalue + bvalue + cvalue + dvalue + evalue + fvalue
}

清单 2 用 3,572 ms 运行了 10,000,000 次。清单 3 用了 86,217 ms — 多花了 24 倍的时间。

触发数组副本

JNI 在 Java 代码和本机代码之间提供了一个干净的接口。为了维持这种分离,数组将作为不透明的句柄传递,并且本机代码必须回调 JVM 以便使用 set 和 get 调用操作数组元素。Java 规范让 JVM 实现决定让这些调用提供对数组的直接访问,还是返回一个数组副本。举例来说,当数组经过优化而不需要连续存储时,JVM 可以返回一个副本。(参见 参考资料 获取关于 JVM 的信息)。

随后,这些调用可以复制被操作的元素。举例来说,如果您对含有 1,000 个元素的数组调用 GetLongArrayElements(),则会造成至少分配或复制 8,000 字节的数据(每个 long 1,000 元素 * 8 字节)。当您随后使用 ReleaseLongArrayElements() 更新数组的内容时,需要另外复制 8,000 字节的数据来更新数组。即使您使用较新的 GetPrimitiveArrayCritical(),规范仍然准许 JVM 创建完整数组的副本。

性能技巧 #2

获取和更新仅本机代码需要的数组部分。在只要数组的一部分时通过适当的 API 调用来避免复制整个数组。

GetTypeArrayRegion()SetTypeArrayRegion() 方法允许您获取和更新数组的一部分,而不是整个数组。通过使用这些方法访问较大的数组,您可以确保只复制本机代码将要实际使用的数组部分。

举例来说,考虑相同方法的两个版本,如清单 4 所示:

清单 4. 相同方法的两个版本
jlong getElement(JNIEnv* env, jobject obj, jlongArray arr_j, 
                 int element){
   jboolean isCopy;
   jlong result;
   jlong* buffer_j = (*env)->GetLongArrayElements(env, arr_j, &isCopy);
   result = buffer_j[element];
   (*env)->ReleaseLongArrayElements(env, arr_j, buffer_j, 0);
   return result;
}

jlong getElement2(JNIEnv* env, jobject obj, jlongArray arr_j, 
                  int element){
     jlong result;
     (*env)->GetLongArrayRegion(env, arr_j, element,1, &result);
     return result;
}

第一个版本可以生成两个完整的数组副本,而第二个版本则完全没有复制数组。当数组大小为 1,000 字节时,运行第一个方法 10,000,000 次用了 12,055 ms;而第二个版本仅用了 1,421 ms。第一个版本多花了 8.5 倍的时间!

性能技巧 #3

在单个 API 调用中尽可能多地获取或更新数组内容。如果可以一次较多地获取和更新数组内容,则不要逐个迭代数组中的元素。

另一方面,如果您最终要获取数组中的所有元素,则使用 GetTypeArrayRegion() 逐个获取数组中的元素是得不偿失的。要获取最佳的性能,应该确保以尽可能大的块的来获取和更新数组元素。如果您要迭代一个数组中的所有元素,则 清单 4 中这两个 getElement() 方法都不适用。比较好的方法是在一个调用中获取大小合理的数组部分,然后再迭代所有这些元素,重复操作直到覆盖整个数组。

回访而不是传递参数

在调用某个方法时,您经常会在传递一个有多个字段的对象以及单独传递字段之间做出选择。在面向对象设计中,传递对象通常能提供较好的封装,因为对象字段的变化不需要改变方法签名。但是,对于 JNI 来说,本机代码必须通过一个或多个 JNI 调用返回到 JVM 以获取需要的各个字段的值。这些额外的调用会带来额外的开销,因为从本机代码过渡到 Java 代码要比普通方法调用开销更大。因此,对于 JNI 来说,本机代码从传递进来的对象中访问大量单独字段时会导致性能降低。

考虑清单 5 中的两个方法,第二个方法假定我们缓存了字段 ID:

清单 5. 两个方法版本
int sumValues(JNIEnv* env, jobject obj, jint a, jint b,jint c, jint d, jint e, jint f){
   return a + b + c + d + e + f;
}

int sumValues2(JNIEnv* env, jobject obj, jobject allValues){

   jint avalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, a);
   jint bvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, b);
   jint cvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, c);
   jint dvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, d);
   jint evalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, e);
   jint fvalue = (*env)->GetIntField(env, allValues, f);
   
   return avalue + bvalue + cvalue + dvalue + evalue + fvalue;
}

性能技巧 #4

如果可能,将各参数传递给 JNI 本机代码,以便本机代码回调 JVM 获取所需的数据。

sumValues2() 方法需要 6 个 JNI 回调,并且运行 10,000,000 次需要 3,572 ms。其速度比 sumValues() 慢 6 倍,后者只需要 596 ms。通过传递 JNI 方法所需的数据,sumValues() 避免了大量的 JNI 开销。

