PHP与JVM互操作：利用JavaBridge或FFI实现JNI的跨语言对象引用

PHP与JVM互操作：利用JavaBridge或FFI实现JNI的跨语言对象引用

大家好，今天我们要探讨一个非常有趣且实用的主题：PHP与JVM的互操作，特别是如何利用JavaBridge或FFI（Foreign Function Interface）来实现JNI（Java Native Interface）的跨语言对象引用。 这意味着我们能在PHP代码中直接操作JVM中的Java对象，反之亦然，从而结合两者的优势，构建更强大、更灵活的应用。

1. 为什么需要PHP与JVM互操作？

PHP和Java是两种截然不同的编程语言，各自拥有独特的优势和应用场景。

• PHP: 快速开发、易于部署、Web开发领域的霸主。
• Java: 强大的企业级特性、高性能、成熟的生态系统、适合处理高并发和复杂业务逻辑。

将两者结合，可以解决一些特定的问题：

• 利用Java处理计算密集型任务： PHP擅长Web开发，但对于复杂的计算或数据处理，Java通常更具优势。可以将这些任务委托给Java，再将结果返回给PHP。
• 调用Java的现有库： 许多优秀的库都用Java编写，例如机器学习、图像处理等。通过互操作，PHP可以直接利用这些资源，避免重复造轮子。
• 逐步迁移遗留系统： 如果你需要将一个PHP遗留系统逐步迁移到Java，互操作可以作为过渡方案，允许新旧系统共存并协同工作。

2. 实现互操作的两种主要方式：JavaBridge和FFI

目前，主要有两种方式来实现PHP与JVM的互操作：

• JavaBridge: 基于HTTP协议的远程过程调用（RPC）。PHP作为客户端，通过HTTP请求与JVM中的Java服务器通信。
• FFI (Foreign Function Interface): 允许PHP直接调用C/C++库，而JNI允许Java调用C/C++库。通过一个小的C/C++桥接层，PHP可以通过FFI间接调用Java。

特性	JavaBridge	FFI (with JNI)
通信协议	HTTP	直接调用 (C/C++桥接)
性能	相对较低，受HTTP开销影响	较高，更接近本地调用
复杂性	相对简单，易于配置	较高，需要编写C/C++桥接代码
对象传递	需要序列化和反序列化，开销较大	可以传递对象引用，效率更高
适用场景	简单的数据交换，对性能要求不高的场景	复杂的对象操作，对性能要求高的场景
依赖	需要JavaBridge服务器	需要FFI扩展和C/C++编译器

3. JavaBridge示例

3.1 安装和配置

首先，我们需要安装JavaBridge。 可以从SourceForge下载：http://php-java-bridge.sourceforge.net/

将JavaBridge.war部署到Java应用服务器（如Tomcat）。

在PHP中，需要包含java/Java.inc文件。

3.2 Java代码

创建一个简单的Java类：

package com.example;

public class MyJavaClass {

    public String sayHello(String name) {
        return "Hello, " + name + " from Java!";
    }

    public int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public MyJavaObject createObject(String message) {
        return new MyJavaObject(message);
    }
}

class MyJavaObject {
  private String message;
  public MyJavaObject(String message) {
    this.message = message;
  }
  public String getMessage() {
    return this.message;
  }
}

将这个类编译成.class文件，并将其放到Tomcat的WEB-INF/classes目录下。

3.3 PHP代码

<?php
require_once("java/Java.inc");

try {
    // 创建Java对象
    $myObj = new Java("com.example.MyJavaClass");

    // 调用Java方法
    $result = $myObj->sayHello("PHP");
    echo $result . "<br>";

    $sum = $myObj->add(10, 20);
    echo "Sum: " . $sum . "<br>";

    $javaObject = $myObj->createObject("This is a message from Java");
    echo "Message: " . $javaObject->getMessage() . "<br>"; //Accessing a member of the passed java object

