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Programming JNI
 

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    Programming JNI Programming JNI Presentation Transcript

    • JNIプログラミング 餃子のまち 宇都宮 村沢 邦夫
    • JNIとは? • Java Native Interface • Javaからネイティブコードを、またはネイティブコード からJavaを利用するための仕組み (ネイティブコードは基本的に C/C++ を想定) • Javaコードとネイティブコードを分離 (Javaから直接ネイティブコードは呼ばない。呼び出し たい関数は、シェアードライブラリとしてラップする) • JNIプログラミングって、ほとんどCプログラミング(?)
    • JNIの歴史1 • JDK1.0 JNI以前 不統一時代 Sun - Native Method Interface JVMの実装に依存してしまう。 (互換性に問題) Netscape - Java Runtime Interface 移植性は考慮されていた が、JVMの実装についての考慮がたりない Microsoft - Raw Native Interface ガーベッジコレクタと相互的 に動作しなくてはいけない
    • JNIの歴史2 • JDK1.1 3社間で統一 JNI1.1が組み込まれる。すべてのJVM間でバイ ナリ互換 ただしMicrosoftはJNIをサポートせずSunに訴えられる。 • JDK1.2 JNI1.2 Javaプラットフォームに新機能の組み込みが可能、効 率的で安定したインタフェースを確立 • JDK1.4 JNI1.4 呼び出しインタフェースの新しいエントリポイント追 加、java.nioパッケージのサポート
    • なぜJNI? • 既存のライブラリを使いたい • パフォーマンスを向上させたい • ハードウェアにアクセスしたい
    • JNIで出来ること メソッドの呼び出し • • フィールドへのアクセス • オブジェクトの生成 例外の発生と捕捉 • • JVMのロード • スレッドの同期
    • JNIプログラミング ① Javaコード作成 ② javacでクラスファイル生成 ③ javahでインクルードファイル生成 ④ インクルードファイルを元にC/C++コード作成 ⑤ シェアードライブラリ生成
    • HelloWorld (Javaコード) $ vi HelloWorld.java public class HelloWorld { static { System.loadLibrary(quot;HelloWorldquot;); } //Hello World表示 public native void show(); } $ javac HelloWorld.java ※System.loadLibraryでネイティブライブラリをロード ※ネイティブメソッドにはnativeキーワードをつける
    • HelloWorld (ヘッダーファイル) $ javah HelloWorld $ cat HelloWorld.h /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */ #include <jni.h> /* Header for class HelloWorld */ #ifndef _Included_HelloWorld #define _Included_HelloWorld #ifdef __cplusplus extern quot;Cquot; { #endif /* * Class: HelloWorld * Method: show * Signature: ()V */ JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_show(JNIEnv *, jobject); #ifdef __cplusplus } #endif #endif
    • HelloWorld (Cコード) $ vi HelloWorld.c #include quot;HelloWorld.hquot; JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_show(JNIEnv *env, jobject obj) { printf(“Hello Worldn”); } $ gcc -fpic -shared -o libHelloWorld.so -I $JAVA_HOME/include –I $JAVA_HOME/include/linux HelloWorld.c ※シェアードライブラリにすること
    • HelloWorldのテスト $ vi test.java public class test { public static void main(String[] args) { HelloWorld hello = new HelloWorld(); hello.show(); } } $ javac test.java 実行 $ java test Hello World ※作ったシェアードライブラリはロード出来るようにしといてね (LD_LIBRARY_PATH)
    • nativeメソッドの引数 • Javaコード public native void show() • Cコード JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_show(JNIEnv *env, jobject obj) JNIEnv *env - JNIインターフェイスポインタ (privateなスレッドデータ、JNI関数へのポインタ) jobject obj - オブジェクトへの参照 (staticなメソッドの場合はクラスへの参照)
    • JNIインターフェイスポインタ • ネイティブコードはJNI関数を用いてJVMへアクセス する。 • JNI関数はJNIインターフェイスポインタを用いて使用 する。
    • HelloWorldのまとめ • Javaコ ード はイ ンタ ーフ ェ イ スの定義 • 処理の実装はCコ ード に • System.loadLibrary()でネイ ティ ブ ラ イ ブ ラ リ を ロ ード • ネイ ティ ブメ ソ ッ ド にはnativeキーワード • C から Java へのアク セスはJNI関数
