隨著 JDK 19 在未來幾周*內(nèi)發(fā)布，是時(shí)候討論巴拿馬（Panama）項(xiàng)目了，更具體地說，是新的外部函數(shù)和內(nèi)存 API，它簡化了 Java 和本機(jī)代碼之間的互操作性。

本文使用一個(gè)簡單的基于 Java 的“Hello World”應(yīng)用程序調(diào)用一些 C 本機(jī)代碼來介紹外部函數(shù)和內(nèi)存 API。

準(zhǔn)備

要使用 Foreign Function & Memory API 和示例代碼，請先下載 JDK 19（build 24 或更高版本）。

項(xiàng)目概述

巴拿馬項(xiàng)目旨在為 JVM 和用其他語言（如 C/C++）編寫的本機(jī)代碼之間搭建橋梁。包含以下 3 個(gè)部分：

外部函數(shù)和內(nèi)存 API：JEP 424

Jextract 工具

Vector API：JEP 338

外部函數(shù)和內(nèi)存 API 提供一些重要的抽象：

內(nèi)存段及其地址：一組 API 類，用于處理本機(jī)內(nèi)存和指向它的指針；

內(nèi)存布局和描述符：用于模擬外部類型（結(jié)構(gòu)、原語）和函數(shù)描述符的 API；

內(nèi)存會(huì)話：管理一個(gè)或多個(gè)內(nèi)存資源生命周期的抽象；

鏈接器和符號查找：一組用于執(zhí)行向下和向上調(diào)用的 API 類；

段分配器：一種用于在內(nèi)存會(huì)話中分配內(nèi)存段的 API。

Hello World 程序

對巴拿馬了解得越深，就越會(huì)發(fā)現(xiàn)擁有一個(gè)好的介紹是至關(guān)重要的，這樣就不會(huì)錯(cuò)過重要的概念、技術(shù)和方法。

本文將介紹鏈接器（Linker），并簡要介紹 SymbolLookup 方法和本機(jī)內(nèi)存管理 ( MemorySession )。上面描述的這三個(gè)主要組件是構(gòu)建塊，用于更深入地開發(fā)由 Java 和本機(jī)代碼組成的程序。

鏈接器

從技術(shù)角度來看，鏈接器是兩個(gè)二進(jìn)制接口之間的橋梁：JVM 和 C/C++ 本機(jī)代碼，也稱為 C ABI。

JDK 19 為所有流行的平臺(tái)提供了一組 C ABI 實(shí)現(xiàn)：

publicstaticLinkergetSystemLinker(){
returnswitch(CABI.current()){
caseWin64->Windowsx64Linker.getInstance();
caseSysV->SysVx64Linker.getInstance();
caseLinuxAArch64->LinuxAArch64Linker.getInstance();
caseMacOsAArch64->MacOsAArch64Linker.getInstance();
};
}

在 JDK 術(shù)語中，鏈接器是特定于平臺(tái)的 C ABI 實(shí)現(xiàn)的一個(gè)實(shí)例。鏈接器提供一組方法來執(zhí)行向下調(diào)用和向上調(diào)用，其中：

downcall 是從高級子系統(tǒng)發(fā)起的事件。在我們的例子中是 JVM 到較低級別的子系統(tǒng)，如操作系統(tǒng)內(nèi)核或者一些 Java 代碼調(diào)用一些本機(jī)代碼。稍后將通過外部函數(shù)和內(nèi)存 API 說明這一點(diǎn)。

upcall 例如一些本機(jī)代碼調(diào)用一些 Java 代碼。

雖然鏈接器就像電話一樣，想打電話給誰，只需撥入正確的電話號碼即可。符號查找方法就像通訊錄，只需提供要打電話的人正確的信息即可。

要執(zhí)行向下調(diào)用，需要提供調(diào)用的（本機(jī)）函數(shù)的描述符、通過符號查找分配的本機(jī)地址，以及用于創(chuàng)建調(diào)用本機(jī)函數(shù)的方法句柄對應(yīng)的鏈接器。

從 Java 實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的 C 風(fēng)格的 Hello World：

intprintf(constchar*__restrict,...)

Java 中的 C 語言風(fēng)格的“Hello World”

要編寫使用本機(jī) printf 函數(shù)的基于 Java 的“Hello World”應(yīng)用程序，我們需要：

1. 找到 native 函數(shù)的地址

首先，我們需要搜索 printf 函數(shù)的本機(jī)內(nèi)存地址：

Linkerlinker=Linker.nativeLinker();
SymbolLookuplinkerLookup=linker.defaultLookup();
SymbolLookupsystemLookup=SymbolLookup.loaderLookup();

SymbolLookupsymbolLookup=name->
systemLookup.lookup(name).or(()->linkerLookup.lookup(name));

OptionalprintfMemorySegment=symbolLookup.lookup("printf");

從技術(shù)上講，查找可能會(huì)失敗，因此需要提供適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤處理。

