在前面几章我们学习到了,在Java中声明一个native方法,然后生成本地接口的函数原型声明,再用C/C++实现这些函数,并生成对应平台的动态共享库放到Java程序的类路径下,最后在Java程序中调用声明的native方法就间接的调用到了C/C++编写的函数了,在C/C++中写的程序可以避开JVM的内存开销过大的限制、处理高性能的计算、调用系统服务等功能。同时也学习到了在本地代码中通过JNI提供的接口,调用Java程序中的任意方法和对象的属性。这是JNI提供的一些优势。但做过Java的童鞋应该都明白,Java程序是运行在JVM上的,所以在Java中调用C/C++或其它语言这种跨语言的接口时,或者说在C/C++代码中通过JNI接口访问Java中对象的方法或属性时,相比Java调用自已的方法,性能是非常低的!!!网上有朋友针对**Java调用本地接口,Java调Java方法**做了一次详细的测试,来充分说明在享受JNI给程序带来优势的同时,也要接受其所带来的性能开销,下面请看一组测试数据: ## Java调用JNI空函数与Java调用Java空方法性能测试 测试环境:JDK1.4.2_19、JDK1.5.0_04和JDK1.6.0_14,测试的重复次数都是一亿次。测试结果的绝对数值意义不大,仅供参考。因为根据JVM和机器性能的不同,测试所产生的数值也会不同,但不管什么机器和JVM应该都能反应同一个问题,Java调用native接口,要比Java调用Java方法性能要低很多。 **Java调用Java空方法的性能:** | JDK版本 | Java调Java耗时 | 平均每秒调用次数 | |-----|-----|-----| | 1.6 | 329ms | 303951367次 | | 1.5 | 312ms | 320512820次 | | 1.4 | 312ms | 27233115次 | **Java调用JNI空函数的性能:** | JDK版本 | Java调JNI耗时 | 平均每秒调用次数 | |-----|-----|-----| | 1.6 | 1531ms | 65316786次 | | 1.5 | 1891ms | 52882072次 | | 1.4 | 3672ms | 27233115次 | 从上述测试数据可以看出JDK版本越高,JNI调用的性能也越好。在JDK1.5中,仅仅是空方法调用,JNI的性能就要比Java内部调用慢将近5倍,而在JDK1.4下更是慢了十多倍。 ## JNI查找方法ID、字段ID、Class引用性能测试 当我们在本地代码中要访问Java对象的字段或调用它们的方法时,本机代码必须调用FindClass()、GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()。对于 GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID(),为特定类返回的 ID 不会在 JVM 进程的生存期内发生变化。但是,获取字段或方法的调用有时会需要在 JVM 中完成大量工作,因为字段和方法可能是从超类中继承而来的,这会让 JVM 向上遍历类层次结构来找到它们。由于 ID 对于特定类是相同的,因此只需要查找一次,然后便可重复使用。同样,查找类对象的开销也很大,因此也应该缓存它们。下面对调用JNI接口FindClass查找Class、GetFieldID获取类的字段ID和GetFieldValue获取字段的值的性能做的一个测试。**缓存**表示只调用一次,**不缓存**就是每次都调用相应的JNI接口: **java.version = 1.6.0_14** JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=false) 耗时 : 79172 ms 平均每秒 : 1263072 JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=false) 耗时 : 25015 ms 平均每秒 : 3997601 JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=true) 耗时 : 50765 ms 平均每秒 : 1969861 JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=true) 耗时 : 2125 ms 平均每秒 : 47058823 **java.version = 1.5.0_04** JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=false) 耗时 : 87109 ms 平均每秒 : 1147987 JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=false) 耗时 : 32031 ms 平均每秒 : 3121975 JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=true) 耗时 : 51657 ms 平均每秒 : 1935846 JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=true) 耗时 : 2187 ms 平均每秒 : 45724737 **java.version = 1.4.2_19** JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=false) 耗时 : 97500 ms 平均每秒 : 1025641 JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=false) 耗时 : 38110 ms 平均每秒 : 2623983 JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=true) 耗时 : 55204 ms 平均每秒 : 1811462 JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=true) 耗时 : 4187 ms 平均每秒 : 23883448 根据上面的测试数据得知,查找class和ID(属性和方法ID)消耗的时间比较大。只是读取字段值的时间基本上跟上面的JNI空方法是一个数量级。而如果每次都根据名称查找class和field的话,性能要下降高达**40倍**。读取一个字段值的性能在百万级上,在交互频繁的JNI应用中是不能忍受的。 消耗时间最多的就是查找class,因此在native里保存class和member id是很有必要的。class和member id在一定范围内是稳定的,但在动态加载的class loader下,保存全局的class要么可能失效,要么可能造成无法卸载classloader,在诸如OSGI框架下的JNI应用还要特别注意这方面的问题。在读取字段值和查找FieldID上,JDK1.4和1.5、1.6的差距是非常明显的。但在最耗时的查找class上,三个版本没有明显差距。 通过上面的测试可以明显的看出,在调用JNI接口获取方法ID、字段ID和Class引用时,如果没用使用缓存的话,性能低至4倍。所以在JNI开发中,合理的使用缓存技术能给程序提高极大的性能。缓存有两种,分别为使用时缓存和类静态初始化时缓存,区别主要在于缓存发生的时刻。 ## 使用时缓存 字段ID、方法ID和Class引用在函数当中使用的同时就缓存起来。