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JNA 教程

前言

只要你用过了 JNA (java native access) , 那你可能就再也不想用 JNI 了

实际上, JNA 搞定了 JNI 中最麻烦的数据类型映射, 可以让我们进行高效的开发, 不用再去写各种的转换接口.

char*
string
数组
结构体

上面的数据类型它都支持

可能有人会问 JNA 能完全代替 JNI 么? 不能, JNA只能实现Java访问C函数，如果你想实现C语言调用 Java 代码, 你还是需要使用 JNI 技术。

但其实在很大程度上已经够用了, 因为在很多应用领域都是由 C++算法工程师提供库 (.so/.dll) , java 工程师只需要负责调用就可以了

JNA 有什么用? 吹一波?

就一个 简化 jni 开发

想想当年写 jni 的时候, 下面这样的代码要写几百行, 你就知道我有多痛苦了

当然最痛苦的还不是这个

在开发中, 作为一个JAVA 程序员你会遇到各种各样奇葩的问题

还包含一部分你无法理解的C++问题

类型转换
linux windows多环境编译
内存泄漏
异常处理
各种找不到原因的报错
debug 困难
...

而如果使用 JNA, 你可能只需要这样:

你不需要通过 javah 生成头文件, 不需要给它写实现
不需要在 windows/linux 环境各自编译成 .dll/.so 来调用真正的函数
只需要声明一个接口, 其他的事情让 JNA 做好就行

public class HelloWorld {
    public interface CLibrary extends Library {
        CLibrary INSTANCE = Native.load((Platform.isWindows() ? "msvcrt" : "c"), CLibrary.class);

        void printf(String format, Object... args);
    }

    public static void main(String[] args) {
        CLibrary.INSTANCE.printf("Hello, World
");
    }
}
// 该源码来自 https://github.com/java-native-access/jna/blob/master/www/GettingStarted.md

哪些项目使用了 JNA

Apache Cassandra：大型NoSQL数据存储
JetBrains的IntelliJ IDEA
NetBeans IDE

...

每天都在用的 IDEA 都用了 JNA =.= 你还怕什么?

数据类型映射

了解一下 C -> java 的数据类型映射, 帮助你更好的完成之后的练习

Native Type	Size	Java Type	Common Windows Types
char	8-bit integer	byte	BYTE, TCHAR
short	16-bit integer	short	WORD
wchar_t	16/32-bit character	char	TCHAR
int	32-bit integer	int	DWORD
int	boolean value	boolean	BOOL
long	32/64-bit integer	NativeLong	LONG
long long	64-bit integer	long	__int64
float	32-bit FP	float
double	64-bit FP	double
char*	C string	String	LPCSTR
void*	pointer	Pointer	LPVOID, HANDLE, LPXXX

from JNA - Default Type Mappings

你可能会发现表中没有 native 的 boolean 类型, 默认上 boolean = true 会被默认映射成 -1(int), 在 C 中打印出来是 255. 所以我一般在定义接口时, 会避免使用 bool . 如果想自定义 boolean 映射, 可以参考 JNA maps Java boolean to -1 integer?

代码示例

本代码示例基于 64位 win10 + vs 2019

如果遇到 dll 依赖问题( UnsatisfiedLinkError ), 请下载 micro soft vc 运行库或者使用 Dependency walker 查看 dll 依赖缺失情况

可以 clone 一下我的项目:

java 部分: https://github.com/giraffe-tree/jna-func

c++ 部分(vs 项目): https://github.com/giraffe-tree/jna-c

max

先来个简单的例子

先将下面的依赖加入你的 java maven 项目

<dependency>
    <groupId>net.java.dev.jna</groupId>
    <artifactId>jna</artifactId>
    <version>5.3.1</version>
</dependency>

// c++  需要在 vs 中编译成 dll
int max(int num1, int num2) {
    return num1 > num2 ? num1 : num2;
}

