Java Native Interface: propojujeme Javu a C/C++ – 2

10. 11. 2010 | Luboš Doležel

Články - Java Native Interface: propojujeme Javu a C/C++ – 2  

V druhém díle seriálu se podíváme na ostatní primitivní datové typy a naučíme se pracovat s objekty typu String.

Obsah

• Primitivní datové typy
• Objekty v JNI
• Pracujeme s řetězci
• Co bude příště

V druhém díle seriálu se podíváme na ostatní primitivní datové typy a naučíme se pracovat s objekty typu String.

Primitivní datové typy

V ukázce v minulém díle jste si mohli všimnout, že se v nativním kódu místo typu int používalo jint. Situace je taková, že se velikost datových typů může mezi Javou a C/C++ lišit, a proto byla zavedena tato značení typů. V případě jint půjde typicky ve výsledku jen o #define na int, protože většina kompilátorů má int 32bitový, ale s javovským longem už je to o trochu složitější.

Typ v Javě	Typ v JNI	Typ v C/C++	Identifikátor	Poznámka
boolean	jboolean	unsigned char (bool)	Z	Pro kompatibilitu s C není použit bool z C++
byte	jbyte	unsigned char	B
char	jchar	unsigned short (wchar_t)	C	Java pro znaky používá kódování UTF-16 (dříve UCS-2)
short	jshort	short (int16_t)	S
int	jint	int (int32_t)	I	Staré C kompilátory měly int 16bitový, definice typů je v C dosti vágní
long	jlong	long long (int64_t)	J	Pozor, velikost long se v C typicky liší podle velikosti ukazatele na platformě, proto long long
float	jfloat	float	F	32bitové desetinné číslo
double	jdouble	double	D	64bitové desetinné číslo

Protože Java podporuje přetěžování metod, mají všechny datové typy v Javě svůj identifikátor, který se používá při "dekoraci" názvů metod o signaturu pro nalezení té správné přetížené varianty. Sami si s identifikátory budeme hrát až v dalších dílech. Do té doby můžeme tyto identifikátory zahlédnout v hlavičkových souborech generovaných programem javah.

Objekty v JNI

Všechny javovské objekty jsou v JNI reprezentovány jako jobject nebo jako potomek této třídy. Samotný typ jobject je ve skutečnosti jen #definovaný ukazatel (_jobject*), proto se při kopírování jobjectu nevolají žádné konstruktory nebo něco podobného. Každý jobject přitom představuje z hlediska Javy pouze referenci na objekt, to znamená, že dva jobjecty s odlišnou adresou mohou ve skutečnosti zastupovat ten samý javovský objekt, který bude předmětem garbage collection, jakmile budou všechny reference na něj zrušeny.

Pro odchycení některých základních programátorských chyb obsahuje JNI potomky jobjectu. Především proto, aby bylo jasné, že daná funkce JNI požaduje objekt právě takového typu. Veškerá pole (i primitivních hodnot) jsou také objekt – castování pole na Object v Javě by sice člověka možná praštilo do očí, ale i zde se ukazuje, že je to skutečnost.

Typ v JNI	Typ v Javě
jobject	java.lang.Object (instance libovolné třídy)
jstring	java.lang.String
jclass	java.lang.Class
jthrowable	java.lang.Throwable
jarray (a příbuzní jako jintArray)	type[] (pole primitivních hodnot nebo objektů)
jweak	speciální typ pro slabé globální reference, odpovídá java.lang.ref.WeakReference

Pracujeme s řetězci

Konečně se dostáváme k vytvoření našeho prvního řetězce. Řetězce mají v Javě speciální postavení a není tomu naštěstí jinak ani v JNI. Díky tomu nemusíme vytvářet instance java.lang.String a ručně volat konstrukor, což by bylo poněkud pracné. Upravíme si tedy příklad z přechozího dílu a naprogramujeme si dvě nativní metody: jedna bude číslo převádět na řetězec a druhá zase naopak. Javovská třída:

package test;

public class TestNative {
    public static native String intToString(int number);
    public static native int stringToInt(String str);

    public static void main(String[] args) {
        System.loadLibrary("mynative");

        int number = 567;
        String str = "321";

        System.out.println("intToString(): " + intToString(number));
        System.out.println("stringToInt(): " + stringToInt(str));
    }
}

Na straně nativního kódu se už konečně dostane ke slovu pomyslná brána k JNI, tedy JNIEnv*. Vygenerujeme si nový hlavičkový soubor pomocí javah a začneme implementovat. Nejprve se podíváme na odlišnost volání metod JNI mezi C a C++ – díky podpoře OOP v C++ je zde práce snazší. V mých příkladech budu i z tohoto důvodu používat styl C++.