} catch (JavaException $e) {
    echo "Java Exception: " . $e;
}
?>

这段代码首先包含了Java.inc文件，然后尝试创建一个com.example.MyJavaClass的Java对象。 接着，它调用了sayHello和add方法，并将结果输出到浏览器。 最后，它创建了一个MyJavaObject实例，并访问了它的getMessage方法。

注意事项：

• 确保Tomcat服务器正在运行，并且JavaBridge.war已成功部署。
• java/目录包含从 JavaBridge 包解压的 Java.inc 文件。
• .class文件需要放在Tomcat的WEB-INF/classes目录下，或者配置Tomcat的classpath。

3.4 JavaBridge的局限性

JavaBridge使用HTTP协议进行通信，因此性能受到限制。 每次调用Java方法都需要发送HTTP请求，这会带来额外的开销。 此外，JavaBridge需要将Java对象序列化成字符串，并通过HTTP传输，这也会增加开销。 对象传递复杂，性能开销大。

4. FFI (Foreign Function Interface) 示例

4.1 环境准备

• 安装FFI扩展: pecl install ffi，并确保在php.ini中启用了该扩展。
• 安装JDK: 需要JDK来编译JNI代码。
• 配置环境变量: 确保JAVA_HOME和PATH环境变量指向正确的JDK路径。

4.2 Java代码

创建一个Java类，包含一个本地方法：

package com.example;

public class MyNativeClass {

    static {
        System.loadLibrary("mynativelib"); // 加载本地库
    }

    public native String sayHello(String name);
    public native MyNativeObject createNativeObject(String message);

    public static void main(String[] args) {
        MyNativeClass obj = new MyNativeClass();
        System.out.println(obj.sayHello("Java"));
    }
}

class MyNativeObject {
  private String message;
  public MyNativeObject(String message) {
    this.message = message;
  }
  public String getMessage() {
    return this.message;
  }
}

使用javac编译这个类。

4.3 生成JNI头文件

使用javah命令生成JNI头文件：

javah -jni com.example.MyNativeClass

这会生成一个名为com_example_MyNativeClass.h的文件。

4.4 C/C++桥接代码

创建一个C++文件（例如mynativelib.cpp），实现JNI方法：

#include "com_example_MyNativeClass.h"
#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

// JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_MyNativeClass_sayHello
//   (JNIEnv *env, jobject obj, jstring name) {
//     const char *str = env->GetStringUTFChars(name, 0);
//     string hello = "Hello, " + string(str) + " from JNI!";
//     env->ReleaseStringUTFChars(name, str);
//     return env->NewStringUTF(hello.c_str());
// }

JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_example_MyNativeClass_sayHello
  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring name) {
  const char *str = env->GetStringUTFChars(name, 0);
  std::string hello = "Hello, " + std::string(str) + " from JNI!";
  env->ReleaseStringUTFChars(name, str);
  return env->NewStringUTF(hello.c_str());
}

JNIEXPORT jobject JNICALL Java_com_example_MyNativeClass_createNativeObject
  (JNIEnv *env, jobject obj, jstring message) {
  const char *str = env->GetStringUTFChars(message, 0);
  std::string cppMessage(str);
  env->ReleaseStringUTFChars(message, str);

  // Get the MyNativeObject class
  jclass myNativeObjectClass = env->FindClass("com/example/MyNativeObject");
  if (myNativeObjectClass == nullptr) {
    std::cerr << "Error: Could not find class MyNativeObject" << std::endl;
    return nullptr;
  }

  // Get the constructor method ID
  jmethodID constructor = env->GetMethodID(myNativeObjectClass, "<init>", "(Ljava/lang/String;)V");
  if (constructor == nullptr) {
    std::cerr << "Error: Could not find constructor for MyNativeObject" << std::endl;
    return nullptr;
  }

  // Create a new Java string
  jstring javaMessage = env->NewStringUTF(cppMessage.c_str());
  if (javaMessage == nullptr) {
    std::cerr << "Error: Could not create Java string" << std::endl;
    return nullptr;
  }

