一文解秘Rust如何与Java互操作

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利用场景

JAVA 与 Rust 互操作让 Rust 可以背靠 Java 大生态来做更多事情，而 Java 也可以享受 Rust 语言特性的内存安全，所有权机制，无畏并发。
互操作的典型场景包括：

• 性能优化：利用 Rust 处置惩罚盘算密集型任务，提高 Java 应用的团体性能。
  
• 体系级编程：结合 Rust 的底层控制能力与 Java 的高级抽象，实现更高效的体系交互。
  
• 跨平台开辟：利用 Rust 编写核心逻辑，通过 JNI 在差异平台上与 Java 交互，实现高效跨平台开辟。
  
• 安全关键应用：在金融、医疗等领域，利用 Rust 处置惩罚敏感数据和核心功能，保证高度安全性。
  
• 实时体系：在游戏引擎、音频处置惩罚等延迟敏感的应用中，利用 Rust 处置惩罚时间关键部分。
  

背景知识

JNI

• 全称 Java Native Interface，它答应 Java 代码与其他语言（如 C 或 C++）编写的应用程序进行互操作。
  
• JNI Specification：这是 JNI 的官方规范，详细形貌了 JNI 的利用方法、接口和功能。
  

Java 虚拟机（JVM）

JNI 是 Java 虚拟机的一部分，JVM 在启动时为每个线程创建一个 JNI 环境。JNI 环境包括指向 JVM 内部数据布局的指针，这些数据布局用于存储 Java 对象、方法和字段的信息。
JNIEnv (JNI 环境)

• JNIEnv是一个指向布局体的指针，代表当火线程的 JNI 环境。它包罗所有 JNI 相干函数的指针，让你能在当地代码中利用这些函数。每个线程都有自己独立的JNIEnv，所以不能在差异线程间转达这个指针。
  
• 可以将JNIEnv视为一个"翻译器"。当 Rust 代码需要与 Java 交互时，它通过这个"翻译器"发送哀求，当调用 Java 方法或获取 Java 对象的属性。每个线程都拥有自己独立的"翻译器"，这确保了各线程与 Java 交互时的独立性。
  

另外

• 当 Java 代码调用当地方法时，JVM 会加载相应的当地库并创建一个JNIEnv指针。
  
• 当地代码可以利用这个指针访问 JNI 提供的函数，进行 Java 对象的操作。
  
• 每个线程有独立JNIEnv，保证线程安全。新线程需调用AttachCurrentThread获取对应JNIEnv。
  
• JNI 提供了数据类型转换机制，实现 Java 与 C/C++之间的数据转达。
  

在 Rust 生态中利用 jni 0.21.1 库可以实现与 Java 代码的交互。
JNI 0.21.1 简介

该项目为 Rust 提供了完备的 JNI 绑定，答应：

• 利用 Rust 代码与 Java 库进行交互，调用 Java 方法和访问 Java 对象。
  
• 从 Rust 代码中利用 Java 类和接口。
  
• 实现跨语言的高效数据互换。
  
• 利用 Rust 的性能上风和 Java 的成熟生态体系
  

跨平台 UI 框架 Flutter 源码中的 MethodChannel 实现了 Dart 与 Android 层的通信，其底层 C++也是通过 JNI 调用插件中的 onMethodCall 来实现的。这与上述 jni 0.21.1 采用了相同的思绪，但存在以下差异点：

• 语言特性和类型安全：
  Rust 的jni库提供了一种更安全的方式来处置惩罚 Java 对象和方法调用。它利用 Rust 的所有权体系来镌汰潜在的内存错误，使得在 Rust 中利用 JNI 时更易于管理资源和避免常见错误。
  
• 多平台支持：jni 0.21.1 提供了更广泛的跨平台支持。
  

如何运行示例

示例源码请阅读原文，见原文底部源码获取

在 Windows 11 环境下运行示例时，笔者遇到了两个题目：

• Windows 自带的 PowerShell 无法直接实行 Makefile
  
• 由于 Rust 配置了特定目标平台，出现了不明缘故原由的编译错误
  

以下是解决这些题目的方法：
在 MinGW-w64 中实行 Makefile

• 确保已在 MinGW-w64 环境中安装 mingw32-make 工具（通常随 MinGW-w64 一起安装）
  
• 打开 MinGW-w64 命令行
  
• 导航至 Makefile 所在目录
  
• 实行以下命令
  

1. //当前示例中是makefile，直接执行mingw32-make -f makefile即可
2. mingw32-make -f YourMakefileName