2. 構(gòu)建正在調(diào)用的函數(shù)的描述符

一旦知道了 C printf 所在的位置，就需要定義由結(jié)果類型和接受的參數(shù)組成的 printf 描述符。值得一提的是，像 printf 這樣的本機(jī)函數(shù)稱為可變參數(shù)函數(shù)。在 Java 中，接受可變參數(shù)集的方法稱為具有可變參數(shù)的方法。

為了簡化，我們可以為 printf 定義 FunctionDescriptor 的簡化版本：

FunctionDescriptorprintfDescriptor=FunctionDescriptor.of(JAVA_INT,ADDRESS);

注意 ：從 Java 運(yùn)行時(shí)的角度來看，C 指針背后的值類型無關(guān)緊要，因?yàn)?C 指針的內(nèi)存布局不保存類型，而是平臺(tái)固定的 32/64 位值。

一個(gè)描述符定義了一個(gè)返回值類型為 int 的函數(shù)，它的參數(shù)是一個(gè)指針。假設(shè)一個(gè)描述符幾乎對應(yīng)于它在 stdio.h 中的 C 定義，因?yàn)樗x了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，而 printf 是一個(gè)可變參數(shù)函數(shù)。

通過值布局（Value Layout）在 Java 中對 C 類型建模

在 Java 中，值布局用于對與基本數(shù)據(jù)類型的值關(guān)聯(lián)的內(nèi)存布局建模，例如整數(shù)類型（有符號或無符號）和浮點(diǎn)類型。JAVA_INT 和 ADDRESS 都是對應(yīng)的 C 類型的值布局。

JAVA_INT :

//ValueLayout.OfInt.class
OfIntJAVA_INT=newOfInt(ByteOrder.nativeOrder()).withBitAlignment(32);

這是值布局的一個(gè)實(shí)例，它的載體是 int.class。通過這種布局，鏈接器被指示在 C int32和具有運(yùn)營商類 int.class 的相應(yīng) Java int 類型之間創(chuàng)建橋梁。

ADDRESS:

//ValueLayout.OfAddress.class
OfAddressADDRESS=newOfAddress(ByteOrder.nativeOrder())
.withBitAlignment(ValueLayout.ADDRESS_SIZE_BITS);

ADDRESS 是一個(gè)值布局，其中對應(yīng)的 C 類型是一個(gè)指向變量的指針，載體是MemoryAddress.class。

3. 從函數(shù)的本機(jī)內(nèi)存地址構(gòu)建方法句柄

使用 C printf 本機(jī)地址及其函數(shù)描述符，我們現(xiàn)在可以為 C printf 創(chuàng)建一個(gè)方法句柄：

MethodHandleprintfMethodHandle=symbolLookup.lookup("printf").map(
addr->linker.downcallHandle(addr,printfDescriptor)
).orElse(null);

上面的代碼創(chuàng)建了 C print 的可執(zhí)行引用，簡而言之：一個(gè)方法句柄，來自 printf 的本機(jī)內(nèi)存地址及其函數(shù)描述符。

注意 ：方法句柄是對底層方法、構(gòu)造函數(shù)、字段或類似低級操作的類型化、可執(zhí)行引用，具有參數(shù)或返回值的可選轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)在已經(jīng)解釋了必要的概念，我們可以擴(kuò)展 downcalls 和 upcalls 的定義：

downcall 是通過由本機(jī)函數(shù)地址及其 Java 版本的函數(shù)描述符形成的 MethodHandle調(diào)用本機(jī)函數(shù)。

upcall 是通過 MethodHandle 調(diào)用一些用 Java 編寫的代碼，該 MethodHandle 轉(zhuǎn)換為本機(jī)內(nèi)存段，然后可以將其作為函數(shù)指針傳遞給本機(jī)函數(shù)。

4. 分配本機(jī)內(nèi)存

我們需要以某種方式將 Java 對象綁定到本機(jī)內(nèi)存段，以確保 C printf 可以訪問它們。

C 中的內(nèi)存分配和釋放內(nèi)存都很痛苦，因?yàn)殚_發(fā)人員可能會(huì)忘記分配或釋放內(nèi)存，這會(huì)導(dǎo)致程序泄漏或因分段錯(cuò)誤而崩潰。

另一方面，Java 依靠垃圾收集器來分配和釋放內(nèi)存。但是巴拿馬的外部函數(shù)和內(nèi)存 API 是在堆外分配內(nèi)存，有助于分配堆外內(nèi)存，這是任何本機(jī)互操作的關(guān)鍵部分！

外部函數(shù)和內(nèi)存 API 允許開發(fā)人員分配和訪問內(nèi)存段、它們的地址以及位于堆上或堆外的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域的形狀。所有分配的內(nèi)存段都綁定到特定的內(nèi)存會(huì)話 ( MemorySession )。內(nèi)存會(huì)話的實(shí)例提供一組 API 來分配本機(jī)內(nèi)存段?？紤]一個(gè)內(nèi)存會(huì)話，就像一個(gè)統(tǒng)一的內(nèi)存分配工具，比如 C malloc。MemorySession 實(shí)現(xiàn)了 AutoClosable 接口，它使用 try-with-resources 結(jié)構(gòu)極大地簡化了取消分配。

