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Java Panama FFM API：使用MemorySegment实现对Native Structs的类型安全访问

Java Panama FFM API：使用MemorySegment实现对Native Structs的类型安全访问

大家好，今天我们来深入探讨Java Panama Foreign Function & Memory (FFM) API，特别是如何利用 MemorySegment 实现对 Native Structs 的类型安全访问。

在传统的Java开发中，与本地代码（例如 C/C++）的交互往往依赖于Java Native Interface (JNI)。 JNI虽然强大，但其复杂性和潜在的安全风险也使其备受诟病。 Panama 项目旨在提供一种更简洁、更安全、更高效的方式来与本地代码进行交互，MemorySegment 就是其中的关键组件。

1. 什么是 Panama FFM API？

Panama 项目的目标是改进Java虚拟机 (JVM) 与非Java代码之间的互操作性。 FFM API 是 Panama 项目的核心部分，它提供了以下功能：

  • Foreign Function Interface (FFI): 允许Java代码调用本地函数，无需编写JNI代码。
  • Memory Access API: 提供了一种安全、高效的方式来访问本地内存，包括堆外内存和 Native Structs。
  • Vector API: 支持利用SIMD (Single Instruction, Multiple Data) 指令，提高Java程序的性能。

今天我们主要关注 Memory Access API，特别是 MemorySegment 在访问 Native Structs 中的应用。

2. 为什么需要 MemorySegment？

在与本地代码交互时，我们经常需要处理 Native Structs。 这些结构体定义了本地内存中的数据布局，包含了不同类型的数据成员。 传统的 JNI 访问方式通常涉及手动计算偏移量、进行类型转换，容易出错且难以维护。

MemorySegment 提供了一个抽象层，允许我们以类型安全的方式访问 Native Structs 的成员。 它提供了以下优势：

  • 类型安全: MemorySegment 可以关联特定的数据类型，避免类型转换错误。
  • 内存安全: MemorySegment 限制了对内存的访问范围，防止越界访问。
  • 易于使用: MemorySegment 提供了丰富的API，简化了内存访问操作。
  • 性能优化: MemorySegment 可以直接访问本地内存，避免不必要的复制。

3. MemorySegment 的基本概念

MemorySegment 代表了对一段连续内存区域的访问权限。 它可以是堆内内存、堆外内存或本地内存。 MemorySegment 具有以下关键属性：

  • Base Address: 内存区域的起始地址。
  • Size: 内存区域的大小（字节数）。
  • Access Modes: 定义了对内存区域的访问权限（例如 READ、WRITE）。
  • Segment Layout: 定义了结构体的内存布局，描述了每个成员的类型和偏移量。

4. 定义 Native Structs 的 Java 表示

在使用 MemorySegment 访问 Native Structs 之前，我们需要在 Java 中定义结构体的表示。 这通常涉及使用 java.lang.foreign 包中的类，例如 ValueLayout 和 MemoryLayout。

4.1 ValueLayout:

ValueLayout 用于描述基本数据类型（例如 int、long、float、double）在内存中的布局。 它指定了数据类型的大小、对齐方式和字节序。

下面是一些常用的 ValueLayout 示例：

ValueLayout 描述
ValueLayout.JAVA_INT Java int 类型，4 字节
ValueLayout.JAVA_LONG Java long 类型，8 字节
ValueLayout.JAVA_FLOAT Java float 类型，4 字节
ValueLayout.JAVA_DOUBLE Java double 类型，8 字节
ValueLayout.ADDRESS 内存地址，通常是指针大小（取决于平台，可能是 4 字节或 8 字节）

4.2 MemoryLayout:

MemoryLayout 用于描述更复杂的数据布局，例如结构体和数组。 它可以包含多个 ValueLayout 或其他 MemoryLayout 实例。

MemoryLayout 有以下几种主要类型：

  • SequenceLayout: 表示一个数组，其中包含相同类型的元素。
  • GroupLayout: 表示一个结构体，其中包含不同类型的成员。
  • UnionLayout: 表示一个联合体，其中不同的成员共享同一块内存区域。

