深入拆解 Java 虚拟机

我们经常会遇见Java语言较难表达，甚至是无法表达的应用场景。比如我们希望使用汇编语言（如X86_64的SIMD指令）来提升关键代码的性能；再比如，我们希望调用Java核心类库无法提供的，某个体系架构或者操作系统特有的功能。

在这种情况下，我们往往会牺牲可移植性，在Java代码中调用C/C++代码（下面简述为C代码），并在其中实现所需功能。这种跨语言的调用，便需要借助Java虚拟机的Java Native Interface（JNI）机制。

关于JNI的例子，你应该特别熟悉Java中标记为native的、没有方法体的方法（下面统称为native方法）。当在Java代码中调用这些native方法时，Java虚拟机将通过JNI，调用至对应的C函数（下面将native方法对应的C实现统称为C函数）中。

public class Object {
  public native int hashCode();
}

举个例子，Object.hashCode方法便是一个native方法。它对应的C函数将计算对象的哈希值，并缓存在对象头、栈上锁记录（轻型锁）或对象监视锁（重型锁所使用的monitor）中，以确保该值在对象的生命周期之内不会变更。

# native方法的链接

在调用native方法前，Java虚拟机需要将该native方法链接至对应的C函数上。

链接方式主要有两种。第一种是让Java虚拟机自动查找符合默认命名规范的C函数，并且链接起来。

事实上，我们并不需要记住所谓的命名规范，而是采用javac -h命令，便可以根据Java程序中的native方法声明，自动生成包含符合命名规范的C函数的头文件。

举个例子，在下面这段代码中，Foo类有三个native方法，分别为静态方法foo以及两个重载的实例方法bar。

package org.example;

public class Foo {
  public static native void foo();
  public native void bar(int i, long j);
  public native void bar(String s, Object o);
}

通过执行javac -h . org/example/Foo.java命令，我们将在当前文件夹（对应-h后面跟着的.）生成名为org_example_Foo.h的头文件。其内容如下所示：

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

#ifndef _Included_org_example_Foo
#define _Included_org_example_Foo
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     org_example_Foo
 * Method:    foo
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_foo
  (JNIEnv *, jclass);

/*
 * Class:     org_example_Foo
 * Method:    bar
 * Signature: (IJ)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__IJ
  (JNIEnv *, jobject, jint, jlong);

/*
 * Class:     org_example_Foo
 * Method:    bar
 * Signature: (Ljava/lang/String;Ljava/lang/Object;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
  (JNIEnv *, jobject, jstring, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

这里我简单讲解一下该命名规范。

首先，native方法对应的C函数都需要以Java_为前缀，之后跟着完整的包名和方法名。由于C函数名不支持/字符，因此我们需要将/转换为_，而原本方法名中的_符号，则需要转换为_1。

举个例子，org.example包下Foo类的foo方法，Java虚拟机会将其自动链接至名为Java_org_example_Foo_foo的C函数中。

当某个类出现重载的native方法时，Java虚拟机还会将参数类型纳入自动链接对象的考虑范围之中。具体的做法便是在前面C函数名的基础上，追加__以及方法描述符作为后缀。

方法描述符的特殊符号同样会被替换掉，如引用类型所使用的;会被替换为_2，数组类型所使用的[会被替换为_3。

基于此命名规范，你可以手动拼凑上述代码中，Foo类的两个bar方法所能自动链接的C函数名，并用javac -h命令所生成的结果来验证一下。

第二种链接方式则是在C代码中主动链接。

这种链接方式对C函数名没有要求。通常我们会使用一个名为registerNatives的native方法，并按照第一种链接方式定义所能自动链接的C函数。在该C函数中，我们将手动链接该类的其他native方法。

举个例子，Object类便拥有一个registerNatives方法，所对应的C代码如下所示：

// 注：Object类的registerNatives方法的实现位于java.base模块里的C代码中
static JNINativeMethod methods[] = {
    {"hashCode",    "()I",                    (void *)&JVM_IHashCode},
    {"wait",        "(J)V",                   (void *)&JVM_MonitorWait},
    {"notify",      "()V",                    (void *)&JVM_MonitorNotify},
    {"notifyAll",   "()V",                    (void *)&JVM_MonitorNotifyAll},
    {"clone",       "()Ljava/lang/Object;",   (void *)&JVM_Clone},
};

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_lang_Object_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls)
{
    (*env)->RegisterNatives(env, cls,
                            methods, sizeof(methods)/sizeof(methods[0]));
}

我们可以看到，上面这段代码中的C函数将调用RegisterNatives API，注册Object类中其他native方法所要链接的C函数。并且，这些C函数的名字并不符合默认命名规则。

当使用第二种方式进行链接时，我们需要在其他native方法被调用之前完成链接工作。因此，我们往往会在类的初始化方法里调用该registerNatives方法。具体示例如下所示：

public class Object {
    private static native void registerNatives();
    static {
        registerNatives();
    }
}