  // Create a new MyNativeObject instance
  jobject myNativeObject = env->NewObject(myNativeObjectClass, constructor, javaMessage);
  if (myNativeObject == nullptr) {
    std::cerr << "Error: Could not create MyNativeObject instance" << std::endl;
    return nullptr;
  }

  return myNativeObject;
}

这个C++代码实现了sayHello方法，它接收一个Java字符串，并返回一个包含问候语的Java字符串。 注意createNativeObject的实现，需要在jni层创建java对象，并将对象返回给PHP FFI 调用方。

4.5 编译C/C++代码

将C++代码编译成共享库（例如libmynativelib.so或mynativelib.dll）：

g++ -I"$JAVA_HOME/include" -I"$JAVA_HOME/include/linux" -fPIC -shared -o libmynativelib.so mynativelib.cpp

注意：

• -I"$JAVA_HOME/include" 和 -I"$JAVA_HOME/include/linux" 指定了JNI头文件的路径。 根据你的操作系统，可能需要修改路径。
• -fPIC 用于生成位置无关代码，这是创建共享库的必要条件。
• -shared 用于创建共享库。
• 根据你的平台选择合适的编译器和编译选项 (例如 Windows 上使用Visual Studio)。

4.6 PHP代码

<?php

$jniHeader = <<<EOL
typedef long jlong;
typedef int jint;
typedef void* jobject;
typedef void* jstring;
typedef void* JNIEnv;
typedef void* jclass;
typedef void* jmethodID;

extern "C" {
    jstring Java_com_example_MyNativeClass_sayHello(JNIEnv* env, jobject obj, jstring name);
    jobject Java_com_example_MyNativeClass_createNativeObject(JNIEnv* env, jobject obj, jstring message);
}
EOL;

$ffi = FFI::cdef($jniHeader, __DIR__ . '/libmynativelib.so');

class JNINativeInterface {
    private FFI $ffi;
    private FFICData $env;
    private static ?JNINativeInterface $instance = null;

    private function __construct(FFI $ffi) {
        $this->ffi = $ffi;
        $this->env = FFI::new("void*"); // Dummy env
    }

    public static function getInstance(FFI $ffi) : JNINativeInterface {
        if (self::$instance === null) {
            self::$instance = new JNINativeInterface($ffi);
        }
        return self::$instance;
    }

    public function getEnv() : FFICData {
        return $this->env;
    }

    public function newStringUTF(string $str) : FFICData {
        // This is just a placeholder.  In a real implementation,
        // you would need to convert the PHP string to a JNI string.
        return FFI::new("void*"); // Dummy jstring
    }

    public function callJavaMethod(object $javaObject, string $methodName, string $signature, array $args = []) : mixed {
        //Placeholder for calling a java method from PHP via JNI
        return null;
    }
}

// Java class emulation in PHP
class MyNativeObject {
    private string $message;

    public function __construct(string $message) {
        $this->message = $message;
    }

    public function getMessage(): string {
        return $this->message;
    }
}

try {
    $nativeObject = new stdClass(); // Dummy object, not really used
    $env = JNINativeInterface::getInstance($ffi)->getEnv();
    $name = "PHP";
    $jname = FFI::new("char[" . strlen($name) + 1 . "]", false);
    FFI::memcpy($jname, $name, strlen($name));

    $result = $ffi->Java_com_example_MyNativeClass_sayHello($env, FFI::cast("jobject", $nativeObject), FFI::cast("jstring", $jname));
    echo FFI::string($result) . "<br>";

    $javaObjectResult = $ffi->Java_com_example_MyNativeClass_createNativeObject($env, FFI::cast("jobject", $nativeObject), FFI::cast("jstring", $jname));

    $phpMyNativeObject = new MyNativeObject("Dummy Message"); // In a real implementation, you'd need a mechanism to map the jni object to a PHP object
    echo "Message: " . $phpMyNativeObject->getMessage() . "<br>";

} catch (FFIException $e) {
    echo "FFI Exception: " . $e->getMessage() . "<br>";
}
?>

这段代码首先使用FFI::cdef定义了JNI函数的签名。 然后，它使用FFI::load加载了共享库。 接着，它调用了Java_com_example_MyNativeClass_sayHello方法，并将结果输出到浏览器。 需要注意的是，为了能够在PHP中使用JNI返回的java对象，需要对java对象在PHP端进行模拟。