4.3 示例：定义一个简单的 Native Struct

假设我们有一个简单的 C 结构体：

// native_struct.h
typedef struct {
  int id;
  double value;
} MyStruct;

我们可以在 Java 中使用 MemoryLayout 来定义它的表示：

import java.lang.foreign.*;

public class MyStructLayout {

    public static final GroupLayout LAYOUT = MemoryLayout.structLayout(
        ValueLayout.JAVA_INT.withName("id"),
        ValueLayout.JAVA_DOUBLE.withName("value")
    );

    public static final VarHandle idHandle = LAYOUT.varHandle(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id"));
    public static final VarHandle valueHandle = LAYOUT.varHandle(MemoryLayout.PathElement.groupElement("value"));

    public static int idOffset(){
        return (int) LAYOUT.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id"));
    }

    public static int valueOffset(){
        return (int) LAYOUT.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("value"));
    }

    public static long sizeof(){
        return LAYOUT.byteSize();
    }
}

在这个例子中：

  • MemoryLayout.structLayout() 创建了一个 GroupLayout，表示一个结构体。
  • ValueLayout.JAVA_INT.withName("id") 和 ValueLayout.JAVA_DOUBLE.withName("value") 定义了结构体的两个成员，分别是 int 类型的 id 和 double 类型的 value。 withName() 方法为成员指定了名称，方便后续访问。
  • LAYOUT.varHandle(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id")) 创建了一个VarHandle用于访问id字段
  • LAYOUT.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id")) 获取id字段的偏移量
  • LAYOUT.byteSize() 获取结构体的大小

4.4 示例：定义一个包含嵌套结构体的 Native Struct

现在，让我们考虑一个更复杂的例子，其中包含嵌套的结构体：

// native_struct.h
typedef struct {
  int x;
  int y;
} Point;

typedef struct {
  int id;
  Point position;
} MyStruct;

Java 中的表示如下：

import java.lang.foreign.*;

public class NestedStructLayout {

    public static final GroupLayout POINT_LAYOUT = MemoryLayout.structLayout(
        ValueLayout.JAVA_INT.withName("x"),
        ValueLayout.JAVA_INT.withName("y")
    );

    public static final GroupLayout MY_STRUCT_LAYOUT = MemoryLayout.structLayout(
        ValueLayout.JAVA_INT.withName("id"),
        POINT_LAYOUT.withName("position")
    );

    public static final VarHandle idHandle = MY_STRUCT_LAYOUT.varHandle(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id"));
    public static final VarHandle xHandle = MY_STRUCT_LAYOUT.varHandle(MemoryLayout.PathElement.groupElement("position"),MemoryLayout.PathElement.groupElement("x"));
    public static final VarHandle yHandle = MY_STRUCT_LAYOUT.varHandle(MemoryLayout.PathElement.groupElement("position"),MemoryLayout.PathElement.groupElement("y"));

    public static int idOffset(){
        return (int) MY_STRUCT_LAYOUT.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id"));
    }

    public static int xOffset(){
        return (int) MY_STRUCT_LAYOUT.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("position"),MemoryLayout.PathElement.groupElement("x"));
    }

    public static int yOffset(){
        return (int) MY_STRUCT_LAYOUT.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("position"),MemoryLayout.PathElement.groupElement("y"));
    }

    public static long sizeof(){
        return MY_STRUCT_LAYOUT.byteSize();
    }
}

在这个例子中：

  • 我们首先定义了 Point 结构体的 MemoryLayout。
  • 然后，我们使用 POINT_LAYOUT.withName("position") 将 Point 结构体嵌入到 MyStruct 结构体中。
  • 访问嵌套字段时，VarHandle需要指定嵌套的PathElement。

5. 使用 MemorySegment 访问 Native Structs

有了 Native Structs 的 Java 表示，我们就可以使用 MemorySegment 来访问它们的成员了。

5.1 创建 MemorySegment

首先，我们需要创建一个 MemorySegment，指向包含 Native Structs 的内存区域。 这可以通过多种方式实现，例如：

  • 从堆外内存分配: 使用 MemorySegment.allocateNative(size) 分配指定大小的堆外内存。
  • 包装现有的内存地址: 使用 MemorySegment.ofAddress(address, size, scope) 包装现有的内存地址。

