Java中的native是如何實現的（JNI）

什麼是JNI

JNI是Java Native Interface的縮寫，Java本地接口(JNI)提供了將Java與C/C++、彙編等本地代碼集成的方案，該規範使得在 Java 虛擬機內運行的 Java 代碼可以與其它編程語言互相操做，包括建立本地方法、更新 Java 對象、調用 Java 方法，引用 Java 類，捕捉和拋出異常等，也容許 Java 代碼調用 C/C++ 或彙編語言編寫的程序和庫。使用java與本地已編譯的代碼交互，一般會喪失平臺可移植性。可是，有些狀況下這樣作是能夠接受的，甚至是必須的。例如，使用一些舊的庫，與硬件、操做系統進行交互，或者爲了提升程序的性能。JNI標準至少要保證本地代碼能工做在任何Java 虛擬機環境。

JNI的編程步驟

1. 編寫帶有native聲明的方法的java類
2. 使用javac命令編譯所編寫的java類
3. 而後使用javah + java類名生成擴展名爲h的頭文件
4. 使用C/C++實現本地方法
5. 將C/C++編寫的文件生成動態鏈接庫

利用JNI簡單實現本身的Thread

Java 中的線程

在Java裏建立並啓動一個線程的代碼：

public static void main(String[] args) {
    Thread thread = new Thread(){
        @Override
        public void run() {
            // do something
        }
    }; 
    thread.start();
}

經過查看 Thread 類的源碼，能夠發現 start() 方法中最核心的就是調用了 start0() 方法，而 start0() 方法又是一個native方法：

public synchronized void start() {
  
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    group.add(this);

    boolean started = false;
    try {
        start0(); // 調用本地方法啓動線程
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
              it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

// native 本地方法
private native void start0();

這裏就是經過 Java 代碼來調用 JVM 本地的 C 代碼，C 中調用系統函數建立線程，而且會反過來調用 Thread 中的 run() 方法，這也是爲何調用了 start() 方法後會自動執行 run() 方法中的邏輯。

操做系統的線程

瞭解一下 Linux 操做系統中是如何建立一個線程的，建立線程函數：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
                          void *(*start_routine) (void *), void *arg);

使用 man 命令能夠查看 pthread_create，這個函數是linux系統的函數，能夠用C或者C++直接調用，函數有四個參數：

• pthread_t *thread：傳出參數，調用以後會傳出被建立線程的id
• const pthread_attr_t *attr：線程屬性，傳NULL便可，保持默認屬性
• void (start_routine) (void *)： 線程的啓動後的主體函數 至關於java當中的run
• void *arg：主體函數的參數，若是沒有能夠傳NULL

在 Linux 上啓動一個線程的代碼：

#include <pthread.h> //頭文件
#include <stdio.h>
pthread_t pid; //定義一個變量，接受建立線程後的線程id
//定義線程的主體函數
void* thread_entity(void* arg)
{   
    printf("new Thread!");
}

int main()
{
    // 調用操做系統的函數建立線程，注意四個參數
    pthread_create(&pid, NULL, thread_entity, NULL);
    usleep(100);
    printf("main\n");
}

Java定義本地方法

下面咱們就經過 JNI 技術簡單實現一個 Thread 類來模擬線程建立和執行過程。

package com.fantasy;

public class Sample {

    static {
        // 裝載庫，保證JVM在啓動的時候就會裝載，這裏的庫指的是C程序生成的動態連接庫
        // Linux下是.so文件，Windows下是.dll文件
        System.loadLibrary( "ThreadNative" );
    }

    public static void main(String[] args) {
        new MyThread(() -> System.out.println("Java run method...")).start();
    }
}

class MyThread implements Runnable {
    private Runnable target;

    public MyThread(Runnable target) {
        this.target = target;
    }

    @Override
    public void run() {
        if (target != null) {
            target.run();
        }
    }

    public synchronized void start() {
        start0();
    }

    private native void start0();
}

編譯成class文件：

[root@sdb1 fantasy]# pwd
/root/com/fantasy
[root@sdb1 fantasy]# javac Sample.java
[root@sdb1 fantasy]# ll
total 12
-rw-r--r--. 1 root root  501 Jun  1 22:10 MyThread.class
-rw-r--r--. 1 root root 1176 Jun  1 22:10 Sample.class
-rw-r--r--. 1 root root  692 Jun  1 22:09 Sample.java