关键点：

• FFI::cdef 定义了 JNI 函数的签名，这对于 FFI 正确调用本地函数至关重要。 签名必须与 JNI 头文件中的定义完全匹配。
• FFI::load 加载编译好的共享库。 确保路径正确，并且 PHP 进程有权访问该文件。
• JNIEnv 是一个指向 JNI 环境的指针。你需要创建一个假的 JNIEnv 实例，因为它会被传递给 JNI 函数。 在更复杂的场景中，你需要使用真实的 JNIEnv 来执行各种 JNI 操作。
• FFI::cast 用于将 PHP 变量转换为 JNI 函数期望的类型。 例如，将 PHP 字符串转换为 jstring。
• FFI::string 用于将 C 字符串转换为 PHP 字符串。 这是从 JNI 函数获取字符串结果的必要步骤。
• 需要在PHP中模拟Java类，才能正常访问java对象。
• 必须处理异常。

4.7 FFI的优势

• 更高的性能： FFI允许PHP直接调用C/C++代码，避免了HTTP协议的开销。
• 更灵活的对象传递： FFI可以直接传递指针，避免了序列化和反序列化的开销。
• 更接近本地调用： FFI的性能更接近本地调用，适合对性能要求高的场景。

4.8 FFI的劣势

• 更复杂的配置： FFI需要安装FFI扩展，并编译C/C++代码，配置过程相对复杂。
• 更高的开发难度： 需要编写C/C++桥接代码，这需要一定的C/C++编程经验。
• 安全风险： 直接调用C/C++代码可能会带来安全风险，例如内存泄漏、缓冲区溢出等。

5. 跨语言对象引用：深入探讨

无论是JavaBridge还是FFI，实现跨语言对象引用都是一个挑战。

• JavaBridge: JavaBridge通过HTTP协议传输对象，需要将对象序列化成字符串。 这会导致性能下降，并且难以处理复杂的对象关系。 只能传递简单类型的数据，不能传递复杂的对象引用。
• FFI: FFI可以直接传递指针，但需要手动管理内存。 此外，需要解决类型转换的问题，确保PHP和Java能够正确理解对方的对象。 如果需要长期持有java对象，并多次使用，需要自己管理java对象的生命周期，防止对象被JVM回收。

以下是一个更深入的FFI示例，展示了如何创建和传递Java对象：

<?php
// 假设 libjvm.so 包含 JNI 函数
$jvmHeader = <<<EOL
typedef long jlong;
typedef int jint;
typedef void* jobject;
typedef void* jstring;
typedef void* JNIEnv;
typedef void* jclass;
typedef void* jmethodID;

struct JNIInvokeInterface {
    void* reserved0;
    void* reserved1;
    void* reserved2;
    jint (*DestroyJavaVM)(void *vm);
    jint (*AttachCurrentThread)(void *vm, void **penv, void *args);
    jint (*DetachCurrentThread)(void *vm);
    jint (*GetEnv)(void *vm, void **penv, jint version);
    jint (*AttachCurrentThreadAsDaemon)(void *vm, void **penv, void *args);
};

struct JavaVMOption {
    char *optionString;
    void *extraInfo;
};

struct JavaVMInitArgs {
    jint version;
    jint nOptions;
    struct JavaVMOption *options;
    jboolean ignoreUnrecognized;
};

typedef void* JavaVM;

jint JNI_CreateJavaVM(JavaVM *pvm, void **penv, void *args);
jstring Java_com_example_MyNativeClass_sayHello(JNIEnv* env, jobject obj, jstring name);
jobject Java_com_example_MyNativeClass_createNativeObject(JNIEnv* env, jobject obj, jstring message);

EOL;

$ffi = FFI::cdef($jvmHeader, '/usr/lib/jvm/java-11-openjdk-amd64/lib/server/libjvm.so');

// 1. 初始化 JVM
$vm = FFI::new("JavaVM*");
$env = FFI::new("JNIEnv*");