5.2 读取和写入 Struct 成员

创建 MemorySegment 后，我们可以使用 VarHandle 和偏移量来读取和写入 Struct 成员。

下面是一个完整的示例，演示如何使用 MemorySegment 访问前面定义的 MyStruct 结构体：

import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.VarHandle;

public class MemorySegmentExample {

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // 1. 分配堆外内存
        long structSize = MyStructLayout.sizeof();
        MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(structSize, ResourceScope.newConfinedScope());

        // 2. 获取 VarHandle
        VarHandle idHandle = MyStructLayout.idHandle;
        VarHandle valueHandle = MyStructLayout.valueHandle;

        // 3. 获取偏移量
        int idOffset = MyStructLayout.idOffset();
        int valueOffset = MyStructLayout.valueOffset();

        // 4. 写入数据
        idHandle.set(segment, (int)123);
        valueHandle.set(segment, (double)456.789);

        // 5. 读取数据
        int id = (int) idHandle.get(segment);
        double value = (double) valueHandle.get(segment);

        System.out.println("id: " + id);
        System.out.println("value: " + value);

        //释放内存
        segment.close();
    }
}

在这个例子中：

  • 我们使用 MemorySegment.allocateNative(structSize) 分配了一块大小为 structSize 的堆外内存，并创建了一个 MemorySegment 指向它。
  • 我们使用 MyStructLayout.idHandle和MyStructLayout.valueHandle分别获取了id和value字段的VarHandle
  • 我们使用idHandle.set(segment, (int)123) 和 valueHandle.set(segment, (double)456.789) 将数据写入到 MemorySegment 中。
  • 我们使用 id = (int) idHandle.get(segment) 和 value = (double) valueHandle.get(segment) 从 MemorySegment 中读取数据。
  • 最后我们使用segment.close()释放掉申请的堆外内存

5.3 访问嵌套结构体成员

访问嵌套结构体成员的方式与访问普通结构体成员类似，只需要使用正确的偏移量。 同样，VarHandle也需要指定嵌套的PathElement。

下面是一个示例，演示如何访问前面定义的包含嵌套结构体的 MyStruct 结构体：

import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.VarHandle;

public class NestedMemorySegmentExample {

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // 1. 分配堆外内存
        long structSize = NestedStructLayout.sizeof();
        MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(structSize, ResourceScope.newConfinedScope());

        // 2. 获取 VarHandle
        VarHandle idHandle = NestedStructLayout.idHandle;
        VarHandle xHandle = NestedStructLayout.xHandle;
        VarHandle yHandle = NestedStructLayout.yHandle;

        // 3. 获取偏移量
        int idOffset = NestedStructLayout.idOffset();
        int xOffset = NestedStructLayout.xOffset();
        int yOffset = NestedStructLayout.yOffset();

        // 4. 写入数据
        idHandle.set(segment, (int)123);
        xHandle.set(segment, (int)456);
        yHandle.set(segment, (int)789);

        // 5. 读取数据
        int id = (int) idHandle.get(segment);
        int x = (int) xHandle.get(segment);
        int y = (int) yHandle.get(segment);

        System.out.println("id: " + id);
        System.out.println("x: " + x);
        System.out.println("y: " + y);

        //释放内存
        segment.close();
    }
}

6. 与 Native 函数交互

MemorySegment 不仅可以用于访问 Native Structs，还可以用于与 Native 函数交互。 我们可以将 MemorySegment 作为参数传递给 Native 函数，或者从 Native 函数接收 MemorySegment 作为返回值。

6.1 定义 Native 函数的 Java 表示

在使用 FFM API 调用 Native 函数之前，我们需要在 Java 中定义函数的表示。 这通常涉及使用 java.lang.foreign 包中的类，例如 FunctionDescriptor 和 Linker。

6.2 示例：调用一个简单的 Native 函数

假设我们有一个简单的 C 函数：

// native_function.c
#include <stdio.h>

typedef struct {
  int id;
  double value;
} MyStruct;

void print_struct(MyStruct* s) {
  printf("id: %d, value: %lfn", s->id, s->value);
}