// java
public interface JnaLibrary extends Library {
     // JNA 为 dll 名称
    JnaLibrary INSTANCE = Native.load("JNA", JnaLibrary.class);

将编译好的 JNA.dll 放入 resources 文件夹下的 win32-x86-64 目录中 (我使用的是 64位 windows), JNA 会自动到 win32-x86-64 中去找 JNA.dll

运行 main 函数即可

public static void main(String[] args) {
    int max = JnaLibrary.INSTANCE.max(100, 200);
    // out: 200
    System.out.println(max);
}

primitive array

// java
public interface JnaLibrary extends Library {
     // JNA 为 dll 名称
    JnaLibrary INSTANCE = Native.load("JNA", JnaLibrary.class);
    void testArray(short[] vals, int len);
}

// c++
void testArray(uint16_t* vals, int len) {
    for (int j = 0; j < len; j++) {
        printf("vals[%d]: %d 
", j, vals[j]);
    }
}

JnaLibrary.INSTANCE.testArray(new short[]{1, 2, 3, 4}, 4);
// out:
vals[0]: 1 
vals[1]: 2 
vals[2]: 3 
vals[3]: 4

值传递与引用传递

通过值传递对象的时候需要注意

对象需要继承 Structure , 且它的属性必须为 public
- Structure fields corresponding to native struct fields must be public. If your structure is to have no fields of its own, it must be declared abstract.
JNA 有时候会判断错误, 导致原本的值传递, 变成引用传递, 从而报出Invalid memory access 的异常, 这时候最好实现一下 Structure.ByValue 接口

https://java-native-access.github.io/jna/5.3.0/javadoc/overview-summary.html#structures

FieldOrder 需要按顺序写, 否则会报出 Invalid memory access

// java
public interface JnaLibrary extends Library {
     // JNA 为 dll 名称
    JnaLibrary INSTANCE = Native.load("JNA", JnaLibrary.class);
    // 实际测试下来 void printUser(User.ByValue user); 也是可以的
    void printUser(User user);
    void printUserRef(User user);

@Structure.FieldOrder({"name", "height", "weight"})
public static class User extends Structure {

public static class UserValue extends User implements Structure.ByValue {

    public UserValue(String name, int height, double weight) {
        super(name, height, weight);
        }
    }

    public User(String name, int height, double weight) {
        this.name = name;
        this.height = height;
        this.weight = weight;
    }

        public String name;
        public int height;
        public double weight;
    }
}

// .h
struct User {
    char* name;
    int height;
    double weight;
};
void printUser(User user);
void printUserRef(User& user);

// cpp
void printUser(User user) {
    printf("printUser user: %s height: %d weight: %.2f 
", user.name, user.height, user.weight);
}
void printUserRef(User& user) {
    printf("printUserRef user: %s height: %d weight: %.2f 
", user.name, user.height, user.weight);
}

JnaLibrary.User.UserValue user1 = new JnaLibrary.User.UserValue("user1", 186, 65.2);
JnaLibrary.INSTANCE.printUserRef(user1);
JnaLibrary.INSTANCE.printUser(user1);
// out:
printUserRef user: user1 height: 186 weight: 65.20 
printUser user: user1 height: 186 weight: 65.20

Pointer

// java
public interface JnaLibrary extends Library {
    // JNA 为 dll 名称
    JnaLibrary INSTANCE = Native.load("JNA", JnaLibrary.class);
    
    void testStruct(ArrInfo arrInfo);
    
    @Structure.FieldOrder({"vals", "len"})
        public static class ArrInfo extends Structure {
            public Pointer vals;
            public int len;

            public ArrInfo(Pointer vals, int len) {
            this.vals = vals;
            this.len = len;
        }
    }
}

// .h
struct ArrInfo
{
    uint16_t* vals;
    int len;
};
void testStruct(ArrInfo arrInfo);