下面我们采用第一种链接方式，并且实现其中的bar(String, Object)方法。如下所示：

// foo.c
#include <stdio.h>
#include "org_example_Foo.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
  (JNIEnv *env, jobject thisObject, jstring str, jobject obj) {
  printf("Hello, World\n");
  return;
}

然后，我们可以通过gcc命令将其编译成为动态链接库：

# 该命令仅适用于macOS
$ gcc -I$JAVA_HOME/include -I$JAVA_HOME/include/darwin -o libfoo.dylib -shared foo.c

这里需要注意的是，动态链接库的名字须以lib为前缀，以.dylib(或Linux上的.so）为扩展名。在Java程序中，我们可以通过System.loadLibrary("foo")方法来加载libfoo.dylib，如下述代码所示：

package org.example;

public class Foo {
  public static native void foo();
  public native void bar(int i, long j);
  public native void bar(String s, Object o);

  int i = 0xDEADBEEF;

  public static void main(String[] args) {
    try {
      System.loadLibrary("foo");
    } catch (UnsatisfiedLinkError e) {
      e.printStackTrace();
      System.exit(1);
    }
    new Foo().bar("", "");
  }
}

如果libfoo.dylib不在当前路径下，我们可以在启动Java虚拟机时配置java.library.path参数，使其指向包含libfoo.dylib的文件夹。具体命令如下所示：

$ java -Djava.library.path=/PATH/TO/DIR/CONTAINING/libfoo.dylib org.example.Foo
Hello, World

# JNI的API

在C代码中，我们也可以使用Java的语言特性，如instanceof测试等。这些功能都是通过特殊的JNI函数（JNI Functions）来实现的。

Java虚拟机会将所有JNI函数的函数指针聚合到一个名为JNIEnv的数据结构之中。

这是一个线程私有的数据结构。Java虚拟机会为每个线程创建一个JNIEnv，并规定C代码不能将当前线程的JNIEnv共享给其他线程，否则JNI函数的正确性将无法保证。

这么设计的原因主要有两个。一是给JNI函数提供一个单独命名空间。二是允许Java虚拟机通过更改函数指针替换JNI函数的具体实现，例如从附带参数类型检测的慢速版本，切换至不做参数类型检测的快速版本。

在HotSpot虚拟机中，JNIEnv被内嵌至Java线程的数据结构之中。部分虚拟机代码甚至会从JNIEnv的地址倒推出Java线程的地址。因此，如果在其他线程中使用当前线程的JNIEnv，会使这部分代码错误识别当前线程。

JNI会将Java层面的基本类型以及引用类型映射为另一套可供C代码使用的数据结构。其中，基本类型的对应关系如下表所示：

引用类型对应的数据结构之间也存在着继承关系，具体如下所示：

jobject
|- jclass (java.lang.Class objects)
|- jstring (java.lang.String objects)
|- jthrowable (java.lang.Throwable objects)
|- jarray (arrays)
   |- jobjectArray (object arrays)
   |- jbooleanArray (boolean arrays)
   |- jbyteArray (byte arrays)
   |- jcharArray (char arrays)
   |- jshortArray (short arrays)
   |- jintArray (int arrays)
   |- jlongArray (long arrays)
   |- jfloatArray (float arrays)
   |- jdoubleArray (double arrays)

我们回头看看Foo类3个native方法对应的C函数的参数。

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_foo
  (JNIEnv *, jclass);

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__IJ
  (JNIEnv *, jobject, jint, jlong);

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2  (JNIEnv *, jobject, jstring, jobject);

静态native方法foo将接收两个参数，分别为存放JNI函数的JNIEnv指针，以及一个jclass参数，用来指代定义该native方法的类，即Foo类。

两个实例native方法bar的第二个参数则是jobject类型的，用来指代该native方法的调用者，也就是Foo类的实例。

如果native方法声明了参数，那么对应的C函数将接收这些参数。在我们的例子中，第一个bar方法声明了int型和long型的参数，对应的C函数则接收jint和jlong类型的参数；第二个bar方法声明了String类型和Object类型的参数，对应的C函数则接收jstring和jobject类型的参数。

下面，我们继续修改上一小节中的foo.c，并在C代码中获取Foo类实例的i字段。

// foo.c
#include <stdio.h>
#include "org_example_Foo.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
  (JNIEnv *env, jobject thisObject, jstring str, jobject obj) {
  jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, thisObject);
  jfieldID fieldID = (*env)->GetFieldID(env, cls, "i", "I");
  jint value = (*env)->GetIntField(env, thisObject, fieldID);
  printf("Hello, World 0x%x\n", value);
  return;
}

我们可以看到，在JNI中访问字段类似于反射API：我们首先需要通过类实例获得FieldID，然后再通过FieldID获得某个实例中该字段的值。不过，与Java代码相比，上述代码貌似不用处理异常。事实果真如此吗？

下面我就尝试获取了不存在的字段j，运行结果如下所示：

$ java org.example.Foo
Hello, World 0x5
Exception in thread "main" java.lang.NoSuchFieldError: j
 at org.example.Foo.bar(Native Method)
 at org.example.Foo.main(Foo.java:20)

