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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 实现对原生结构体（Native Structs）的类型安全访问。

传统的JNI（Java Native Interface）在Java和原生代码之间架起桥梁，允许Java代码调用C/C++等原生库。然而，JNI存在一些固有的问题，例如开发和维护成本高昂、容易出错、性能开销较大等。Panama项目旨在提供一种更现代、更高效、更安全的替代方案。FFM API作为Panama项目的重要组成部分，致力于简化原生代码的互操作性，并提升性能和安全性。

FFM API 的核心概念

在深入探讨结构体访问之前，我们先来回顾一下FFM API的核心概念：

  • MemorySegment: MemorySegment 是 FFM API 中最重要的概念之一。它代表一块连续的、可管理的内存区域。它可以指向堆内内存、堆外内存，甚至可以直接映射到文件。MemorySegment 提供了安全、高效的内存访问方式。MemorySegment是不可变的，这意味着一旦创建，就不能更改其大小或位置。
  • Arena: Arena 是一个资源管理机制，用于控制 MemorySegment 的生命周期。通过将 MemorySegment 与 Arena 关联，可以确保在 Arena 关闭时，所有相关的内存资源都会被释放，避免内存泄漏。
  • FunctionDescriptor: FunctionDescriptor 描述了原生函数的参数类型和返回值类型。它用于在Java代码中声明原生函数的签名。
  • Linker: Linker 负责将Java代码中声明的原生函数与实际的原生库中的函数绑定起来。它利用 FunctionDescriptor 提供的信息，进行参数转换和调用。
  • ValueLayout: ValueLayout 描述了内存中数据的布局方式，包括数据类型的大小、对齐方式等。它是实现类型安全访问的关键。

访问原生结构体：传统 JNI 的痛点

在传统的JNI方法中，访问原生结构体通常需要以下步骤：

  1. 定义Java类: 创建一个Java类来表示原生结构体。这个类通常包含与原生结构体成员对应的字段。
  2. 编写JNI代码: 编写JNI代码，使用JNI函数来访问原生结构体的成员。这通常涉及到 GetFieldID、GetIntField、SetFloatField 等函数。
  3. 处理内存: 需要手动分配和释放原生结构体所需的内存。

这种方法存在以下问题：

  • 代码冗长: 需要编写大量的JNI代码，包括头文件、C/C++代码和Java代码。
  • 容易出错: JNI代码容易出错，例如内存泄漏、空指针异常等。
  • 性能开销: JNI调用会带来一定的性能开销，包括参数转换和上下文切换。
  • 类型不安全: JNI代码中存在类型转换，容易导致类型不匹配的错误。例如，将一个int值赋值给一个float字段。

使用 FFM API 实现类型安全的结构体访问

FFM API 提供了一种更简洁、更安全的方式来访问原生结构体。它利用 MemorySegment 和 ValueLayout，实现了类型安全的内存访问。

以下是一个示例，演示如何使用 FFM API 访问一个简单的原生结构体：

1. 定义原生结构体 (C 代码)

// struct.h
#ifndef STRUCT_H
#define STRUCT_H

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

#endif

2. 创建一个包含使用结构体方法的 C 代码 (C 代码)

// struct.c
#include "struct.h"

MyStruct create_struct(int id, float value) {
    MyStruct s;
    s.id = id;
    s.value = value;
    return s;
}

int get_id(MyStruct s) {
    return s.id;
}

float get_value(MyStruct s) {
    return s.value;
}

void update_struct(MyStruct *s, int new_id, float new_value) {
    s->id = new_id;
    s->value = new_value;
}

编译成动态链接库：

gcc -shared -o libstruct.so struct.c

3. Java 代码

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

public class StructExample {

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // 1. 加载原生库
        System.loadLibrary("struct"); //  确保 libstruct.so 在 JVM 的库搜索路径中

        // 2. 定义结构体布局
        GroupLayout myStructLayout = MemoryLayout.structLayout(
                ValueLayout.JAVA_INT.withName("id"),
                ValueLayout.JAVA_FLOAT.withName("value")
        );

