《JVM第6课》当地方法栈

1 什么是当地方法

起首要知道什么是当地方法，当地方法并不是 JVM 自己的方法，也不是 jre 内里的方法，而是指那些操作体系自己的方法（如C/C++方法），它们在操作体系目录里。可以这么理解，当地方法就是计算机操作体系对外提供的方法，JVM 通过调用这些方法可以实现 Java 程序和计算机的交互。
1.1 当地方法的利益

• 访问操作体系资源：直接调用操作体系的API，例如文件体系、网络接口、图形用户界面等。
  
• 性能优化：对于某些计算密集型任务，利用C或C++等语言实现可以显著提高性能。
  
• 利用现有库：利用已经存在的C/C++库，避免重复开发和维护。
  
• 硬件访问：直接访问硬件设备，例如摄像头、传感器等。
  

所以如果我们想优化计算密集型任务的性能，或是调用 Java 中没有实现的计算机功能，我们可以自己实现一个当地方法。
1.2 声明当地方法

在Java中，当地方法通过native关键字声明。例如：

1. public class MyClass {
2.     // 声明本地方法
3.     public native void nativeMethod();
5.     // 静态块中加载本地库
6.     static {
7.         System.loadLibrary("mylib"); // 加载名为mylib的本地库
8.     }
10.     public static void main(String[] args) {
11.         new MyClass().nativeMethod(); // 调用本地方法
12.     }
13. }

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1.3 实现当地方法

当地方法的实现通常利用JNI（Java Native Interface）或JNA（Java Native Access）来完成。以下是利用JNI实现当地方法的步骤：
1. 生成头文件

利用javah工具生成包罗当地方法署名的C头文件。假设上面的Java类保存为MyClass.java，编译后生成MyClass.class，然后运行：

1. javah -jni MyClass

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这将生成一个名为MyClass.h的头文件，内容如下：

1. /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
2. #include <jni.h>
3. /* Header for class MyClass */
5. #ifndef _Included_MyClass
6. #define _Included_MyClass
7. #ifdef __cplusplus
8. extern "C" {
9. #endif
10. /*
11. * Class:     MyClass
12. * Method:    nativeMethod
13. * Signature: ()V
14. */
15. JNIEXPORT void JNICALL Java_MyClass_nativeMethod
16.   (JNIEnv *, jobject);
18. #ifdef __cplusplus
19. }
20. #endif
21. #endif

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2. 编写C语言实现

根据生成的头文件，编写C语言实现。例如：

1. #include <jni.h>
2. #include <stdio.h>
3. #include "MyClass.h"
5. // 实现本地方法
6. JNIEXPORT void JNICALL Java_MyClass_nativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj) {
7.     printf("Hello from native method!\n");
8. }

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3. 编译C代码

将C代码编译成动态链接库。假设C文件名为mylib.c，编译命令如下：
在Linux上：

1. gcc -shared -o libmylib.so -I/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/include -I/usr/lib/jvm/java-8-openjdk-amd64/include/linux mylib.c

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在Windows上：

1. cl -I"%JAVA_HOME%\include" -I"%JAVA_HOME%\include\win32" -LD mylib.c -Fe mylib.dll

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4. 运行Java程序

确保动态链接库在Java程序的库路径中，然后运行Java程序：

1. java -Djava.library.path=. MyClass

复制代码

1.4 利用JNA

JNA是一种更简单的方式来调用当地库，不需要编写C代码。以下是一个利用JNA的示例：

• 添加JNA依赖：在项目中添加JNA的依赖。如果你利用Maven，可以在pom.xml中添加：
  

1. <dependency>
2.     <groupId>net.java.dev.jna</groupId>
3.     <artifactId>jna</artifactId>
4.     <version>5.8.0</version>
5. </dependency>

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• 界说接口：界说一个接口来映射当地库中的函数。
  

1. import com.sun.jna.Library;
2. import com.sun.jna.Native;
4. public interface MyLib extends Library {
5.     MyLib INSTANCE = Native.load("mylib", MyLib.class);
7.     void nativeMethod();
8. }

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• 调用当地方法：
  

1. public class MyClass {
2.     public static void main(String[] args) {
3.         MyLib.INSTANCE.nativeMethod(); // 调用本地方法
4.     }
5. }

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1.5 总结

当地方法是Java程序中的一种特殊方法，其声明在Java代码中，但实现由非Java语言编写。通过当地方法，Java程序可以访问操作体系资源、优化性能、利用现有库和直接访问硬件设备。常见的实现方式包罗JNI和JNA。
2 当地方法栈

2.1 特点

• 线程私有：每个线程都有自己的当地方法栈，与Java虚拟机栈一样，当地方法栈也是线程私有的。
  
• 存储结构：当地方法栈中的每个栈帧（Frame）对应一次当地方法的调用。栈帧中包罗当地方法的参数、局部变量、操作数栈等信息。
  
• 调用机制：当Java代码调用一个当地方法时，JVM会创建一个新的栈帧并将其压入当地方法栈。当地方法实行完毕后，栈帧会被弹出并丢弃。
  

2.2 当地方法栈与Java虚拟机栈的区别

• 用途不同：Java虚拟机栈用于支持Java方法的实行，而当地方法栈用于支持当地方法的实行。
  
• 实现方式：Java虚拟机栈的实现由JVM规范规定，而当地方法栈的实现通常依赖于详细的JVM实现和操作体系的ABI（Application Binary Interface）。
  
• 数据类型：Java虚拟机栈重要处理Java类型的值，而当地方法栈可能涉及更广泛的C/C++类型或其他原生类型。
  

2.3 当地方法栈的工作流程

• 方法调用：当Java代码中调用一个声明为native的方法时，JVM会查找该方法的当地实现。
  
• 栈帧创建：JVM为当地方法创建一个新的栈帧，并将其压入当地方法栈。
  
• 参数传递：调用当地方法所需的参数会被从Java虚拟机栈复制到当地方法栈的栈帧中。
  
• 方法实行：当地方法在当地方法栈中实行，可以访问操作体系资源、硬件设备等。
  
• 结果返回：当地方法实行完毕后，结果会被从当地方法栈复制回Java虚拟机栈，然后继承实行Java代码。
  
• 栈帧弹出：当地方法栈中的栈帧被弹出并丢弃。
  

2.4 总结

当地方法栈是JVM中用于支持当地方法调用的重要数据结构。通过当地方法栈，Java程序可以调用用其他语言编写的代码，从而实现更广泛的功能和更高的性能。

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