错误认定本机代码与 Java 代码之间的界限

本机代码和 Java 代码之间的界限是由开发人员定义的。界限的选定会对应用程序的总体性能造成显著的影响。从 Java 代码中调用本机代码以及从本机代码调用 Java 代码的开销比普通的 Java 方法调用高很多。此外,这种越界操作会干扰 JVM 优化代码执行的能力。举例来说,随着 Java 代码与本机代码之间互操作的增加,实时编译器的效率会随之降低。经过测量,我们发现从 Java 代码调用本机代码要比普通调用多花 5 倍的时间。同样,从本机代码中调用 Java 代码也需要耗费大量的时间。

性能技巧 #5

定义 Java 代码与本机代码之间的界限,最大限度地减少两者之间的互相调用。

因此,在设计 Java 代码与本机代码之间的界限时应该最大限度地减少两者之间的相互调用。消除不必要的越界调用,并且应该竭力在本机代码中弥补越界调用造成的成本损失。最大限度地减少越界调用的一个关键因素是确保数据处于 Java/本机界限的正确一侧。如果数据未在正确的一侧,则另一侧访问数据的需求则会持续发起越界调用。

举例来说,如果我们希望使用 JNI 为某个串行端口提供接口,则可以构造两种不同的接口。第一个版本如清单 6 所示:

清单 6. 到串行端口的接口:版本 1
/**
 * Initializes the serial port and returns a java SerialPortConfig objects
 * that contains the hardware address for the serial port, and holds
 * information needed by the serial port such as the next buffer 
 * to write data into
 * 
 * @param env JNI env that can be used by the method
 * @param comPortName the name of the serial port
 * @returns SerialPortConfig object to be passed ot setSerialPortBit 
 *          and getSerialPortBit calls
 */
jobject initializeSerialPort(JNIEnv* env, jobject obj,  jstring comPortName);

/**
 * Sets a single bit in an 8 bit byte to be sent by the serial port
 *
 * @param env JNI env that can be used by the method
 * @param serialPortConfig object returned by initializeSerialPort
 * @param whichBit value from 1-8 indicating which bit to set
 * @param bitValue 0th bit contains bit value to be set 
 */
void setSerialPortBit(JNIEnv* env, jobject obj, jobject serialPortConfig, 
  jint whichBit,  jint bitValue);

/**
 * Gets a single bit in an 8 bit byte read from the serial port
 *
 * @param env JNI env that can be used by the method
 * @param serialPortConfig object returned by initializeSerialPort
 * @param whichBit value from 1-8 indicating which bit to read
 * @returns the bit read in the 0th bit of the jint 
 */
jint getSerialPortBit(JNIEnv* env, jobject obj, jobject serialPortConfig, 
  jint whichBit);

/**
 * Read the next byte from the serial port
 * 
 * @param env JNI env that can be used by the method
 */
void readNextByte(JNIEnv* env, jobject obj);

/**
 * Send the next byte
 *
 * @param env JNI env that can be used by the method
 */
void sendNextByte(JNIEnv* env, jobject obj);

清单 6 中,串行端口的所有配置数据都存储在由 initializeSerialPort() 方法返回的 Java 对象中,并且将 Java 代码完全控制对硬件中各数据位的设置。清单 6 所示版本的一些问题会造成其性能差于清单 7 中的版本:

清单 7. 到串行端口的接口:版本 2
/**
 * Initializes the serial port and returns an opaque handle to a native
 * structure that contains the hardware address for the serial port 
 * and holds information needed by the serial port such as 
 * the next buffer to write data into
 *
 * @param env JNI env that can be used by the method
 * @param comPortName the name of the serial port
 * @returns opaque handle to be passed to setSerialPortByte and 
 *          getSerialPortByte calls 
 */
jlong initializeSerialPort2(JNIEnv* env, jobject obj, jstring comPortName);

/**
 * sends a byte on the serial port
 * 
 * @param env JNI env that can be used by the method
 * @param serialPortConfig opaque handle for the serial port
 * @param byte the byte to be sent
 */
void sendSerialPortByte(JNIEnv* env, jobject obj, jlong serialPortConfig, 
    jbyte byte);