        // 3. 获取结构体成员的偏移量
        long idOffset = myStructLayout.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id"));
        long valueOffset = myStructLayout.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("value"));

        // 4. 定义函数描述符
        FunctionDescriptor createStructDescriptor = FunctionDescriptor.of(
                myStructLayout,
                ValueLayout.JAVA_INT,
                ValueLayout.JAVA_FLOAT
        );

        FunctionDescriptor getIdDescriptor = FunctionDescriptor.of(
                ValueLayout.JAVA_INT,
                myStructLayout
        );

        FunctionDescriptor getValueDescriptor = FunctionDescriptor.of(
                ValueLayout.JAVA_FLOAT,
                myStructLayout
        );

        FunctionDescriptor updateStructDescriptor = FunctionDescriptor.ofVoid(
                myStructLayout.withTargetLayout(MemoryLayout.ADDRESS), // 传递指针
                ValueLayout.JAVA_INT,
                ValueLayout.JAVA_FLOAT
        );

        // 5. 获取 Linker 实例
        Linker linker = Linker.nativeLinker();

        // 6. 查找原生函数
        MethodHandle createStructHandle = linker.downcallHandle(
                SymbolLookup.loaderLookup().find("create_struct").orElseThrow(),
                createStructDescriptor
        );

        MethodHandle getIdHandle = linker.downcallHandle(
                SymbolLookup.loaderLookup().find("get_id").orElseThrow(),
                getIdDescriptor
        );

        MethodHandle getValueHandle = linker.downcallHandle(
                SymbolLookup.loaderLookup().find("get_value").orElseThrow(),
                getValueDescriptor
        );

        MethodHandle updateStructHandle = linker.downcallHandle(
                SymbolLookup.loaderLookup().find("update_struct").orElseThrow(),
                updateStructDescriptor
        );

        // 7. 分配内存
        try (Arena arena = Arena.openConfined()) {
            MemorySegment myStructSegment = arena.allocate(myStructLayout);

            // 8. 调用原生函数创建结构体
            Object myStruct = createStructHandle.invoke(10, 3.14f);
            myStructSegment.copyFrom((MemorySegment) myStruct);

            // 9. 读取结构体成员
            int id = (int) getIdHandle.invoke(myStructSegment);
            float value = (float) getValueHandle.invoke(myStructSegment);

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

            // 10. 更新结构体成员
            updateStructHandle.invoke(myStructSegment.address(), 20, 6.28f);

            // 11. 再次读取结构体成员
            int newId = (int) getIdHandle.invoke(myStructSegment);
            float newValue = (float) getValueHandle.invoke(myStructSegment);

            System.out.println("New ID: " + newId);
            System.out.println("New Value: " + newValue);

             // 直接访问 MemorySegment 设置值 (更推荐的方式)
            myStructSegment.set(ValueLayout.JAVA_INT, idOffset, 30);
            myStructSegment.set(ValueLayout.JAVA_FLOAT, valueOffset, 9.42f);

            // 再次读取
            int idFromSegment = myStructSegment.get(ValueLayout.JAVA_INT, idOffset);
            float valueFromSegment = myStructSegment.get(ValueLayout.JAVA_FLOAT, valueOffset);

            System.out.println("ID from segment: " + idFromSegment);
            System.out.println("Value from segment: " + valueFromSegment);

        } // Arena 关闭，自动释放内存
    }
}

代码解释:

