如何用JNI技术提高Java的性能详解

问题的提出
Sun公司及Java的支持者们为提高Java的运行速度已经做出了许多努力，其中大多数集中在程序设计的方法和模式选择方面。由于算法和设计模式的优化是通用的，对Java有效的优化算法和设计模式，对其他编译语言也基本同样适用，因此不能从根本上改变Java程序与编译型语言在执行效率方面的差异。
JIT(Just In Time，及时编译)技术是个比较好的思想。它的基本原理是：首先通过Java编译器把Java源代码编译成平台无关的二进制字节码。然后在Java程序真正执行之前，系统通过JIT编译器把Java的字节码编译为本地化机器码。最后，系统执行本地化机器码，节省了对字节码进行解释的时间。这样做的优点是大大提高了Java程序的性能，缩短了加载程序的时间；同时，由于编译的结果并不在程序运行间保存，因此也节约了存储空间。缺点是由于JIT编译器对所有的代码都想优化，因此同样也占用了很多时间。
动态优化技术是提高Java性能的另一个尝试。该技术试图通过把Java源程序直接编译成机器码，以充分利用Java动态编译和静态编译技术来提高Java的性能。该方法把输入的Java源码或字节码转换为经过高度优化的可执行代码和动态库 (Windows中的. dll文件或Unix中的. so文件)。该技术能大大提高程序的性能，但却破坏了Java的可移植性。
JNI技术
实际上，有一种通常为我们忽视的技术可以在很大程度上解决这个难题，那就是JNI(Java Native Interface, Java本地化方法)。主张采用纯Java的人们通常反对本地化代码的使用，他们认为在Java程序执行的过程中调用C/C++程序会影响程序的可移植性和安全性。还有一些人认为JNI只是对过去混合编程技术的简单扩展，其实际目的是为了充分利用大量原有的C程序库。
其实，我们不必拘泥于严格的平台独立性限制，因为采用JNI技术只是针对一些严重影响Java性能的代码段，该部分可能只占源程序的极少部分，所以几乎可以不考虑该部分代码在主流平台之间移植的工作量。同时，也不必过分担心类型匹配问题，我们完全可以控制代码不出现这种错误。此外，也不必担心安全控制问题，因为Java安全模型已扩展为允许非系统类加载和调用本地方法。根据Java规范，从JDK 1. 2开始，FindClass将设法找到与当前的本地方法关联的类加载器。如果平台相关代码属于一个系统类，则无需涉及任何类加载器; 否则，将调用适当的类加载器来加载和链接已命名的类。换句话说，如果在Java程序中直接调用C/C++语言产生的机器码，该部分代码的安全性就由Java虚拟机控制。
JNI实现步骤
编写JNI代码的大致流程如下图所示：



JNI实现流程图
1. 首先编写需要JNI功能的Java类源文件。其中，需要JNI实现的方法应当用native关键字声明。在该类中，用System. loadLibrary()方法加载需要的动态链接库。关键代码如下：
//Compute.java
……
public class Compute {
public native double comp (double [] params);
……
static {
// 调用动态链接库
System. loadLibrary(“mathlib”);
}
……
}
2. 将该类源文件用Java类编译器编译成二进制字节码文件。由于采用了native关键字声明，编译器会忽视没有代码体的JNI方法部分。
3. 利用javah -jni *.class 生成相关JNI方法的头文件。我们可以手工生成该文件，但是由于Java虚拟机是根据一定的命名规范完成对JNI方法的调用，所以手工编写头文件需要特别小心。
上述文件产生的头文件部分代码如下：
//Compute. h
……
extern “C” {
JNIEXPORT jdouble JNICALL Java_Compute_comp (JNIEnv *, jobject, jdoubleArray);
}
……
可以看出，JNI函数名称分为三部分：首先是Java关键字，供Java虚拟机识别；然后是调用者类名称（全限定的类名，其中用下划线代替名称分隔符）；最后是对应的方法名称，各段名称之间用下划线分割。
JNI函数的参数也由三部分组成: 首先是JNIEnv *，是一个指向JNI运行环境的指针；第二个参数随本地方法是静态还是非静态而有所不同——非静态本地方法的第二个参数是对对象的引用，而静态本地方法的第二个参数是对其 Java 类的引用; 其余的参数对应通常 Java 方法的参数，参数类型需要根据一定规则进行映射。
4. 根据头文件编写相应方法的实现代码。由于篇幅所限，具体的实现部分在此不再赘述。在编码过程中，需要注意变量的长度问题，例如Java的整型变量长度为32位，而C语言为16位，所以要仔细核对变量类型映射表，防止在传值过程中出现问题。
5. 利用C/C++编译器将JNI实现代码编译成动态链接库。调用者类中需要显式调用该链接库。
在Win32环境下，可以利用Visual C ++或其他能产生DLL文件的C/C++编译器将实现代码编译成动态链接库。笔者利用的是Microsoft.NET Framework的编译器。编译指令如下，其中%Java_HOME%是笔者的jdk安装目录变量：
cl -I%Java_HOME%/include
-I%Java_HOME%/include/win32
-LD jnicomp. c -Femathlib. dll
在Sun Soloaris下，相应指令为：
cc -G -I/usr/local/java/include -I/usr/local/java/include/solaris jnicomp. c /
-o mathlib. so
注意，编译的时候需要用I指令包含必要的库文件路径。
经过上述处理，就基本上完成了一个包含本地化方法的Java类的开发。
JNI技术的应用
一些主要的Java技术，如JDBC和RMI，大部分都采用JNI方式实现。但是，采用JNI确实会影响程序的平台无关性，所以只能在特别需要的地方才能使用。通常来说，如果遇到下面的情况，我们可以考虑JNI:
● 需要直接操作物理设备，而没有相关的驱动程序，这时候我们可能需要用C甚至汇编语言来编写该设备的驱动，然后通过JNI调用；
● 涉及大量数学运算的部分，用Java会带来些效率上的损失；
● 用Java会产生系统难以支付的开销，如需要大量网络链接的场合；
● 存在大量可重用的C/C++代码，通过JNI可以减少开发工作量，避免重复开发。
另外，在利用JNI技术的时候要注意以下几点：
● 由于Java安全机制的限制，不要试图通过Jar文件的方式发布包含本地化方法的Applet到客户端；
● 注意内存管理问题，虽然在本地方法返回 Java 后将自动释放局部引用，但过多的局部引用将使虚拟机在执行本地方法时耗尽内存；
● JNI技术不仅可以让Java程序调用C/C++代码，也可以让C/C++代码调用Java代码。