复制代码

确认当前 Rust 环境

举例来说，笔者在 C:\Users\xxx.cargo 目录下配置了 config.toml 文件：

1. [build]
2. target = "aarch64-linux-android"

复制代码

这导致在 Windows 上利用 mingw32-make 来编译针对 Android 平台的 Rust .so 文件，造成了混乱并引发了莫名其妙的编译错误。解决方法是删除不须要的 config.toml 文件，确保当前运行环境与目标平台（如 Windows）一致。。
输出结果：

1. Hello, josh!
2. [B@2f92e0f4
3. factCallback: res = 720
4. counterCallback: count = 1
5. counterCallback: count = 2
6. counterCallback: count = 3
7. counterCallback: count = 4
8. counterCallback: count = 5
9. Invoking asyncComputation (thread id = 1)
10. asyncCallback: thread id = 23, progress = 0%
11. asyncCallback: thread id = 23, progress = 10%
12. asyncCallback: thread id = 23, progress = 20%
13. asyncCallback: thread id = 23, progress = 30%
14. asyncCallback: thread id = 23, progress = 40%
15. asyncCallback: thread id = 23, progress = 50%
16. asyncCallback: thread id = 23, progress = 60%
17. asyncCallback: thread id = 23, progress = 70%
18. asyncCallback: thread id = 23, progress = 80%
19. asyncCallback: thread id = 23, progress = 90%
20. asyncCallback: thread id = 23, progress = 100%

复制代码

示例简析

让我们深入分析示例中 asyncComputation 的流程。其核心目的是在 Rust 端实行一个异步盘算，同时 Rust 端会调用 Java 端来报告盘算进度。

团体流程图说明：

• Java 的 main()方法调用 asyncComputation()。
  
• asyncComputation()通过 JNI 调用 Rust 的 Java_HelloWorld_asyncComputation()函数。
  
• Rust 函数创建一个新线程来实行异步盘算。
  
• 在新线程中，Rust 实行盘算并周期性地调用 Java 的 asyncCallback()方法报告进度。
  
• 当 Rust 完成盘算后，控制权返回到 Java 的主线程。
  

这个过程展示了 Java 调用 Rust（步骤 1）和 Rust 回调 Java（步骤 4）的双向交互。
源码如下

1 将一个 HelloWorld 类实例转达给 Rust 端，这对应下方 Rust 侧实现中 #3 处的 callback 对象

Rust 实现说明

• JNIEnv 参数：详见上述相干概念中的解释。
  
• JClass：代表调用此当地方法的 Java 类引用，主要用于访问类级别的静态方法和字段。
  
• callback：Java 中新创建的 HelloWorld 对象实例。
  
• 获取 JVM 对象：因为 env 对象不支持线程间转达和共享（仅实现了 Send），而 JVM 支持。通过 JVM 对象可在线程间转达，并终极得到 env。
  
• 创建全局引用：获取 HelloWorld() 实例对象的全局引用，防止被垃圾回收。
  
• 线程安全：每个线程都有自己的 JNIEnv，确保线程安全。在新线程中需调用 AttachCurrentThread 获取对应的 JNIEnv。
  
• 反向调用 Java：通过 env 反向调用 Java 代码。调用对象是新创建的 HelloWorld 实例，回调方法是其中的 asyncCallback。在 JNI 中，"(I)V" 是方法签名，形貌了 Java 方法的参数和返回类型。"(I)V" 表现接受一个整数参数并返回 void 的方法。在这里，asyncCallback 方法接收一个整数（progress）作为参数，无返回值。
  

总结

• Java 与 Rust 互操作让两种语言上风互补，提高性能和安全性，适用于多种场景如性能优化、体系级编程和跨平台开辟。
  
• JNI（Java Native Interface）是实现 Java 与 Rust 互操作的关键技能，答应 Java 代码与其他语言编写的应用程序进行交互。
  
• 通过示例分析，我们了解了 Java 调用 Rust 函数和 Rust 回调 Java 方法的双向交互过程，展示了两种语言之间的无缝协作。
  

参考链接

https://github.com/jni-rs/jni-rs
JNI APIs and Developer Guides
Leveraging Rust in our high-performance Java database

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