/**
 * Reads the next byte from the serial port
 * 
 * @param env JNI env that can be used by the method
 * @param serialPortConfig opaque handle for the serial port
 * @returns the byte read from the serial port
 */
jbyte readSerialPortByte(JNIEnv* env, jobject obj,  jlong serialPortConfig);

性能技巧 #6

构造应用程序的数据,使它位于界限的正确的侧,并且可以由使用它的代码访问,而不需要大量跨界调用。

最显著的一个问题就是,清单 6 中的接口在设置或检索每个位,以及从串行端口读取字节或者向串行端口写入字节都需要一个 JNI 调用。这会导致读取或写入的每个字节的 JNI 调用变成原来的 9 倍。第二个问题是,清单 6 将串行端口的配置信息存储在 Java/本机界限的错误一侧的某个 Java 对象上。我们仅在本机侧需要此配置数据;将它存储在 Java 侧会导致本机代码向 Java 代码发起大量回调以获取/设置此配置信息。清单 7 将配置信息存储在一个本机结构中(比如,一个 struct),并向 Java 代码返回了一个不透明的句柄,该句柄可以在后续调用中返回。这意味着,当本机代码正在运行时,它可以直接访问该结构,而不需要回调 Java 代码获取串行端口硬件地址或下一个可用的缓冲区等信息。因此,使用 清单 7 的实现的性能将大大改善。

使用大量本地引用而未通知 JVM

JNI 函数返回的任何对象都会创建本地引用。举例来说,当您调用 GetObjectArrayElement() 时,将返回对数组中对象的本地引用。考虑清单 8 中的代码在运行一个很大的数组时会使用多少本地引用:

清单 8. 创建本地引用
void workOnArray(JNIEnv* env, jobject obj, jarray array){
   jint i;
   jint count = (*env)->GetArrayLength(env, array);
   for (i=0; i < count; i++) {
      jobject element = (*env)->GetObjectArrayElement(env, array, i);
      if((*env)->ExceptionOccurred(env)) {
         break;
      }
      
      /* do something with array element */
   }
}

每次调用 GetObjectArrayElement() 时都会为元素创建一个本地引用,并且直到本机代码运行完成时才会释放。数组越大,所创建的本地引用就越多。

性能技巧 #7

当本机代码造成创建大量本地引用时,在各引用不再需要时删除它们。

这些本地引用会在本机方法终止时自动释放。JNI 规范要求各本机代码至少能创建 16 个本地引用。虽然这对许多方法来说都已经足够了,但一些方法在其生存期中却需要更多的本地引用。对于这种情况,您应该删除不再需要的引用,方法是使用 JNI DeleteLocalRef() 调用,或者通知 JVM 您将使用更多的本地引用。

清单 9 向 清单 8 中的示例添加了一个 DeleteLocalRef() 调用,用于通知 JVM 本地引用已不再需要,以及将可同时存在的本地引用的数量限制为一个合理的数值,而与数组的大小无关:

清单 9. 添加 DeleteLocalRef()
void workOnArray(JNIEnv* env, jobject obj, jarray array){
   jint i;
   jint count = (*env)->GetArrayLength(env, array);
   for (i=0; i < count; i++) {
      jobject element = (*env)->GetObjectArrayElement(env, array, i);
      if((*env)->ExceptionOccurred(env)) {
         break;
      }
      
      /* do something with array element */

      (*env)->DeleteLocalRef(env, element);
   }
}

性能技巧 #8

如果某本机代码将同时存在大量本地引用,则调用 JNI EnsureLocalCapacity() 方法通知 JVM 并允许它优化对本地引用的处理。

您可以调用 JNI EnsureLocalCapacity() 方法来通知 JVM 您将使用超过 16 个本地引用。这将允许 JVM 优化对该本机代码的本地引用的处理。如果无法创建所需的本地引用,或者 JVM 采用的本地引用管理方法与所使用的本地引用数量之间不匹配造成了性能低下,则未成功通知 JVM 会导致 FatalError


正确性缺陷

5 大 JNI 正确性缺陷包括:

使用错误的 JNIEnv

执行本机代码的线程使用 JNIEnv 发起 JNI 方法调用。但是,JNIEnv 并不是仅仅用于分派所请求的方法。JNI 规范规定每个 JNIEnv 对于线程来说都是本地的。JVM 可以依赖于这一假设,将额外的线程本地信息存储在 JNIEnv 中。一个线程使用另一个线程中的 JNIEnv 会导致一些小 bug 和难以调试的崩溃问题。