    • フィールドアクセス $ vi Sample1.java public class Sample1 { private int data; static { System.loadLibrary(quot;Sample1quot;); } //フィールドに設定 public native void setData(int val); //フィールドから取得 public native int getData(); }
    • フィールドに設定 $ vi Sample1.c #include quot;Sample1.hquot; // フィールドに設定 JNIEXPORT void JNICALL Java_Sample1_setData(JNIEnv *env, jobject obj, jint val) { jclass clazz; jfieldID fid; clazz = (*env)->GetObjectClass(env, obj); fid = (*env)->GetFieldID(env, clazz, quot;dataquot;, quot;Iquot;); (*env)->SetIntField(env, obj, fid, val); }
    • フィールドから取得 // フィールドから取得 JNIEXPORT jint JNICALL Java_Sample1_getData(JNIEnv *env, jobject obj) { jclass clazz; jfieldID fid; jint data; clazz = (*env)->GetObjectClass(env, obj); fid = (*env)->GetFieldID(env, clazz, quot;dataquot;, quot;Iquot;); data = (*env)->GetIntField(env, obj, fid); return data; }
    • フィールドアクセスのテスト $ vi test1.java public class test1 { public static void main(String[] args) { Sample1 sample = new Sample1(); sample.setData(123); System.out.println(“data = quot; + sample.getData()); } } 実行 $ java test1 data = 123
    • フィールド関連のJNI関数 • jfieldID GetFieldID(JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *sig) フィールドID取得 • NativeType Get<type>Field(JNIEnv *env, jobject obj, jfieldID fieldID) フィールド値取得 ex) jint GetIntField() • void Set<type>Field(JNIEnv *env, jobject obj, jfieldID fieldID, NativeType value) フィールド値設定 ex) SetIntField() ※スタティックフィールド場合はGetStaticIntFieldIDのようにStatic が付く。 ※ネイティブコードからはJavaアクセス修飾子の制限を受けなくな る。
    • フィールドアクセスのまとめ ① クラスを取得 GetObjectClass() ② フィールドIDを取得 GetFieldID() ③ フィールドの値を設定・取得 Set<type>Field() / Get<type>Field() ※C から Java へのアクセスは JNI関数を使用する。
    • JNIのネイティブ型 Java JNI byte 8bit jbyte short 16bit jshort int 32bit jint long 64bit jlong float 32bit IEEE754 jfloat double 64bit IEEE754 jdouble char 16bit UNICODE jchar boolean 8bit jboolean void void Object jobject Class jclass String jstring jarray j<type>Array 配列 Throwable jthrowable jvalue jfiledID jmethodID
    • 型シグニチャ Java シグニチャ byte B short S int I long J float F double D char C boolean Z void V L<class>; <class>の完全修飾 [<type> <type>の配列 メ ソ ッ ド シグニチャ (引数)戻値 例えば、次のメソッドシグニチャは long hoge(int n, String s, int[] i) → (ILjava/lang/String;[I)J
    • メソッドコール・オブジェクト生成 $ vi Sample2.java public class Sample2 { static { System.loadLibrary(quot;Sample2quot;); } public Sample2() { } public Sample2(int n) { System.out.println(quot;create object successquot;); } public void show() { System.out.println(quot;method call successquot;); } //オブジェクトの生成 public native void createObject(); //メソッド呼び出し public native void callMethod(); }