/*
Máme nějaký objekt env:
extern JNIEnv* env;
*/

/* Takto voláme funkce JNI v jazyce C: */
(*env)->funkce(env, arg1, arg2);

/* Takto voláme funkce JNI v jazyce C++: */
env->funkce(arg1, arg2);

Přejděme tedy k práci a podívejme se na implementaci intToString a stringToInt:

jstring Java_test_TestNative_intToString(JNIEnv* env, jclass myClass, jint num)
{
    char buf[50];
    snprintf(buf, 50, "%d", num);

    jstring str = env->NewStringUTF(buf);
    return str;
}

jint Java_test_TestNative_stringToInt(JNIEnv* env, jclass myClass, jstring str)
{
    const char* cstr;
    int num;

    cstr = env->GetStringUTFChars(str, NULL);
    num = atoi(cstr);
    env->ReleaseStringUTFChars(str, cstr);

    return num;
}

Použili jsme tři funkce JNI, které si popíšeme:

• jstring NewStringUTF(const char* str)

  Vrátí novou lokální referenci na instanci java.lang.String s obsahem UTF-8 řetězce, na který odkazuje str. Existuje také varianta NewString(const jchar*, jsize length), která pracuje s řetězci v UTF-16. Tato lokální reference bude v tomto příkladu zrušena při návratu funkce, respektive bude nahrazena jinou referencí ve volající metodě, pokud si vrácenou hodnotu uchovává.

• const jbyte* GetStringUTFChars(jstring str, jboolean* isCopy)

  Vrátí ukazatel na UTF-8 řetězec s obsahem předaného Stringu. Pokud isCopy není NULL, je nastaveno na JNI_TRUE, nebo JNI_FALSE podle toho, zda bylo nutné vytvořit kopii dat retězce. Dvě pravidla: do vráceného řetězce nesmíte zapisovat a musíte jej uvolnit pomocí ReleaseStringUTFChars. Existuje také varianta GetStringChars, která vrací řetězec v UTF-16.

• void ReleaseStringUTFChars(jstring str, const jbyte* cstr)

  Uvolní paměť daného C řetězce. Existuje také varianta ReleaseStringChars, která se používá spolu s GetStringChars.

Na Linuxu budeme chtít používat hlavně funkce spojené s UTF-8; na Windows může být výhodnější používat funkce vracející UTF-16, protože Unicode varianta WinAPI používá právě toto kódování. Na rozdíl od C/C++ jsou řetězce v Javě vždy konstantní, to znamená, že se jejich obsah nemůže od založení do zrušení objektu měnit. Tím pádem jen marně můžeme hledat takové funkce.

V dokumentaci najdeme ještě několik dalších funkcí pro práci s řetězci:

• GetStringLength – vrátí délku Stringu v počtu Unicode znaků
• GetStringUTFLength – vrátí bajtovou délku UTF-8 reprezentace řetězce
• GetStringRegion a GetStringUTFRegion – zapíší určitou část řetězce do námi dodaného bufferu
• GetStringCritical a ReleaseStringCritical – slouží pro přímý přístup k UTF-16 bufferu daného Stringu. Vyplatí se při práci s dlouhými řetězci (obsah se typicky nemusí kopírovat), ale má přísnější pravidla: mezi Get a Release se nesmí volat funkce JNI a náš kód nesmí blokovat, neboť by mohl blokovat i další části JVM.

Nyní zkompilujeme naší nativní knihovnu a pak spustíme javovský program:

$ java -Djava.library.path=/tmp -cp build/classes test.TestNative
intToString(): 567
stringToInt(): 321

Co bude příště

V příštím díle se naučíme pracovat s lokálními a globálními referencemi na javovské objekty.

Seriál Java Native Interface (dílů: 6)

První díl: Java Native Interface: propojujeme Javu a C/C++ – 1, poslední díl: Java Native Interface – voláme Javu z nativního kódu a ještě více.
Předchozí díl: Java Native Interface: propojujeme Javu a C/C++ – 1
Následující díl: Java Native Interface: propojujeme Javu a C/C++ – 3

Diskuse k tomuto článku

[Palo]

Nepouzivajte JNI. Ak to skutocne potrebujete napiste si nieco v C/C++ a potom cez File pipe, siet, ... si to transferujte do Javy kde to spracujete.

[D.A.Tiger]

Proč? Není to přece jen pracnější? Pokud zpracováváš jednoduché typy v jednoduchém prográmku, tak by to bylo řešitelné, ale co když potřebuješ transfer a zpracování složitejších objektu? Nebo použít nějakou C/C++ knihovnu? To jako budeš dělat kvůli tomu special wraper, který bude komunikovat s javovskými aplikacemi?

[Palo]

Odpoved preco nepouzivat JNI najdete aj tu: http://en.wikipedia.org/wiki/Java_Native_Interface

Myslim ze s polkou z nich som sa stretol priamo nazivo. Hlavne stabilita JVM dost trpi.

Ten specialny wrapper iste nebude komplikovanejsi nez na co narazis pri integracii Javy s C/C++ kniznicami.

[Luboš Doležel (Doli)]

Přečetl jsem si to a jde o problémy, které jsou pro programátory nativních aplikací každodenní chéb. Prostě když píšu nativní kód, tak musím napsat nativní kód tak, aby nedělal blbosti - nehavaroval, uvolňoval paměť a hlídal chyby. Nic nečekaného.