我们可以看到，printf语句照常执行并打印出Hello, World 0x5，但这个数值明显是错误的。当从C函数返回至main方法时，Java虚拟机又会抛出NoSuchFieldError异常。

实际上，当调用JNI函数时，Java虚拟机便已生成异常实例，并缓存在内存中的某个位置。与Java编程不一样的是，它并不会显式地跳转至异常处理器或者调用者中，而是继续执行接下来的C代码。

因此，当从可能触发异常的JNI函数返回时，我们需要通过JNI函数ExceptionOccurred检查是否发生了异常，并且作出相应的处理。如果无须抛出该异常，那么我们需要通过JNI函数ExceptionClear显式地清空已缓存的异常。

具体示例如下所示（为了控制代码篇幅，我仅在第一个GetFieldID后检查异常以及清空异常）：

// foo.c
#include <stdio.h>
#include "org_example_Foo.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_org_example_Foo_bar__Ljava_lang_String_2Ljava_lang_Object_2
  (JNIEnv *env, jobject thisObject, jstring str, jobject obj) {
  jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, thisObject);
  jfieldID fieldID = (*env)->GetFieldID(env, cls, "j", "I");
  if((*env)->ExceptionOccurred(env)) {
    printf("Exception!\n");
    (*env)->ExceptionClear(env);
  }
  fieldID = (*env)->GetFieldID(env, cls, "i", "I");
  jint value = (*env)->GetIntField(env, thisObject, fieldID);
  // we should put an exception guard here as well.
  printf("Hello, World 0x%x\n", value);
  return;
}

# 局部引用与全局引用

在C代码中，我们可以访问所传入的引用类型参数，也可以通过JNI函数创建新的Java对象。

这些Java对象显然也会受到垃圾回收器的影响。因此，Java虚拟机需要一种机制，来告知垃圾回收算法，不要回收这些C代码中可能引用到的Java对象。

这种机制便是JNI的局部引用（Local Reference）和全局引用（Global Reference）。垃圾回收算法会将被这两种引用指向的对象标记为不可回收。

事实上，无论是传入的引用类型参数，还是通过JNI函数（除NewGlobalRef及NewWeakGlobalRef之外）返回的引用类型对象，都属于局部引用。

不过，一旦从C函数中返回至Java方法之中，那么局部引用将失效。也就是说，垃圾回收器在标记垃圾时不再考虑这些局部引用。

这就意味着，我们不能缓存局部引用，以供另一C线程或下一次native方法调用时使用。

对于这种应用场景，我们需要借助JNI函数NewGlobalRef，将该局部引用转换为全局引用，以确保其指向的Java对象不会被垃圾回收。

相应的，我们还可以通过JNI函数DeleteGlobalRef来消除全局引用，以便回收被全局引用指向的Java对象。

此外，当C函数运行时间极其长时，我们也应该考虑通过JNI函数DeleteLocalRef，消除不再使用的局部引用，以便回收被引用的Java对象。

另一方面，由于垃圾回收器可能会移动对象在内存中的位置，因此Java虚拟机需要另一种机制，来保证局部引用或者全局引用将正确地指向移动过后的对象。

HotSpot虚拟机是通过句柄（handle）来完成上述需求的。这里句柄指的是内存中Java对象的指针的指针。当发生垃圾回收时，如果Java对象被移动了，那么句柄指向的指针值也将发生变动，但句柄本身保持不变。

实际上，无论是局部引用还是全局引用，都是句柄。其中，局部引用所对应的句柄有两种存储方式，一是在本地方法栈帧中，主要用于存放C函数所接收的来自Java层面的引用类型参数；另一种则是线程私有的句柄块，主要用于存放C函数运行过程中创建的局部引用。

当从C函数返回至Java方法时，本地方法栈帧中的句柄将会被自动清除。而线程私有句柄块则需要由Java虚拟机显式清理。

进入C函数时对引用类型参数的句柄化，和调整参数位置（C调用和Java调用传参的方式不一样），以及从C函数返回时清理线程私有句柄块，共同造就了JNI调用的额外性能开销（具体可参考该stackoverflow上的回答）。

# 总结与实践

今天我介绍了JNI的运行机制。

Java中的native方法的链接方式主要有两种。一是按照JNI的默认规范命名所要链接的C函数，并依赖于Java虚拟机自动链接。另一种则是在C代码中主动链接。

JNI提供了一系列API来允许C代码使用Java语言特性。这些API不仅使用了特殊的数据结构来表示Java类，还拥有特殊的异常处理模式。

JNI中的引用可分为局部引用和全局引用。这两者都可以阻止垃圾回收器回收被引用的Java对象。不同的是，局部引用在native方法调用返回之后便会失效。传入参数以及大部分JNI API函数的返回值都属于局部引用。

今天的实践环节，请阅读该文档中的Performance pitfalls以及Correctness pitfalls两节。

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