正确性技巧 #1

仅在相关的单一线程中使用 JNIEnv

线程可以调用通过 JavaVM 对象使用 JNI 调用接口的 GetEnv() 来获取 JNIEnvJavaVM 对象本身可以通过使用 JNIEnv 方法调用 JNI GetJavaVM() 来获取,并且可以被缓存以及跨线程共享。缓存 JavaVM 对象的副本将允许任何能访问缓存对象的线程在必要时获取对它自己的 JNIEnv 访问。要实现最优性能,线程应该绕过 JNIEnv,因为查找它有时会需要大量的工作。

未检测异常

本机能调用的许多 JNI 方法都会引起与执行线程相关的异常。当 Java 代码执行时,这些异常会造成执行流程发生变化,这样便会自动调用异常处理代码。当某个本机方法调用某个 JNI 方法时会出现异常,但检测异常并采用适当措施的工作将由本机来完成。一个常见的 JNI 缺陷是调用 JNI 方法而未在调用完成后测试异常。这会造成代码有大量漏洞以及程序崩溃。

举例来说,考虑调用 GetFieldID() 的代码,如果无法找到所请求的字段,则会出现 NoSuchFieldError。如果本机代码继续运行而未检测异常,并使用它认为应该返回的字段 ID,则会造成程序崩溃。举例来说,如果 Java 类经过修改,导致 charField 字段不再存在,则清单 10 中的代码可能会造成程序崩溃 — 而不是抛出一个 NoSuchFieldError

清单 10. 未能检测异常
jclass objectClass;
jfieldID fieldID;
jchar result = 0;

objectClass = (*env)->GetObjectClass(env, obj);
fieldID = (*env)->GetFieldID(env, objectClass, "charField", "C");
result = (*env)->GetCharField(env, obj, fieldID);

正确性技巧 #2

在发起可能会导致异常的 JNI 调用后始终检测异常。

添加异常检测代码要比在事后尝试调试崩溃简单很多。经常,您只需要检测是否出现了某个异常,如果是则立即返回 Java 代码以便抛出异常。然后,使用常规的 Java 异常处理流程处理它或者显示它。举例来说,清单 11 将检测异常:

清单 11. 检测异常
jclass objectClass;
jfieldID fieldID;
jchar result = 0;

objectClass = (*env)->GetObjectClass(env, obj);
fieldID = (*env)->GetFieldID(env, objectClass, "charField", "C");
if((*env)->ExceptionOccurred(env)) {
   return;
}
result = (*env)->GetCharField(env, obj, fieldID);

不检测和清除异常会导致出现意外行为。您可以确定以下代码的问题吗?

fieldID = (*env)->GetFieldID(env, objectClass, "charField", "C");
if (fieldID == NULL){
   fieldID = (*env)->GetFieldID(env, objectClass,"charField", "D");
}
return (*env)->GetIntField(env, obj, fieldID);

问题在于,尽管代码处理了初始 GetFieldID() 未返回字段 ID 的情况,但它并未清除 此调用将设置的异常。因此,本机返回的结果会造成立即抛出一个异常。

未检测返回值

许多 JNI 方法都通过返回值来指示调用成功与否。与未检测异常相似,这也存在一个缺陷,即代码未检测返回值却假定调用成功而继续运行。对于大多数 JNI 方法来说,它们都设置了返回值和异常状态,这样应用程序更可以通过检测异常状态或返回值来判断方法运行正常与否。

正确性技巧 #3

始终检测 JNI 方法的返回值,并包括用于处理错误的代码路径。

您可以确定以下代码的问题吗?

clazz = (*env)->FindClass(env, "com/ibm/j9//HelloWorld");
method = (*env)->GetStaticMethodID(env, clazz, "main",
                   "([Ljava/lang/String;)V");
(*env)->CallStaticVoidMethod(env, clazz, method, NULL);

问题在于,如果未发现 HelloWorld 类,或者如果 main() 不存在,则本机将造成程序崩溃。

未正确使用数组方法

GetXXXArrayElements()ReleaseXXXArrayElements() 方法允许您请求任何元素。同样,GetPrimitiveArrayCritical()ReleasePrimitiveArrayCritical()GetStringCritical()ReleaseStringCritical() 允许您请求数组元素或字符串字节,以最大限度降低直接指向数组或字符串的可能性。这些方法的使用存在两个常见的缺陷。其一,忘记在 ReleaseXXX() 方法调用中提供更改。即便使用 Critical 版本,也无法保证您能获得对数组或字符串的直接引用。一些 JVM 始终返回一个副本,并且在这些 JVM 中,如果您在 ReleaseXXX() 调用中指定了 JNI_ABORT,或者忘记调用了 ReleaseXXX(),则对数组的更改不会被复制回去。