    • オブジェクト生成 $ vi Sample2.c #include quot;Sample2.hquot; //オブジェクトの生成 JNIEXPORT void JNICALL Java_Sample2_createObject(JNIEnv *env, jobject obj) { jclass clazz; jmethodID mid; jobject newObj; clazz = (*env)->FindClass(env, quot;Sample2quot;); mid = (*env)->GetMethodID(env, clazz, quot;<init>quot;, quot;(I)Vquot;); newObj = (*env)->NewObject(env, clazz, mid, 0); }
    • メソッドコール //メソッド呼び出し JNIEXPORT void JNICALL Java_Sample2_callMethod(JNIEnv *env, jobject obj) { jclass clazz; jmethodID mid; clazz = (*env)->GetObjectClass(env, obj); mid = (*env)->GetMethodID(env, clazz, quot;showquot;, quot;()Vquot;); (*env)->CallVoidMethod(env, obj, mid); }
    • メソッドコール・オブジェクト生成の テスト $ vi test2.java public class test2 { public static void main(String[] args) { Sample2 sample = new Sample2(); sample.createObject(); sample.callMethod(); } } 実行 $ java test2 create object success method call success
    • クラス・オブジェクト関連のJNI関数 • jclass GetObjectClass(JNIEnv *env, jobject obj) オブジェクトのクラスを取得(判定) • jclass FindClass(JNIEnv *env, const char *name) クラスをロード • jobject NewObject(JNIEnv *env, jclass clazz, jmethodID methodID, ...) オブジェクトの生成
    • オブジェクト生成のまとめ ① クラスをロード FindClass() ② コンストラクタのIDを取得 GetMethodID() ③ オブジェクトを生成 NewObject()
    • メソッド関連のJNI関数 • jmethodID GetMethodID(JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name, const char *sig) メソッドID取得 • NativeType Call<type>Method(JNIEnv *env, jobject obj, jmethodID methodID, ...) メソッド呼び出し ex) CallVoidMethod() ※スタティックメソッドの場合はGetStaticIntMethodID()のようにStatic が付く。 ※ネイティブコードからはJavaアクセス修飾子の制限を受けなくなる。
    • メソッドコールのまとめ ① クラスを取得 GetObjectClass() ② メソッドIDを取得 GetMethodID() ③ メソッド呼び出し Call<type>Method()
    • 例外 $ vi Sample3.java public class Sample3 { static { System.loadLibrary(quot;Sample3quot;); } public static final int MAX = 10; private int[] datas = new int[MAX]; //例外を投げる public native void setData(int no, int data) throws ArrayIndexOutOfBoundsException; //例外を捕まえる public native void showData(int no); public int getData(int no) throws ArrayIndexOutOfBoundsException { try { return datas[no]; } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) { throw e; } } }
    • 例外を投げる $ vi Sample3.c #include quot;Sample3.hquot; JNIEXPORT void JNICALL Java_Sample3_setData(JNIEnv *env, jobject obj, jint no, jint data) { jclass clazz; jfieldID fid; jint *dataElems; jintArray datas; jboolean isCopy; clazz = (*env)->GetObjectClass(env, obj); fid = (*env)->GetFieldID(env, clazz, quot;datasquot;, quot;[Iquot;); datas = (*env)->GetObjectField(env, obj, fid); dataElems = (*env)->GetIntArrayElements(env, datas, &isCopy); if (no < 0 || no >= Sample3_MAX) { //例外投げる jclass clazz; jmethodID mid; jthrowable throwObj; clazz = (*env)->FindClass(env, quot;java/lang/ArrayIndexOutOfBoundsExceptionquot;); mid = (*env)->GetMethodID(env, clazz, quot;<init>quot;, quot;()Vquot;); throwObj = (*env)->NewObject(env, clazz, mid); (*env)->Throw(env, throwObj); return; } dataElems[no] = data; if (isCopy == JNI_TRUE) { (*env)->ReleaseIntArrayElements(env, datas, dataElems, 0); } }