外部函數(shù)和內(nèi)存 API 提供了不止一種分配內(nèi)存段的正確方法。一種可能的本機(jī)內(nèi)存分配方法是 SegmentAllocator，它類似于 MemorySession：

try(varmemorySession=MemorySession.openConfined()){
SegmentAllocatorallocator=SegmentAllocator.newNativeArena(memorySession);
varcStringFromAllocator=allocator.allocateUtf8String("HelloWorld"+"
");
varcStringFromSession=memorySession.allocateUtf8String("HelloWorld"+"
");
}

簡單起見，這個(gè)“Hello World”應(yīng)用程序?qū)⑹褂?MemorySession 作為內(nèi)存段分配工具。

最后，要調(diào)用 C printf，我們需要使用 MemorySession 在內(nèi)存會(huì)話中分配 const char * 內(nèi)存段，并將其傳遞給 C printf 函數(shù)：

MemorySegmentcString=memorySession.allocateUtf8String(str+"
");

使用分配的內(nèi)存段，我們可以調(diào)用函數(shù)：

privatestaticintprintf(Stringstr,MemorySessionmemorySession)throwsThrowable{
Objects.requireNonNull(printfMethodHandle);
varcString=memorySession.allocateUtf8String(str+"
");
return(int)printfMethodHandle.invoke(cString);
}

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsThrowable{
varstr="HelloWorld";
try(varmemorySession=MemorySession.openConfined()){
System.out.println(printf(str,memorySession));
}
}

5. 小結(jié)

到目前為止，我們了解到內(nèi)存會(huì)話 ( MemorySession ) 或段分配器 ( SegmentAllocator ) 是執(zhí)行內(nèi)存分配的關(guān)鍵 API。應(yīng)使用 try-with-resources 聲明內(nèi)存會(huì)話以實(shí)現(xiàn)隱式內(nèi)存釋放。分配內(nèi)存段有多種選擇——通過段分配器或直接通過內(nèi)存會(huì)話。鏈接器、符號查找對象、值和內(nèi)存布局以及方法句柄都是靜態(tài)對象。

總結(jié)

本文概述了外部函數(shù)和內(nèi)存 API，并研究了如何從 Java 調(diào)用簡單的 C 函數(shù)。

好消息是開發(fā)人員可以依靠 jextract 工具來處理大部分外部函數(shù)和內(nèi)存機(jī)制。

使用外部函數(shù)和內(nèi)存 API 從 Java 調(diào)用本機(jī)代碼時(shí)需要解決幾個(gè)問題：

獲取本機(jī)庫及其對應(yīng)的頭文件。

在 Java 中構(gòu)建函數(shù)描述符 ( FunctionDescriptor )。

查找函數(shù)符號的本機(jī)內(nèi)存地址，并為其創(chuàng)建方法句柄。

創(chuàng)建一個(gè)相關(guān)的方法句柄并確認(rèn)它已經(jīng)正確創(chuàng)建（例如，如果本機(jī)庫不在系統(tǒng)路徑中，查找將失敗并且返回一個(gè)方法句柄將為空）。

決定應(yīng)用程序?qū)⑷绾畏峙鋬?nèi)存段：通過段分配器或內(nèi)存會(huì)話。確保內(nèi)存分配技術(shù)在應(yīng)用程序的整個(gè)代碼庫中保持一致。

代碼清單

packagecom.java_devrel.samples.panama.part_1;
importjava.lang.foreign.*;
importjava.lang.invoke.MethodHandle;
importjava.util.Objects;
importstaticjava.lang.foreign.ValueLayout.ADDRESS;
importstaticjava.lang.foreign.ValueLayout.JAVA_INT;
publicclassPrintfSimplified{
privatestaticfinalLinkerlinker=Linker.nativeLinker();
privatestaticfinalSymbolLookuplinkerLookup=linker.defaultLookup();
privatestaticfinalSymbolLookupsystemLookup=SymbolLookup.loaderLookup();
privatestaticfinalSymbolLookupsymbolLookup=name->systemLookup.lookup(name).or(()->linkerLookup.lookup(name));
privatestaticfinalFunctionDescriptorprintfDescriptor=FunctionDescriptor.of(JAVA_INT.withBitAlignment(32),ADDRESS.withBitAlignment(64));
privatestaticfinalMethodHandleprintfMethodHandle=symbolLookup.lookup("printf").map(addr->linker.downcallHandle(addr,printfDescriptor)).orElse(null);
privatestaticintprintf(Stringstr,MemorySessionmemorySession)throwsThrowable{
Objects.requireNonNull(printfMethodHandle);
varcString=memorySession.allocateUtf8String(str+"
");
return(int)printfMethodHandle.invoke(cString);
}
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsThrowable{
varstr="helloworld";
try(varmemorySession=MemorySession.openConfined()){
System.out.println(printf(str,memorySession));
}
}
}

審核編輯：劉清