举例来说,考虑以下代码:

void modifyArrayWithoutRelease(JNIEnv* env, jobject obj, jarray arr1) {
   jboolean isCopy;
   jbyte* buffer = (*env)-> (*env)->GetByteArrayElements(env,arr1,&isCopy);
   if ((*env)->ExceptionCheck(env)) return; 
   
   buffer[0] = 1;
}

正确性技巧 #4

不要忘记为每个 GetXXX() 使用模式 0(复制回去并释放内存)调用 ReleaseXXX()

在提供直接指向数组的指针的 JVM 上,该数组将被更新;但是,在返回副本的 JVM 上则不是如此。这会造成您的代码在一些 JVM 上能够正常运行,而在其他 JVM 上却会出错。您应该始终始终包括一个释放(release)调用,如清单 12 所示:

清单 12. 包括一个释放调用
void modifyArrayWithRelease(JNIEnv* env, jobject obj, jarray arr1) {
   jboolean isCopy;
   jbyte* buffer = (*env)-> (*env)->GetByteArrayElements(env,arr1,&isCopy);
   if ((*env)->ExceptionCheck(env)) return; 
   
   buffer[0] = 1;

   (*env)->ReleaseByteArrayElements(env, arr1, buffer, JNI_COMMIT);
   if ((*env)->ExceptionCheck(env)) return;
}

第二个缺陷是不注重规范对在 GetXXXCritical()ReleaseXXXCritical() 之间执行的代码施加的限制。本机可能不会在这些方法之间发起任何调用,并且可能不会由于任何原因而阻塞。未重视这些限制会造成应用程序或 JVM 中出现间断性死锁。

举例来说,以下代码看上去可能没有问题:

void workOnPrimitiveArray(JNIEnv* env, jobject obj, jarray arr1) {
   jboolean isCopy;
   jbyte* buffer = (*env)->GetPrimitiveArrayCritical(env, arr1, &isCopy); 
   if ((*env)->ExceptionCheck(env)) return; 
   
   processBufferHelper(buffer);
   
   (*env)->ReleasePrimitiveArrayCritical(env, arr1, buffer, 0); 
   if ((*env)->ExceptionCheck(env)) return;
}

正确性技巧 #5

确保代码不会在 GetXXXCritical()ReleaseXXXCritical() 调用之间发起任何 JNI 调用或由于任何原因出现阻塞。

但是,我们需要验证在调用 processBufferHelper() 时可以运行的所有代码都没有违反任何限制。这些限制适用于在 GetRelease 调用之间执行的所有代码,无论它是不是本机的一部分。

未正确使用全局引用

本机可以创建一些全局引用,以保证对象在不再需要时才会被垃圾收集器回收。常见的缺陷包括忘记删除已创建的全局引用,或者完全失去对它们的跟踪。考虑一个本机创建了全局引用,但是未删除它或将它存储在某处:

lostGlobalRef(JNIEnv* env, jobject obj, jobject keepObj) {
   jobject gref = (*env)->NewGlobalRef(env, keepObj);
}

正确性技巧 #6

始终跟踪全局引用,并确保不再需要对象时删除它们。

创建全局引用时,JVM 会将它添加到一个禁止垃圾收集的对象列表中。当本机返回时,它不仅会释放全局引用,应用程序还无法获取引用以便稍后释放它 — 因此,对象将会始终存在。不释放全局引用会造成各种问题,不仅因为它们会保持对象本身为活动状态,还因为它们会将通过该对象能接触到的所有对象都保持为活动状态。在某些情况下,这会显著加剧内存泄漏。


避免常见缺陷

假设您编写了一些新 JNI 代码,或者继承了别处的某些 JVI 代码,如何才能确保避免了常见缺陷,或者在继承代码中发现它们?表 1 提供了一些确定这些常见缺陷的技巧:

表 1. 确定 JNI 编程缺陷的清单
未缓存触发数组副本错误界限过多回访使用大量本地引用使用错误的 JNIEnv未检测异常未检测返回值未正确使用数组未正确使用全局引用
规范验证XXX
方法跟踪XXXXXXX
转储X
-verbose:jniX
代码审查XXXXXXXXXX

您可以在开发周期的早期确定许多常见缺陷,方法如下:

根据 JNI 规范验证新代码

维持规范的限制列表并审查本机与列表的遵从性是一个很好的实践,这可以通过手动或自动代码分析来完成。确保遵从性的工作可能会比调试由于违背限制而出现的细小和间断性故障轻松很多。下面提供了一个专门针对新开发代码(或对您来说是新的)的规范顺从性检查列表:

  • 验证 JNIEnv 仅与与之相关的线程使用。
  • 确认未在 GetXXXCritical()ReleaseXXXCritical() 部分调用 JNI 方法。
  • 对于进入关键部分的方法,验证该方法未在释放前返回。
  • 验证在所有可能引起异常的 JNI 调用之前都检测了异常。
  • 确保所有 Get/Release 调用在各 JNI 方法中都是相匹配的。

IBM 的 JVM 实现包括开启自动 JNI 检测的选项,其代价是较慢的执行速度。与出色的代码单元测试相结合,这是一种极为强大的工具。您可以运行应用程序或单元测试来执行遵从性检查,或者确定所遇到的 bug 是否是由本机引起的。除了执行上述规范遵从性检查之外,它还能确保:

  • 传递给 JNI 方法的参数属于正确的类型。
  • JNI 代码未读取超过数组结束部分之外的内容。
  • 传递给 JNI 方法的指针都是有效的。

JNI 检测报告的所有结论并不一定都是代码中的错误。它们还包括一些针对代码的建议,您应该仔细阅读它们以确保代码功能正常。

您可以通过以下命令行启用 JNI 检测选项:

Usage: -Xcheck:jni:[option[,option[,...]]]

        all            check application and system classes
        verbose        trace certain JNI functions and activities
        trace          trace all JNI functions
        nobounds       do not perform bounds checking on strings and arrays
        nonfatal       do not exit when errors are detected
        nowarn         do not display warnings
        noadvice       do not display advice
        novalist       do not check for va_list reuse
        valist         check for va_list reuse
        pedantic       perform more thorough, but slower checks
        help           print this screen

使用 IBM JVM 的 -Xcheck:jni 选项作为标准开发流程的一部分可以帮助您更加轻松地找出代码错误。特别是,它可以帮助您确定在错误线程中使用 JNIEnv 以及未正确使用关键区域的缺陷的根源。

最新的 Sun JVM 提供了一个类似的 -Xcheck:jni 选项。它的工作原理不同于 IBM 版本,并且提供了不同的信息,但是它们的作用是相同的。它会在发现未符合规范的代码时发出警告,并且可以帮助您确定常见的 JNI 缺陷。

分析方法跟踪

生成对已调用本机方法以及这些本机方法发起的 JNI 回调的跟踪,这对确定大量常见缺陷的根源是非常有用的。可确定的问题包括:

  • 大量 GetFieldID()GetMethodID() 调用 — 特别是,如果这些调用针对相同的字段和方法 — 表示字段和方法未被缓存。
  • GetTypeArrayElements() 调用实例(而非 GetTypeArrayRegion())有时表示存在不必要的复制。
  • 在 Java 代码与本机代码之前来回快速切换(由时间戳指示)有时表示 Java 代码与本机代码之间的界限有误,从而造成性能较差。
  • 每个本机函数调用后面都紧接着大量 GetFieldID() 调用,这种模式表示并未传递所需的参数,而是强制本机回访完成工作所需的数据。
  • 调用可能抛出异常的 JNI 方法之后缺少对 ExceptionOccurred()ExceptionCheck() 的调用表示本机未正确检测异常。
  • GetXXX()ReleaseXXX() 方法调用的数量不匹配表示缺少释放操作。
  • GetXXXCritical()ReleaseXXXCritical() 调用之间调用 JNI 方法表示未遵循规范施加的限制。
  • 如果调用 GetXXXCritical()ReleaseXXXCritical() 之间相隔的时间较长,则表示未遵循 “不要阻塞调用” 规范所施加的限制。
  • NewGlobalRef()DeleteGlobalRef() 调用之间出现严重失衡表示释放不再需要的引用时出现故障。

一些 JVM 实现提供了一种可用于生存方法跟踪的机制。您还可以通过各种外部工具来生成跟踪,比如探查器和代码覆盖工具。

IBM JVM 实现提供了许多用于生成跟踪信息的方法。第一种方法是使用 -Xcheck:jni:trace 选项。这将生成对已调用的本机方法以及它们发起的 JNI 回调的跟踪。清单 13 显示某个跟踪的摘录(为便于阅读,隔开了某些行):