// cpp
void testStruct(ArrInfo arrInfo) {
    for (int j = 0; j < arrInfo.len; j++) {
        printf("arrInfo[%d]: %d 
", j, arrInfo.vals[j]);
    }
}

// java main test
int len = 3;
int shortSize = Native.getNativeSize(Short.class);
Pointer pointer = new Memory(len * shortSize);
for (int i = 0; i < len; i++) {
    pointer.setShort(shortSize * i, (short) i);
}
JnaLibrary.ArrInfo arrInfo = new JnaLibrary.ArrInfo(pointer, len);
JnaLibrary.INSTANCE.testStruct(arrInfo);
// out
arrInfo[0]: 0 
arrInfo[1]: 1 
arrInfo[2]: 2

关于 JNA 调试

虽然 JNA 相比于 JNI 好用很多, 但我在使用的过程中还是遇到一些"坑"

这些 bug 常常很难直接找出, JNA 统一都报了一个 Invalid memory access , 导致我们找不到真正错误的原因. 这时候就需要调试了

我使用的开发环境是 IDEA + jdk8 + VS2019

步骤

先简单讲下步骤, 具体图文可以看下面的实战

通过 vs 编译 debug 版本的 dll , 放入 java 项目指定的目录下 (我这里是resources/win32-x86-64/JNA.dll)
启动 java 程序, 停止在你指定的断点上
jps -l 找到 java 程序的 pid
在 vs 中 ctrl+alt+p 附加到进程, 选择刚刚找到的 pid, 点击附加
- 其实一般是最上面的那个 java 进程, 就是你刚刚运行起来的那个
- 点击 j 可以快速查找
在 vs 中设置一个断点
在 idea 中继续debug, 它会跳到 vs 的debug 界面中
在 vs 中点击继续就可以接着调试啦

实战

在 idea 中进入调试

在下图中, jps -l 找到 java 程序的 pid = 10560

在 vs 中 ctrl+alt+p 附加到进程, 选择刚刚找到的 pid, 点击附加

此时断点不会命中

接着在 idea 中点击继续, 然后回到 vs 界面, 我们发现断点被触发了

查看局部变量

yeah, 调试完成 =.=

其他问题

C++ 中 printf 控制台打印缺失

目前测试下来, 可能存在 java 主线程停止, 但 C++ print 缓存区未被清空/不输出的情况, 导致控制台打印内容缺失

在这种情况下, 请延长 java 主线程运行的时间.

在C++调试时, 遇到未加载 jvm.pdb

目前测试下来, 在 vs 中 debug 继续后会报出一个 未加载 jvm.pdb , 我确实没有找到这个文件

但还可以继续调试, 没啥大问题

不过什么时候来个调试 openjdk 想想应该蛮有趣的哈哈

Invalid memory access

这个问题怎么说呢, JNA 好多地方都能报出这个错误, 我遇到这个错误时, 大部分都是我的java 参数 -> C++ 参数的映射问题

包括参数类型写错, 顺序写错等, 仔细检查映射关系就能解决

dll 兼容性问题

java.lang.UnsatisfiedLinkError: 找不到指定的模块。

这个错误我遇到过的情况分两种

我调用的 dll 没有放进指定目录
- 比如我的平台是 win32-x86-64, 但是没有放入这个目录中
- 这种情况下, jna 会提示找不到指定目录的资源文件比较好解决
我调用的 dll 依赖的其他 dll 没有找到
- 这个情况, 我在 win10 下编译, 然后在 windower server 2012 上运行时遇到过
- 通过解决方案是这样
  1. 通过 Dependency walker 查看 dll 依赖缺失情况
  2. 补全缺失的 dll
- 当时我的情况是缺失了 vc140, 然后我下载 micro soft vc 运行库就解决了这个问题

个人网站文章链接: https://giraffetree.me/2019/10/28/jna_tutorial/ 欢迎留言~

作者：长脖子树
链接：https://www.jianshu.com/p/ead89497c403
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

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