    • 例外を捕まえる JNIEXPORT void JNICALL Java_Sample3_showData(JNIEnv *env, jobject obj, jint no) { jclass clazz; jmethodID mid; jint data; jthrowable throwObj; clazz = (*env)->GetObjectClass(env, obj); mid = (*env)->GetMethodID(env, clazz, quot;getDataquot;, quot;(I)Iquot;); data = (*env)->CallIntMethod(env, obj, mid, no); //例外を捕まえる throwObj = (*env)->ExceptionOccurred(env); if (throwObj != NULL) { (*env)->ExceptionDescribe(env); (*env)->ExceptionClear(env); return; } printf(quot;native data = %dnquot;, data); }
    • 例外のテスト(1) $ vi test3.java public class test3 { public static void main(String[] args) { Sample2 sample = new Sample2(); try { sample.setData(5, 123); System.out.println(quot;data = quot; + sample.getData(5)); sample.setData(10, 456); } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) { e.printStackTrace(); } sample.showData(5); sample.showData(10); } }
    • 例外のテスト(2) 実行 $ java test3 data = 123 java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException at Sample2.setData(Native Method) at test2.main(test2.java:7) native data = 123 Exception in thread quot;mainquot; java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException at Sample2.getData(Sample2.java:14) at Sample2.showData(Native Method) at test2.main(test2.java:12)
    • 例外関連のJNI関数 • jint Throw(JNIEnv *env, jthrowable obj) 例外を投げる • jthrowable ExceptionOccurred(JNIEnv *env) 例外が発生してるか調べる • void ExceptionDescribe(JNIEnv *env) 例外のスタックトレースをプリント • void ExceptionClear(JNIEnv *env) 例外のクリア ※Throw()しても実際に例外を投げるのはネイティブメソッドを抜 けた後
    • 例外のまとめ(投げる) ① クラスをロード FindClass() ② コンストラクタのIDを取得 GetMethodID() ③ オブジェクトを生成 NewObject() ④ 例外を投げる Throw()
    • 例外のまとめ(捕まえる) ① 例外が発生しているが調べる。 ExceptionOccurred() ② 例外処理 ③ 例外をクリア ExceptionClear()
    • CからJavaを呼ぶ $ vi Sample4.java public class Sample4 { public void show() { System.out.println(“JVM Worldquot;); } }
    • CからJavaを呼ぶ(Cコード)(1) $vi Sample4.c #include <jni.h> int main(int argc, char *argv[]) { JNIEnv *env; JavaVM *jvm; JavaVMInitArgs vm_args; jclass clazz; jobject obj; jmethodID mid; jint ret; vm_args.version = JNI_VERSION_1_2; JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(&vm_args); ret = JNI_CreateJavaVM(&jvm, (void **) &env, &vm_args); if (ret < 0) { fprintf(stderr, quot;Can't create JVM.quot;); return 1; }
    • CからJavaを呼ぶ(Cコード)(2) clazz = (*env)->FindClass(env, quot;Sample3quot;); mid = (*env)->GetMethodID(env, clazz, quot;<init>quot;, quot;()Vquot;); obj = (*env)->NewObject(env, clazz, mid); mid = (*env)->GetMethodID(env, clazz, quot;showquot;, quot;()Vquot;); (*env)->CallVoidMethod(env, obj, mid); (*jvm)->DestroyJavaVM(jvm); return 0; } 実行 $ ./Sample4 JVM World
    • JNIの起動(呼び出し)API • jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM **p_vm, JNIEnv **p_env, void *vm_args) JVMのロード、初期化 • jint DestroyJavaVM(JavaVM *vm) JVMのアンロード • jint JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs(void *vm_args) JVM初期化の為のデフォルト値取得