清单 13. IBM JVM 实现所生成的方法跟踪
Call JNI: java/lang/System.getPropertyList()[Ljava/lang/String; {
00177E00   Arguments: void
00177E00   FindClass("java/lang/String")
00177E00   FindClass("com/ibm/oti/util/Util")
00177E00   Call JNI: com/ibm/oti/vm/VM.useNativesImpl()Z {
00177E00     Arguments: void
00177E00     Return: (jboolean)false
00177E00   }
00177E00   Call JNI: java/security/AccessController.initializeInternal()V {
00177E00     Arguments: void
00177E00     FindClass("java/security/AccessController")
00177E00     GetStaticMethodID(java/security/AccessController, "doPrivileged", 
             "(Ljava/security/PrivilegedAction;)Ljava/lang/Object;")
00177E00     GetStaticMethodID(java/security/AccessController, "doPrivileged", 
             "(Ljava/security/PrivilegedExceptionAction;)Ljava/lang/Object;")
00177E00     GetStaticMethodID(java/security/AccessController, "doPrivileged", 
             "(Ljava/security/PrivilegedAction;Ljava/security/AccessControlContext;)
             Ljava/lang/Object;")
00177E00     GetStaticMethodID(java/security/AccessController, "doPrivileged", 
             "(Ljava/security/PrivilegedExceptionAction;
             Ljava/security/AccessControlContext;)Ljava/lang/Object;")
00177E00     Return: void
00177E00   }
00177E00   GetStaticMethodID(com/ibm/oti/util/Util, "toString", 
             "([BII)Ljava/lang/String;")
00177E00   NewByteArray((jsize)256)
00177E00   NewObjectArray((jsize)118, java/lang/String, (jobject)NULL)
00177E00   SetByteArrayRegion([B@0018F7D0, (jsize)0, (jsize)30, (void*)7FF2E1D4)
00177E00   CallStaticObjectMethod/CallStaticObjectMethodV(com/ibm/oti/util/Util, 
             toString([BII)Ljava/lang/String;, (va_list)0007D758) {
00177E00     Arguments: (jobject)0x0018F7D0, (jint)0, (jint)30
00177E00     Return: (jobject)0x0018F7C8
00177E00   }
00177E00   ExceptionCheck()

清单 13 中的跟踪摘录显示了已调用的本机方法(比如 AccessController.initializeInternal()V)以及本机方法发起的 JNI 回调。

使用 -verbose:jni 选项

Sun 和 IBM JVM 还提供了一个 -verbose:jni 选项。对于 IBM JVM 而言,开启此选项将提供关于当前 JNI 回调的信息。清单 14 显示了一个示例:

清单 14. 使用 IBM JVM 的 -verbose:jni 列出 JNI 回调
<JNI GetStringCritical: buffer=0x100BD010>
<JNI ReleaseStringCritical: buffer=100BD010>
<JNI GetStringChars: buffer=0x03019C88>
<JNI ReleaseStringChars: buffer=03019C88>
<JNI FindClass: java/lang/String>
<JNI FindClass: java/io/WinNTFileSystem>
<JNI GetMethodID: java/io/WinNTFileSystem.<init> ()V>
<JNI GetStaticMethodID: com/ibm/j9/offload/tests/HelloWorld.main ([Ljava/lang/String;)V>
<JNI GetMethodID: java/lang/reflect/Method.getModifiers ()I>
<JNI FindClass: java/lang/String>

对于 Sun JVM 而言,开启 -verbose:jni 选项不会提供关于当前调用的信息,但它会提供关于所使用的本机方法的额外信息。清单 15 显示了一个示例:

清单 15. 使用 Sun JVM 的 -verbose:jni
[Dynamic-linking native method java.util.zip.ZipFile.getMethod ... JNI]
[Dynamic-linking native method java.util.zip.Inflater.initIDs ... JNI]
[Dynamic-linking native method java.util.zip.Inflater.init ... JNI]
[Dynamic-linking native method java.util.zip.Inflater.inflateBytes ... JNI]
[Dynamic-linking native method java.util.zip.ZipFile.read ... JNI]
[Dynamic-linking native method java.lang.Package.getSystemPackage0 ... JNI]
[Dynamic-linking native method java.util.zip.Inflater.reset ... JNI]

开启此选项还会让 JVM 针对使用过多本地引用而未通知 JVM 的情况发起警告。举例来说,IBM JVM 生成了这样一个消息:

JVMJNCK065W JNI warning in FindClass: Automatically grew local reference frame capacity 
from 16 to 48. 17 references are in use. 
Use EnsureLocalCapacity or PushLocalFrame to explicitly grow the frame.