下面看一个示例: ~~~ package com.study.jnilearn; public class AccessCache { private String str = "Hello"; public native void accessField(); // 访问str成员变量 public native String newString(char[] chars, int len); // 根据字符数组和指定长度创建String对象 public static void main(String[] args) { AccessCache accessCache = new AccessCache(); accessCache.nativeMethod(); char chars[] = new char[7]; chars[0] = '中'; chars[1] = '华'; chars[2] = '人'; chars[3] = '民'; chars[4] = '共'; chars[5] = '和'; chars[6] = '国'; String str = accessCache.newString(chars, 6); System.out.println(str); } static { System.loadLibrary("AccessCache"); } } ~~~ **javah生成的头文件:com_study_jnilearn_AccessCache.h** ~~~ /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */ #include <jni.h> /* Header for class com_study_jnilearn_AccessCache */ #ifndef _Included_com_study_jnilearn_AccessCache #define _Included_com_study_jnilearn_AccessCache #ifdef __cplusplus extern "C" { #endif /* * Class: com_study_jnilearn_AccessCache * Method: accessField * Signature: ()V */ JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField(JNIEnv *, jobject); /* * Class: com_study_jnilearn_AccessCache * Method: newString * Signature: ([CI)Ljava/lang/String; */ JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString(JNIEnv *, jobject, jcharArray, jint); #ifdef __cplusplus } #endif #endif ~~~ **实现头文件中的函数:AccessCache.c** ~~~ // AccessCache.c #include "com_study_jnilearn_AccessCache.h" JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField (JNIEnv *env, jobject obj) { // 第一次访问时将字段存到内存数据区,直到程序结束才会释放,可以起到缓存的作用 static jfieldID fid_str = NULL; jclass cls_AccessCache; jstring j_str; const char *c_str; cls_AccessCache = (*env)->GetObjectClass(env, obj); // 获取该对象的Class引用 if (cls_AccessCache == NULL) { return; } // 先判断字段ID之前是否已经缓存过,如果已经缓存过则不进行查找 if (fid_str == NULL) { fid_str = (*env)->GetFieldID(env,cls_AccessCache,"str","Ljava/lang/String;"); // 再次判断是否找到该类的str字段 if (fid_str == NULL) { return; } } j_str = (*env)->GetObjectField(env, obj, fid_str); // 获取字段的值 c_str = (*env)->GetStringUTFChars(env, j_str, NULL); if (c_str == NULL) { return; // 内存不够 } printf("In C:\n str = \"%s\"\n", c_str); (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, j_str, c_str); // 释放从从JVM新分配字符串的内存空间 // 修改字段的值 j_str = (*env)->NewStringUTF(env, "12345"); if (j_str == NULL) { return; } (*env)->SetObjectField(env, obj, fid_str, j_str); // 释放本地引用 (*env)->DeleteLocalRef(env,cls_AccessCache); (*env)->DeleteLocalRef(env,j_str); } JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString (JNIEnv *env, jobject obj, jcharArray j_char_arr, jint len) { jcharArray elemArray; jchar *chars = NULL; jstring j_str = NULL; static jclass cls_string = NULL; static jmethodID cid_string = NULL; // 注意:这里缓存局引用的做法是错误,这里做为一个反面教材提醒大家,下面会说到。 if (cls_string == NULL) { cls_string = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String"); if (cls_string == NULL) { return NULL; } } // 缓存String的构造方法ID if (cid_string == NULL) { cid_string = (*env)->GetMethodID(env, cls_string, "<init>", "([C)V"); if (cid_string == NULL) { return NULL; } } printf("In C array Len: %d\n", len); // 创建一个字符数组 elemArray = (*env)->NewCharArray(env, len); if (elemArray == NULL) { return NULL; } // 获取数组的指针引用,注意:不能直接将jcharArray作为SetCharArrayRegion函数最后一个参数 chars = (*env)->GetCharArrayElements(env, j_char_arr,NULL); if (chars == NULL) { return NULL; } // 将Java字符数组中的内容复制指定长度到新的字符数组中 (*env)->SetCharArrayRegion(env, elemArray, 0, len, chars); // 调用String对象的构造方法,创建一个指定字符数组为内容的String对象 j_str = (*env)->NewObject(env, cls_string, cid_string, elemArray); // 释放本地引用 (*env)->DeleteLocalRef(env, elemArray); return j_str; } ~~~ 例1、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField函数中的第8行定义了一个静态变量fid_str用于存储字段的ID,每次调用函数的时候,在第18行先判断字段ID是否已经缓存,如果没有先取出来存到fid_str中,下次再调用的时候该变量已经有值了,不用再去JVM中获取,起到了缓存的作用。 例2、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString函数中的53和54行定义了两个变量cls_string和cid_string,分别用于存储java.lang.String类的Class引用和String的构造方法ID。在56行和64行处,使用前会先判断是否已经缓存过,如果没有则调用JNI的接口从JVM中获取String的Class引用和构造方法ID存储到静态变量当中。下次再调用该函数时就可以直接使用,不需要再去找一次了,也达到了缓存的效果,大家第一反映都会这么认为。但是请注意:cls_string是一个局部引用,与方法和字段ID不一样,局部引用在函数结束后会被VM自动释放掉,这时cls_string成为了一个野针对(指向的内存空间已被释放,但变量的值仍然是被释放后的内存地址,不为NULL),当下次再调用Java_com_xxxx_newString这个函数的时候,会试图访问一个无效的局部引用,从而导致非法的内存访问造成程序崩溃。所以在函数内用static缓存局部引用这种方式是错误的。下篇文章会介绍局部引用和全局引用,利用全局引用来防止这种问题,请关注。 ## 类静态初始化缓存 在调用一个类的方法或属性之前,Java虚拟机会先检查该类是否已经加载到内存当中,如果没有则会先加载,然后紧接着会调用该类的静态初始化代码块,所以在静态初始化该类的过程当中计算并缓存该类当中的字段ID和方法ID也是个不错的选择。下面看一个示例: ~~~ package com.study.jnilearn; public class AccessCache { public static native void initIDs(); public native void nativeMethod(); public void callback() { System.out.println("AccessCache.callback invoked!"); } public static void main(String[] args) { AccessCache accessCache = new AccessCache(); accessCache.nativeMethod(); } static { System.loadLibrary("AccessCache"); initIDs(); } } ~~~ ~~~ /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */ #include <jni.h> /* Header for class com_study_jnilearn_AccessCache */ #ifndef _Included_com_study_jnilearn_AccessCache #define _Included_com_study_jnilearn_AccessCache #ifdef __cplusplus extern "C" { #endif /* * Class: com_study_jnilearn_AccessCache * Method: initIDs * Signature: ()V */ JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs (JNIEnv *, jclass); /* * Class: com_study_jnilearn_AccessCache * Method: nativeMethod * Signature: ()V */ JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_nativeMethod (JNIEnv *, jobject); #ifdef __cplusplus } #endif #endif ~~~ ~~~ // AccessCache.c #include "com_study_jnilearn_AccessCache.h" jmethodID MID_AccessCache_callback; JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs (JNIEnv *env, jclass cls) { printf("initIDs called!!!\n"); MID_AccessCache_callback = (*env)->GetMethodID(env,cls,"callback","()V"); } JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_nativeMethod (JNIEnv *env, jobject obj) { printf("In C Java_com_study_jnilearn_AccessCache_nativeMethod called!!!\n"); (*env)->CallVoidMethod(env, obj, MID_AccessCache_callback); } ~~~ JVM加载AccessCache.class到内存当中之后,会调用该类的静态初始化代码块,即static代码块,先调用System.loadLibrary加载动态库到JVM中,紧接着调用native方法initIDs,会调用用到本地函数Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs,在该函数中获取需要缓存的ID,然后存入全局变量当中。下次需要用到这些ID的时候,直接使用全局变量当中的即可,如18行当中调用Java的callback函数。 ~~~ (*env)->CallVoidMethod(env, obj, MID_AccessCache_callback); ~~~ ## 两种缓存方式比较 如果在写JNI接口时,不能控制方法和字段所在类的源码的话,用使用时缓存比较合理。但比起类静态初始化时缓存来说,用使用时缓存有一些缺点: 1. 使用前,每次都需要检查是否已经缓存该ID或Class引用 2. 如果在用使用时缓存的ID,要注意只要本地代码依赖于这个ID的值,那么这个类就不会被unload。另外一方面,如果缓存发生在静态初始化时,当类被unload或reload时,ID会被重新计算。因为,尽量在类静态初始化时就缓存字段ID、方法ID和类的Class引用。