$options = FFI::new("struct JavaVMOption[1]");
$options[0]->optionString = FFI::new("char[256]", false);
FFI::memcpy($options[0]->optionString, "-Djava.class.path=.", strlen("-Djava.class.path=."));

$vm_args = FFI::new("struct JavaVMInitArgs");
$vm_args->version = 0x00010008; // JNI_VERSION_1_8
$vm_args->nOptions = 1;
$vm_args->options = $options;
$vm_args->ignoreUnrecognized = false;

$res = $ffi->JNI_CreateJavaVM(FFI::addr($vm), FFI::addr($env), FFI::addr($vm_args));

if ($res < 0) {
    echo "Failed to create JVMn";
    exit(1);
}

// 2. 获取 JNIEnv 指针
$env_ptr = $env->cdata; //Access the pointer from FFI::CData

// 3. 调用 Java 方法 (假设已经加载了 MyNativeClass)
$nativeObject = new stdClass(); // Dummy object, not really used
$name = "PHP";
$jname = FFI::new("char[" . strlen($name) + 1 . "]", false);
FFI::memcpy($jname, $name, strlen($name));

$result = $ffi->Java_com_example_MyNativeClass_sayHello($env_ptr, FFI::cast("jobject", $nativeObject), FFI::cast("jstring", $jname));
echo FFI::string($result) . "<br>";

$javaObjectResult = $ffi->Java_com_example_MyNativeClass_createNativeObject($env_ptr, FFI::cast("jobject", $nativeObject), FFI::cast("jstring", $jname));

// 4. 销毁 JVM (在脚本结束时)
$jvm_interface = FFI::cast("struct JNIInvokeInterface*", $vm->cdata);
$jvm_interface->DestroyJavaVM($vm->cdata);

?>

解释：

1. 初始化 JVM: JNI_CreateJavaVM 函数用于初始化 JVM。 需要配置 classpath，指定 Java 类的位置。
2. 获取 JNIEnv 指针: JNIEnv 指针是与 JVM 交互的关键。 它包含了所有 JNI 函数的入口点。
3. 调用 Java 方法: 使用 FFI::addr($env) 获取 JNIEnv 的地址，并将其传递给 JNI 函数。
4. 销毁 JVM: 在脚本结束时，必须销毁 JVM，释放资源。

重要考虑事项：

• 错误处理: JNI 函数可能会返回错误代码。 需要检查这些代码，并采取适当的措施。
• 线程安全: 如果 PHP 脚本是多线程的，需要确保 JNI 调用是线程安全的。
• 内存管理: 需要手动管理 JNI 对象的内存，避免内存泄漏。

6. 安全性考虑

无论是使用JavaBridge还是FFI，都需要考虑安全性问题。

• JavaBridge: 确保JavaBridge服务器的安全，防止未经授权的访问。 对传输的数据进行加密，防止数据泄露。
• FFI: 限制PHP脚本对C/C++代码的访问权限，防止恶意代码执行。 仔细审查C/C++代码，确保没有安全漏洞。 避免直接操作指针，防止内存错误。

7. 何时选择JavaBridge，何时选择FFI？

• 选择JavaBridge：
  • 项目对性能要求不高。
  • 需要快速实现PHP与Java的互操作。
  • 只需要进行简单的数据交换。
  • 不需要传递复杂的对象。
• 选择FFI：
  • 项目对性能要求很高。
  • 需要传递复杂的对象。
  • 需要更底层的控制。
  • 有C/C++编程经验。

8. 总结

PHP与JVM的互操作是一个强大的技术，可以扩展PHP的应用范围，并充分利用Java的优势。 JavaBridge易于使用，但性能较低。 FFI性能更高，但配置和开发难度较大。 选择哪种方式取决于项目的具体需求。 通过仔细考虑安全性问题，可以构建安全可靠的跨语言应用。

希望今天的讲解对您有所帮助。 感谢大家！

选择合适的技术栈取决于项目需求和开发团队的技能。 了解每种技术的优缺点有助于做出明智的决策。 持续学习和实践是掌握这些技术的关键。