  1. 加载原生库: 使用 System.loadLibrary("struct") 加载动态链接库 libstruct.so。确保该库位于 JVM 的库搜索路径中。
  2. 定义结构体布局: 使用 MemoryLayout.structLayout 定义原生结构体的内存布局。ValueLayout.JAVA_INT 和 ValueLayout.JAVA_FLOAT 分别表示 int 和 float 类型的成员。 withName 方法为成员指定名称，方便后续访问。
  3. 获取成员偏移量: 使用 myStructLayout.byteOffset 获取每个成员相对于结构体起始位置的偏移量。 MemoryLayout.PathElement.groupElement("id") 用于指定要获取偏移量的成员名称。
  4. 定义函数描述符: 使用 FunctionDescriptor.of 定义原生函数的参数类型和返回值类型。例如，createStructDescriptor 描述了 create_struct 函数，它接受一个 int 和一个 float 作为参数，并返回一个 MyStruct 结构体。
  5. 获取 Linker 实例: 使用 Linker.nativeLinker() 获取一个 Linker 实例，用于绑定原生函数。
  6. 查找原生函数: 使用 SymbolLookup.loaderLookup().find("create_struct").orElseThrow() 查找名为 create_struct 的原生函数。SymbolLookup 用于在原生库中查找符号。
  7. 分配内存: 使用 Arena.openConfined() 创建一个 Arena，并使用 arena.allocate(myStructLayout) 在 Arena 中分配一块内存，用于存储 MyStruct 结构体。Arena.openConfined() 创建一个线程限制的 Arena，当try-with-resources块结束时，自动释放所有分配的内存，防止内存泄漏。
  8. 调用原生函数创建结构体: 使用 createStructHandle.invoke(10, 3.14f) 调用 create_struct 函数，并将返回的结构体复制到 myStructSegment 中。 注意，createStructHandle.invoke 返回的是一个 Object，需要强制转换为 MemorySegment。
  9. 读取结构体成员: 使用 getIdHandle.invoke(myStructSegment) 和 getValueHandle.invoke(myStructSegment) 调用 get_id 和 get_value 函数，读取结构体成员的值。
  10. 更新结构体成员: 使用 updateStructHandle.invoke(myStructSegment.address(), 20, 6.28f) 调用 update_struct 函数，更新结构体成员的值。 注意，update_struct 函数需要传递结构体的指针，因此需要使用 myStructSegment.address() 获取结构体的地址。
  11. 直接访问 MemorySegment 设置值: 使用 myStructSegment.set(ValueLayout.JAVA_INT, idOffset, 30) 和 myStructSegment.set(ValueLayout.JAVA_FLOAT, valueOffset, 9.42f) 直接设置 MemorySegment 中对应偏移量的值。 这种方式更加高效，因为它避免了调用原生函数。
  12. Arena 关闭: 当 try-with-resources 块结束时，Arena 会自动关闭，释放所有相关的内存资源。

类型安全: ValueLayout 确保了对结构体成员的类型安全访问。例如，如果尝试将一个 String 值赋值给一个 int 字段，编译器会报错。

优点:

  • 代码简洁: 使用 FFM API 可以避免编写大量的JNI代码。
  • 类型安全: ValueLayout 提供了类型安全保障。
  • 性能提升: FFM API 可以减少JNI调用的开销。
  • 易于维护: FFM API 使得代码更易于理解和维护。

表格：传统 JNI vs. FFM API

特性 传统 JNI FFM API
代码量 大量 较少
类型安全 弱 强
性能 较差 较好
维护性 差 好
学习曲线 陡峭 相对平缓
内存管理 手动 自动 (通过 Arena)
错误倾向性 高 低

结构体数组的访问

FFM API 也支持对结构体数组的访问。以下是一个示例：

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

public class StructArrayExample {

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // 1. 加载原生库
        System.loadLibrary("struct");

        // 2. 定义结构体布局
        GroupLayout myStructLayout = MemoryLayout.structLayout(
                ValueLayout.JAVA_INT.withName("id"),
                ValueLayout.JAVA_FLOAT.withName("value")
        );

        // 3. 定义数组长度
        int arrayLength = 3;

        // 4. 创建数组布局
        SequenceLayout myArrayLayout = MemoryLayout.sequenceLayout(arrayLength, myStructLayout);

        // 5. 定义函数描述符 (假设有一个返回结构体数组的函数)
        FunctionDescriptor getStructArrayDescriptor = FunctionDescriptor.of(
                myArrayLayout.withTargetLayout(MemoryLayout.ADDRESS), // 返回结构体数组的指针
                ValueLayout.JAVA_INT // 数组长度
        );