    • CからJavaを呼ぶのまとめ ① JVMの初期化データを設定 JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs() ② JVMのロード・初期化 JNI_CreateJavaVM() ③ JNI関数を用いて処理 ④ JVMのアンロード DestroyJavaVM()
    • 文字列 $ vi Sample5.java public class Sample5 { static { System.loadLibrary(quot;Sample5quot;); } //Javaからの文字列表示 public native void show(String str); //Cから文字列取得 public native String getMessage(); }
    • 文字列(Javaから) $ vi Sample5.c #include <iconv.h> #include quot;Sample5.hquot; // Javaからの文字列表示 JNIEXPORT void JNICALL Java_Sample5_show(JNIEnv *env, jobject obj, jstring str) { const char *msg; jboolean isCopy; msg = (*env)->GetStringUTFChars(env, str, &isCopy); if (isCopy == JNI_TRUE) { iconv_t cd; size_t isize, osize; char euc[25]; char *obuf = euc; isize = (*env)->GetStringUTFLength(env, str) * 2; osize = sizeof(euc); cd = iconv_open(quot;euc-jpquot;, quot;utf-8quot;); iconv(cd, &msg, &isize, &obuf, &osize); printf(quot;%snquot;, euc); (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, str, msg); iconv_close(cd); } }
    • 文字列(Cから) // Cから文字列取得 JNIEXPORT jstring JNICALL Java_Sample5_getMessage(JNIEnv *env, jobject obj) { const char *msg = quot;シー ワールドquot;; char utf[25]; char *obuf = utf; iconv_t cd; size_t isize, osize; isize = strlen(msg); osize = sizeof(utf); memset(utf, 0, osize); cd = iconv_open(quot;utf-8quot;, quot;euc-jpquot;); iconv(cd, &msg, &isize, &obuf, &osize); iconv_close(cd); return (*env)->NewStringUTF(env, utf); }
    • 文字列のテスト $ vi test5.java public class test5 { public static void main(String[] args) { Sample5 sample = new Sample5(); sample.show(quot;ジャバ ワールドquot;); System.out.println(sample.getMessage()); } } 実行 $ java test5 ジャバ ワールド シー ワールド
    • 文字列関連のJNI関数 • jstring NewStringUTF(JNIEnv *env, const char *bytes) UTF-8の文字列からStringオブジェクトを生成 • const char* GetStringUTFChars(JNIEnv *env, jstring string, jboolean *isCopy) StringオブジェクトからUTF-8文字列を取得 • void ReleaseStringUTFChars(JNIEnv *env, jstring string, const char *utf) GetStringUTFChars()で取得した文字列を開放 • jsize GetStringUTFLength(JNIEnv *env, jstring string) 文字列の長さを取得 ※C側で扱える文字コードに変換する必要あり (今回はiconvを使用した。)
    • 文字列のまとめ(Javaから) ① Stringオブジェクトから文字列を取得 GetStringUTFChars() ② Cでの文字コードへ変換 (今回はiconvを使った) ③ 文字列を開放 ReleaseStringUTFChars()
    • 文字列のまとめ(Cから) ① Javaの文字コードへ変換 (今回はiconvを使った) ② Stringオブジェクトを生成 NewStringUTF()
    • スレッドの同期方法 • nativeメソッドにsynchronizedキーワード • JNI関数 MonitorEnter/MonitorExit を使用 (Java synchronized文で囲むのと同等) • JNI関数 Call<type>Method を用いて wait/notify メソッドを呼び出す
    • 今日のまとめ 処理の実装はCコード側 • • C から Java へのアクセスはJNI関数 • やっぱりCプログラミングだった(?) JNIプログラミングは難しくない(?) • • でも面倒だ
    • 参考文献 • JNI : Java Native Interfaceプログラミング 著者 ロブ・ゴードン 出版社 ピアソン • JDKドキュメント http://java.sun.com/j2se/1.4/ja/docs/ja/guide/jni/index.html
    • おわり Ver.1.0 2002/08/22 Ver.1.1 2002/08/27