【JVM系统学习之路】初步了解本地方法接口和本地方法栈

【JVM系统学习之路】初步了解本地方法接口和本地方法栈

技术杂谈小彩虹2021-08-22 0:59:01240A+A-

JVM系统学习之路系列演示代码地址: github.com/mtcarpenter…

本地方法接口

什么是本地方法

本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的,其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务,而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定,因此具体的虚拟机可以根据需要自由实现它,甚至有的 Java 虚拟机(譬如 Hot-Spot 虚拟机)直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。与虚拟机栈一样,本地方法栈也会在栈深度溢出或者栈扩展失败时分别抛出StackOverflowErrorOutOfMemoryError 异常。

简单地讲,一个 Native Method 是一个 Java 调用非 Java 代码的接囗。 一个 Native Method是这样一个 Java 方法:该方法的实现由非 Java 语言实现,比如 C。这个特征并非 Java 所特有,很多其它的编程语言都有这一机制,比如在 C++ 中,你可以用 extern "c" 告知 c++ 编译器去调用一个 c 的函数。

"A native method is a Java method whose implementation is provided by non-java code."(本地方法是一个非 Java 的方法,它的具体实现是非 Java 代码的实现),在定义一个 native method 时,并不提供实现体(有些像定义一个Java interface),因为其实现体是由非 java 语言在外面实现的。 本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java所用,它的初衷是融合C/C++程序。

代码举例说明 Native 方法是如何编写:

/** * 本地方法 */
public class IhaveNatives {
    public native void Native1(int x);
    native static public long Native2();
    native synchronized private float Native3(Object o);
    native void Natives(int[] ary) throws Exception;
}

需要注意的是:标识符 native 可以与其它 Java 标识符连用,但是 abstract 除外

为什么使用Native Method?

Java使用起来非常方便,然而有些层次的任务用 Java 实现起来不容易,或者我们对程序的效率很在意时,问题就来了。

与Java环境的交互

有时 Java 应用需要与 Java 外面的环境交互,这是本地方法存在的主要原因。你可以想想Java 需要与一些底层系统,如操作系统或某些硬件交换信息时的情况。本地方法正是这样一种交流机制:它为我们提供了一个非常简洁的接口,而且我们无需去了解 Java 应用之外的繁琐的细节。

与操作系统的交互

JVM 支持着 Java 语言本身和运行时库,它是 Java 程序赖以生存的平台,它由一个解释器(解释字节码)和一些连接到本地代码的库组成。然而不管怎样,它毕竟不是一个完整的系统,它经常依赖于一底层系统的支持。这些底层系统常常是强大的操作系统。通过使用本地方法,我们得以用 Java 实现了 jre 的与底层系统的交互,甚至 JVM 的一些部分就是用c写的。还有,如果我们要使用一些Java语言本身没有提供封装的操作系统的特性时,我们也需要使用本地方法。

Sun's Java

Sun 的解释器是用 C 实现的,这使得它能像一些普通的 C 一样与外部交互。jre 大部分是用Java实现的,它也通过一些本地方法与外界交互。例如:类java.lang.Threadsetpriority()方法是用 Java 实现的,但是它实现调用的是该类里的本地方法setpriorityo() 。这个本地方法是用 C 实现的,并被植入 JVM 内部,在 Windows 95 的平台上,这个本地方法最终将调用 Win32 setpriority() ApI。这是一个本地方法的具体实现由 JVM 直接提供,更多的情况是本地方法由外部的动态链接库(external dynamic link library)提供,然后被 JVM 调用。

现状

目前该方法使用的越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过 Java 程序驱动打印机或者 Java 系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见。因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用 Socket 通信,也可以使用 Web Service 等等,不多做介绍。

本地方法栈

  • Java 虚拟机栈于管理 Java 方法的调用,而本地方法栈用于管理本地方法的调用
  • 本地方法栈,也是线程私有的。
  • 允许被实现成固定或者是可动态扩展的内存大小。(在内存溢出方面是相同的)
    • 如果线程请求分配的栈容量超过本地方法栈允许的最大容量,Java虚拟机将会抛出一个 StackOverflowError异常。
    • 如果本地方法栈可以动态扩展,并且在尝试扩展的时候无法申请到足够的内存,或者在创建新的线程时没有足够的内存去创建对应的本地方法栈,那么Java虚拟机将会抛出一个OutOfMemoryError 异常。
  • 本地方法是使用C语言实现的。
  • 它的具体做法是Native Method Stack 中登记native方法,在Execution Engine 执行时加载本地方法库。

  • 当某个线程调用一个本地方法时,它就进入了一个全新的并且不再受虚拟机限制的世界。它和虚拟机拥有同样的权限。
    • 本地方法可以通过本地方法接口来访问虚拟机内部的运行时数据区。
    • 它甚至可以直接使用本地处理器中的寄存器
    • 直接从本地内存的堆中分配任意数量的内存。
  • 并不是所有的 JVM 都支持本地方法。因为Java 虚拟机规范并没有明确要求本地方法栈的使用语言、具体实现方式、数据结构等。如果 JVM 产品不打算支持 native 方法,也可以无需实现本地方法栈。
  • 在Hotspot JVM中,直接将本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

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