虽然 -verbose:jni-Xcheck:jni:trace 选项可帮助您方便地获取所需的信息,但手动审查此信息是一项艰巨的任务。一个不错的提议是,创建一些脚本或实用工具来处理由 JVM 生成的跟踪文件,并查看 警告

生成转储

运行中的 Java 进程生成的转储包含大量关于 JVM 状态的信息。对于许多 JVM 来说,它们包括关于全局引用的信息。举例来说,最新的 Sun JVM 在转储信息中包括这样一行:

JNI global references: 73

通过生成前后转储,您可以确定是否创建了任何未正常释放的全局引用。

您可以在 UNIX® 环境中通过对 java 进程发起 kill -3kill -QUIT 来请求转储。在 Windows® 上,使用 Ctrl+Break 组合键。

对于 IBM JVM,使用以下步骤获取关于全局引用的信息:

  1. -Xdump:system:events=user 添加到命令行。这样,当您在 UNIX 系统上调用 kill -3 或者在 Windows 上按下 Ctrl+Break 时,JVM 便会生成转储。
  2. 程序在运行中时会生成后续转储。
  3. 运行 jextract -nozip core.XXX output.xml,这将会将转储信息提取到可读格式的 output.xml 中。
  4. 查找 output.xml 中的 JNIGlobalReference 条目,它提供关于当前全局引用的信息,如清单 16 所示:
清单 16. output.xml 中的 JNIGlobalReference 条目
<rootobject type="Thread" id="0x10089990" reachability="strong" />
<rootobject type="Thread" id="0x10089fd0" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x100100c0" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x10011250" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x10011840" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x10011880" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x10010af8" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x10010360" reachability="strong" />
<rootobject type="JNIGlobalReference" id="0x10081f48" reachability="strong" />
<rootobject type="StringTable" id="0x10010be0" reachability="weak" />
<rootobject type="StringTable" id="0x10010c70" reachability="weak" />
<rootobject type="StringTable" id="0x10010d00" reachability="weak" />
<rootobject type="StringTable" id="0x10011018" reachability="weak" />

通过查看后续 Java 转储中报告的数值,您可以确定全局引用是否出现的泄漏。

参见 参考资料 获取关于使用转储文件以及 IBM JVM 的 jextract 的更多信息。

执行代码审查

代码审查经常可用于确定常见缺陷,并且可以在各种级别上完成。继承新代码时,快速扫描可以发现各种问题,从而避免稍后花费更多时间进行调试。在某些情况下,审查是确定缺陷实例(比如未检查返回值)的唯一方法。举例来说,此代码的问题可能可以通过代码审查轻松确定,但却很难通过调试来发现:

int calledALot(JNIEnv* env, jobject obj, jobject allValues){
   jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env,allValues); 
   jfieldID a = (*env)->GetFieldID(env, cls, "a", "I");
   jfieldID b = (*env)->GetFieldID(env, cls, "b", "I");
   jfieldID c = (*env)->GetFieldID(env, cls, "c", "I");
   jfieldID d = (*env)->GetFieldID(env, cls, "d", "I");
   jfieldID e = (*env)->GetFieldID(env, cls, "e", "I");
   jfieldID f = (*env)->GetFieldID(env, cls, "f", "I");

}

jclass getObjectClassHelper(jobject object){ 
   /* use globally cached JNIEnv */
   return cls = (*globalEnvStatic)->GetObjectClass(globalEnvStatic,allValues); 
}

代码审查可能会发现第一个方法未正确缓存字段 ID,尽管重复使用了相同的 ID,并且第二个方法所使用的 JNIEnv 并不在应该在的线程上。


结束语

现在,您已经了解了 10 大 JNI 编程缺陷,以及一些用于在已有或新代码中确定它们的良好实践。坚持应用这些实践有助于提高 JNI 代码的正确率,并且您的应用程序可以实现所需的性能水平。

有效集成已有代码资源的能力对于面向对象架构(SOA)和基于云的计算这两种技术的成功至关重要。JNI 是一项非常重要的技术,用于将非 Java 旧有代码和组件集成到基于 Java 的平台中,充当 SOA 或基于云的系统的基本元素。正确使用 JNI 可以加速将这些组件转变为服务的过程,并允许您从现有投资中获得最大优势。

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Zone=Java technology
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ArticleTitle=使用 Java Native Interface 的最佳实践
publish-date=07272009