[Palo]

Take zamyslenie. Na co by som potreboval spustat nativny kod? Na siet, subory, seriovu linku a kopec dalsich veci sa dostanem odladenym (tiez nativnym) kodom priamo z JVM. Takze na co by som potreboval C/C++. Na pristup k nejakym hroznym zdrojom ktore maju nepredvidatelne spravanie takze aj ten C/C++ bude mat nepredvidatelne (chybne) spravanie. A preto je dobre mat to mimo vlastneho memory space java programu ktory to spracovava. Tuto chybovu cast urobit ako maly program ktory feeduje velky Javovy program. Problem s protokolom alebo niecim podobnym nevidim. Na to existuje velke mnozstvo kniznic. Akekolvek ine riesenie ktore umoznuje bezat C/C++ mimo memory space Javy je lepsie ako bezat nativny kod z Javy. Dokonca aj spustenie externeho programu a citanie a zapis na STDIN/STDOUT je radovo lepsi sposob. Nebranim samozrejme nikomu v experimentovani a robeni vlastnych chyb. Toto su moje skusenosti a odporucania. JNI nikdy viac.

[Luboš Doležel (Doli)]

Na pristup k nejakym hroznym zdrojom ktore maju nepredvidatelne spravanie takze aj ten C/C++ bude mat nepredvidatelne (chybne) spravanie.

Tak to ano, ale v takové situaci by se dělalo oddělení stranou i u nativních aplikací. Já využití vidím v přístupu k nativním knihovnám jako SQLite (bylo by hloupé to reimplementovat v Javě, ano, znám JDBC, je to jen příklad), Qt, GTK+, ffmpeg nebo různým platformně specifickým věcem (XVideo).

[Filip Jirsák]

Ten „hrozný zdroj s nepředvídatelným chováním“ může být třeba linuxové jádro. Pokud budete chtít nějakou jeho funkci (která není jinak z Javy dostupná) volat často, může být výkon spotřebovaný navíc pro nějakou síťovou komunikaci nebo dokonce spouštění nových procesů nezanedbatelný. Jako příklad si představte třeba web server, který bude mime typ souboru zjišťovat z rozšířených atributů souboru (ke kterým se před Javou 7 jinak, než nativním voláním, nedostanete).

[pepa_u]

Ona je bohuzel hromada knihoven, ktere v Jave neexistuji. Komunikovat s nimi pres sit, stdin/out a nebo neco podobneho by bylo pri nejmensim neefektivni.

Ja pozivam CERN ROOT knihovny z Javy pres JNI, vse jsem odladil, nenam nejmensi problem. Zpracovavam GB dat, fituju funkce, atd atd, vsecko s pomoci C++ knihovny ROOT volane z Javy. A co vic, funguje to prez problemu na Linuxu, Mac OS X i Windows.

[Algi]

Take zamyslenie. Na co by som potreboval spustat nativny kod?

Odpověď je naprosto triviální. Volitelná integrace s určitýma nativníma knihovnama/frameworkama. Konkrétní příklad z praxe? AddressBook.framework - volání jeho API z Javy je jednoduché a efektivní. Dvě otázky, kterými byste mohl oponovat:

1) Proč volat framework dostupný pouze na jednom OS? 2) Proč si nenapsat obdobnou funkcionalitu v Javě?

Moje zdůvodnění bylo prosté. Proč ne, když je to k dispozici. Lépe tam ta aplikace zapadá a nebudu znovu vynalézat kolo. Při pečlivém a správném napsání nativního kódu (bez použití JNA) nebyl jediný problém. Uznávám, daný kód byl vcelku jednoduchý a moc šancí na chybu v něm nebylo. Nicméně z části to bylo dáno také volbou nativního jazyka Objective-C.

[Luboš Doležel (Doli)]

Chtěl bych vidět, jak by to takhle dělali třeba v OpenOffice.org. To by bylo šílený.

[Palo]

To co predvadzaju pri spajani Javy s OpenOffice je dost sialene aj teraz. Ja nemam nic proti spustaniu Javy z C/C++ ako nejakym callbackom to je fajn a dokonca aj velmi rychle. Ale cele toto JNI je nanic.

[D.A.Tiger]

Ja nemam nic proti spustaniu Javy z C/C++

Pokud jsem to pochopil zprávně, ta JNI pracuje přesně opačně - umožňuje použít C/C++ kod v Javě.

[Luboš Doležel (Doli)]

Funguje oběma směry. Budu to později v tomto seriálu také ukazovat.

[arny]

Pekny clanok. Privital by som, ked ukoncite popisovanie JNI, clanky aj o JNA (Java Native API), ktore podla mna zlahcuje integraciu nativneho kodu s javou. Je to nieco podobne ako P/Invoke v .NETe (spominam to tu hlavne preto aby sa .NETatci priliz nevychvalovali ;)).

[arny]

prepacte za omyl, JNA = Java Native Access

[Luboš Doležel (Doli)]

Až bude probrané JNI komplet, přijde řada i na JNA.

[Canibal]

U nas jsem poizivali na propojeni Javy C++ super vec:

http://sourceforge.net/projects/jace/

Je to proxy generator C++ -> Java /zpet. Muzu jen doporucit. (Pred 2 roky nepodporovali wchar (bylo nutne dodelat), ale myslim, ze uz to maji).