         // 假设有一个 C 函数可以初始化结构体数组，这里先忽略具体实现
        // C 代码示例 (仅供参考):
        // MyStruct* create_struct_array(int length) {
        //     MyStruct* arr = (MyStruct*) malloc(sizeof(MyStruct) * length);
        //     for (int i = 0; i < length; i++) {
        //         arr[i].id = i;
        //         arr[i].value = i * 1.0f;
        //     }
        //     return arr;
        // }

        // 6. 获取 Linker 实例
        Linker linker = Linker.nativeLinker();

        // 7. 查找原生函数
        // 为了演示方便，这里假设存在一个名为 `create_struct_array` 的 C 函数
        // 该函数接受数组长度作为参数，返回指向结构体数组的指针
        // 实际使用时需要根据你的 C 代码进行修改
        // 这里先注释掉，因为没有实际的 C 函数实现，避免报错
        /*
        MethodHandle getStructArrayHandle = linker.downcallHandle(
                SymbolLookup.loaderLookup().find("create_struct_array").orElseThrow(),
                getStructArrayDescriptor
        );
        */

        // 8. 分配内存
        try (Arena arena = Arena.openConfined()) {
            MemorySegment myArraySegment = arena.allocate(myArrayLayout);
            // 9. 调用原生函数获取结构体数组指针 (由于没有实际的 C 函数，这里先手动初始化)
            // MemorySegment structArrayPointer = (MemorySegment) getStructArrayHandle.invoke(arrayLength); // 调用 C 函数

            // 手动初始化 MemorySegment (替代 C 函数)
            for (int i = 0; i < arrayLength; i++) {
                long elementOffset = i * myStructLayout.byteSize();
                myArraySegment.set(ValueLayout.JAVA_INT, elementOffset + myStructLayout.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id")), i);
                myArraySegment.set(ValueLayout.JAVA_FLOAT, elementOffset + myStructLayout.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("value")), i * 1.0f);
            }

            // 10. 访问结构体数组的元素
            for (int i = 0; i < arrayLength; i++) {
                long elementOffset = i * myStructLayout.byteSize();
                int id = myArraySegment.get(ValueLayout.JAVA_INT, elementOffset + myStructLayout.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("id")));
                float value = myArraySegment.get(ValueLayout.JAVA_FLOAT, elementOffset + myStructLayout.byteOffset(MemoryLayout.PathElement.groupElement("value")));

                System.out.println("Element " + i + ": ID = " + id + ", Value = " + value);
            }

            // 11. 释放内存 (如果 getStructArrayHandle 返回指针，则需要手动释放 C 代码分配的内存)
            //  如果 C 代码中使用了 malloc 分配内存，需要通过另一个 FFM 调用 free 函数来释放
        }
    }
}

代码解释:

  1. 创建数组布局: 使用 MemoryLayout.sequenceLayout 创建一个结构体数组的布局。MemoryLayout.sequenceLayout(arrayLength, myStructLayout) 表示创建一个包含 arrayLength 个 myStructLayout 结构体的数组。
  2. 定义函数描述符: 定义一个函数描述符，描述返回结构体数组的函数的参数和返回值类型。
  3. 分配内存: 使用 arena.allocate(myArrayLayout) 分配一块内存，用于存储结构体数组。
  4. 访问数组元素: 通过循环遍历数组，并使用 myArraySegment.get 方法访问每个结构体成员。注意需要计算每个结构体在数组中的偏移量。

关键点:

  • MemoryLayout.sequenceLayout 用于定义数组的布局。
  • 访问数组元素时，需要计算每个元素在内存中的偏移量。

总结：FFM API 带来的便利和优势

通过使用 Java Panama FFM API 和 MemorySegment，我们可以以一种类型安全、高效且易于维护的方式访问原生结构体。这不仅简化了与原生代码的互操作性，还降低了开发成本和风险，同时提升了应用程序的性能。 FFM API 相比传统的 JNI 提供了更现代化的解决方案。

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