生成.h頭文件：

[root@sdb1 ~]# pwd
/root
[root@sdb1 ~]# javah com.fantasy.MyThread
[root@sdb1 ~]# ll
total 4
drwxr-xr-x. 3 root root  21 Jun  1 22:07 com
-rw-r--r--. 1 root root 429 Jun  1 22:12 com_fantasy_MyThread.h

注意：native 方法在哪一個類中就使用javah命令生成對應的頭文件，運行 javah 命令須要在包路徑外面，javah packageName.className。

下面是 com_fantasy_MyThread.h 頭文件的內容：

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_fantasy_MyThread */

#ifndef _Included_com_fantasy_MyThread
#define _Included_com_fantasy_MyThread
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_fantasy_MyThread
 * Method:    start0
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_fantasy_MyThread_start0
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

其中 Java_com_fantasy_MyThread_start0 方法就是須要在C程序中定義的方法。
在註釋中咱們能夠看到有一個 Signature，這個是方法的簽名，表示方法的參數類型和返回值類型，簡單瞭解一下：

Java類型	Signature	說明
boolean	Z
byte	B
char	C
short	S
int	I
long	L
float	F
double	D
void	V
Object	L+/分隔的完整類名	例如：Ljava/lang/String表示String類型
Array	[簽名	例如: [I表示int類型的數組, [Ljava/lang/String表示String類型的數組
Method	(參數簽名)返回類型簽名	例如: ([I)I表示參數類型爲int數組，返回值int類型的方法

C/C++實現本地方法

上一步已經生成了.h頭文件，如今咱們來實現裏面定義的方法。建立 thread.c 文件，並編寫以下代碼：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include "com_fantasy_MyThread.h" // 導入剛剛編譯的那個.h文件

pthread_t pid;
void* thread_entity(void* arg)
{
    printf("new Thread!\n");
}

// 這個方法定義要參考.h文件中的方法
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_fantasy_MyThread_start0
(JNIEnv *env, jobject obj){
    pthread_create(&pid, NULL, thread_entity, NULL);
    sleep(1);
    printf("main thread %lu, create thread %lu\n", pthread_self(), pid);
    
    //經過反射調用java中的方法
    //找class，使用 FindClass 方法，參數就是要調用的函數的類的徹底限定名，可是須要把點換成/
    jclass cls = (*env)->FindClass(env, "com/fantasy/MyThread");
    //獲取 run 方法
    jmethodID mid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "run", "()V");
    // 調用方法
    (*env)->CallVoidMethod(env, obj, mid);
    printf("success to call run() method!\n");

}

將這個 thread.c 文件編譯爲一個動態連接庫，命名規則爲 libxxx.so，xxx要跟Java中 System.loadLibrary( "ThreadNative") 指定的字符串保持一致，也就是 ThreadNative，編譯命令以下：

gcc -fPIC -I /opt/jdk1.8.0_161/include/ -I /opt/jdk1.8.0_161/include/linux -shared -o libThreadNative.so thread.c

至此，Java代碼與C代碼編寫與編譯完成。

運行Java代碼

運行前，還須要將 .so 文件所在路徑加入到path中，這樣Java才能找到這個庫文件，.so 文件的路徑爲"/root/libThreadNative.so"，因此配置以下：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/root/

讓咱們來運行Java主類來看一下結果吧！

[root@sdb1 ~]# pwd
/root
[root@sdb1 ~]# ll
total 20
drwxr-xr-x. 3 root root   21 Jun  1 22:07 com
-rw-r--r--. 1 root root  429 Jun  1 22:12 com_fantasy_MyThread.h
-rwxr-xr-x. 1 root root 8336 Jun  1 23:32 libThreadNative.so
-rw-r--r--. 1 root root  666 Jun  1 23:32 thread.c
[root@sdb1 ~]# java com.fantasy.Sample
new Thread!
main thread 139986752292608, create thread 139986681366272
Java run method...
success to call run() method!

能夠看到輸出結果符合咱們的預期。經過模擬Thread，也能夠得出如下結論：

• Thread 類調用 start() 方法會經過jvm調用系統底層函數建立線程，而且回調 run() 方法
• java 級別的線程其實就是操做系統級別的線程