我们可以在 Java 中使用 FFM API 来调用它：

import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.MethodHandle;

public class NativeFunctionExample {

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // 1. 加载 Native 库
        System.loadLibrary("native_function"); // 假设 native_function.dll/so 在 classpath 中

        // 2. 定义 FunctionDescriptor
        FunctionDescriptor functionDescriptor = FunctionDescriptor.ofVoid(
            ValueLayout.ADDRESS // MyStruct*
        );

        // 3. 获取 Native 函数的 MethodHandle
        Linker linker = Linker.nativeLinker();
        MethodHandle printStructHandle = linker.downcallHandle(
            "print_struct",
            functionDescriptor
        );

        // 4. 创建 MemorySegment
        long structSize = MyStructLayout.sizeof();
        MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(structSize, ResourceScope.newConfinedScope());

        // 5. 写入数据
        MyStructLayout.idHandle.set(segment, (int)123);
        MyStructLayout.valueHandle.set(segment, (double)456.789);

        // 6. 调用 Native 函数
        printStructHandle.invoke(segment.address());

        //释放内存
        segment.close();
    }
}

在这个例子中：

  • 我们首先使用 System.loadLibrary("native_function") 加载 Native 库。
  • 我们使用 FunctionDescriptor.ofVoid(ValueLayout.ADDRESS) 定义了 Native 函数的签名，其中 ValueLayout.ADDRESS 表示 MyStruct* 指针类型。
  • 我们使用 Linker.nativeLinker().downcallHandle("print_struct", functionDescriptor) 获取了 Native 函数的 MethodHandle。
  • 我们创建了一个 MemorySegment，并将数据写入其中。
  • 我们使用 printStructHandle.invoke(segment.address()) 调用 Native 函数，并将 MemorySegment 的地址作为参数传递给它。

7. 内存管理和 ResourceScope

在使用 MemorySegment 时，内存管理非常重要。 特别是对于堆外内存和本地内存，我们需要确保在使用完毕后释放它们，以避免内存泄漏。

ResourceScope 提供了一种管理 MemorySegment 生命周期的方式。 ResourceScope 可以与 MemorySegment 关联，当 ResourceScope 关闭时，与其关联的所有 MemorySegment 都会被自动释放。

ResourceScope 有以下几种类型：

  • Global Scope: 生命周期与整个应用程序相同。
  • Confined Scope: 生命周期由用户控制，需要手动关闭。
  • Automatic Scope: 生命周期与 try-with-resources 语句块相同。

在前面的示例中，我们使用 ResourceScope.newConfinedScope() 创建了一个 Confined Scope，并在 main 函数的末尾调用 segment.close() 手动释放了 MemorySegment。 更好的方式是使用 try-with-resources 语句块：

try (ResourceScope scope = ResourceScope.newConfinedScope()) {
    MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(structSize, scope);

    // ... 使用 MemorySegment ...

} // scope 会自动关闭，segment 也会被自动释放

8. 类型安全和 VarHandle

MemorySegment 结合 VarHandle 提供了类型安全的内存访问方式。 VarHandle 可以关联特定的数据类型，并在读取和写入内存时进行类型检查。

使用 VarHandle 可以避免以下错误：

  • 类型转换错误: VarHandle 确保读取和写入的数据类型与目标内存区域的数据类型匹配。
  • 字节序错误: VarHandle 可以处理不同平台的字节序差异。
  • 并发访问错误: VarHandle 提供了原子操作，可以安全地在多线程环境下访问内存。

9. 总结：MemorySegment 为 Native Structs 的类型安全访问提供了强大的支持

通过以上讨论，我们可以看到 Java Panama FFM API 提供的 MemorySegment，结合 ValueLayout、MemoryLayout 和 VarHandle，为我们提供了一种类型安全、高效、易于使用的访问 Native Structs 的方式。 它大大简化了与 Native 代码的交互，并减少了 JNI 带来的复杂性和安全风险。 使用 ResourceScope 能够更好地管理内存，避免内存泄漏。 这些特性使得 Panama FFM API 成为 Java 与 Native 代码交互的首选方案。

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