JNI(Java Native Interface)技術(shù)在嵌入式軟件開發(fā)中的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式軟件的基本體系結(jié)構(gòu)包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(RealTime operating Systerrl)、嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式應(yīng)用程序編程接口(中間件)和嵌入式應(yīng)用程序。

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)用以及納米微電子技術(shù)的突破，正有力推動(dòng)著21世紀(jì)的工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動(dòng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和家庭生活等領(lǐng)域自動(dòng)化和信息化進(jìn)程。全過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)品制造、大范圍電子商務(wù)活動(dòng)、高度協(xié)同科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)代化家居生活，為嵌入式產(chǎn)品造就了嶄新而巨大的商機(jī)。除了溝通信息高速公路的交換機(jī)、路由器和調(diào)制解調(diào)器，構(gòu)建計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)所需的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)DCS(Data Communication System)和機(jī)器人以及規(guī)模較大的家用汽車電子系統(tǒng)，最有產(chǎn)量效益和時(shí)代特征的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)數(shù)因特網(wǎng)上的信息家電(information appliances），如網(wǎng)絡(luò)可視電話、網(wǎng)絡(luò)游戲機(jī)、電子商務(wù)、商務(wù)通(PDA)、移動(dòng)電話以及多媒體產(chǎn)品(如電視機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)、電子閱讀機(jī))。

眾所周知，“一次編程，到處使用”的Java軟件概念原本就是針對(duì)網(wǎng)上嵌入式小設(shè)備提出的，幾經(jīng)周折，目前SUN公司已推出了J2ME(Java 2 P1atform Micro Edition)針對(duì)信息家電的Java版本，其技術(shù)日趨成熟，開始投入使用。SUN公司Java虛擬機(jī)(JVM)技術(shù)的有序開放，使得Java軟件真正實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行，即Java應(yīng)用小程序能夠在帶有JVM的任何硬軟件系統(tǒng)上執(zhí)行。加上Java語(yǔ)言本身所具有的安全性、可靠性和可移植性等特點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)瘦身上網(wǎng)的信息家電等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備十分有利，同時(shí)對(duì)嵌入式設(shè)備特別是上網(wǎng)設(shè)備軟件編程技術(shù)產(chǎn)生了很大的影響。

1 Java的性能問(wèn)題及幾種解決方案

Java程序也有其本身的缺陷，那就是其效率問(wèn)題。由于Java是一種介于解釋型和編譯型之間的語(yǔ)言，其對(duì)內(nèi)存的管理是通過(guò)JVM虛擬機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同樣的程序，如果用編譯型語(yǔ)言C來(lái)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)行速度一般要比Java快得多。因此，提高Java的性能就顯得十分重要。

迄今為止，人們?yōu)樘岣逬ava的運(yùn)行速度而做出的許多努力，主要集中在程序設(shè)計(jì)的方法和模式選擇方面。但是由于算法和設(shè)計(jì)模式的優(yōu)化是通用的，對(duì)Java有效的優(yōu)化算法和設(shè)計(jì)模式，對(duì)其他編譯語(yǔ)言也基本適用，因此不能從根本上改變Java程序與編譯型語(yǔ)言在執(zhí)行效率方面的差異。

另外，JIT(Just In Time，及時(shí)編譯)技術(shù)也是一個(gè)比較好的思想。它的基本原理是，首先，通過(guò)Java編譯器把Java源代碼編譯成與平臺(tái)無(wú)關(guān)的二進(jìn)制字節(jié)碼。然后，在Java程序真正執(zhí)行之前，系統(tǒng)通過(guò)JIT編譯器把Java的字節(jié)碼編譯為本地化機(jī)器碼。最后，系統(tǒng)執(zhí)行本地化機(jī)器碼，不用對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行解釋。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，大大提高了Java程序的性能，縮短了加載程序的時(shí)間；同時(shí)，由于編譯的結(jié)果并不在程序運(yùn)行期間保存，因此也節(jié)約了存儲(chǔ)空間。缺點(diǎn)是，由于JIT編譯器對(duì)所有的代碼都想優(yōu)化，因此同樣也占用了很多時(shí)間。

動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)即提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(dynamicopttmization，ahead of time technology)是提高Java性能的另一個(gè)嘗試。動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)充分利用了Java源碼編譯、字節(jié)碼編譯、動(dòng)態(tài)編譯和靜態(tài)編譯的技術(shù)。其輸入是Java的源碼或字節(jié)碼。而輸出是經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的可執(zhí)行代碼和動(dòng)態(tài)庫(kù)(WindoW中是．dil文件，UNIX中是共享庫(kù).a.so文件)。其優(yōu)點(diǎn)是能大大提高程序的性能，缺點(diǎn)是破壞了Java的可移植性，也對(duì)Java的安全帶來(lái)了一定的隱患。

2 JNI技術(shù)

實(shí)際上，有一種通常被忽視的技術(shù)可以在很大程度上解決這個(gè)難題，那就是JNI(Java Native Interface，Java本地化方法)。圖1是JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一般步驟。

(1)編寫Java類代碼

其中，需要JNI實(shí)現(xiàn)的方法應(yīng)當(dāng)用native關(guān)鍵字聲明。在該類中，用System．1oadLibrary()方法加載需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。關(guān)鍵代碼如下：
／／Compute.java
public class Compute{
public native double comp (double params);
static{
／／調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)
System．loadLibrary(“mathlib”)；
}

(2)編譯成字節(jié)代碼

在這個(gè)過(guò)程中，由于采用了native關(guān)鍵字聲明，Java編譯器會(huì)忽視沒(méi)有代碼體的JNI方法部分。

(3)生成相關(guān)JNI方法的頭文件

這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)一般是通過(guò)利用jlavah-jni * class生成的，也可以手工生成該文件；但是由于Java虛擬機(jī)是根據(jù)一定的命名規(guī)范完成對(duì)JNI方法的調(diào)用，所以手工編寫頭文件需要特別小心。
上述文件產(chǎn)生的頭文件部分代碼如下：
／／Compute.h
;
extern“C”{
JNIEXPORT jdoubleJNICALL Java_Compute_comp(JNI-Env *, jobject, jdoubleArray)；
;

JNI函數(shù)名稱分為三部分：首先是Java關(guān)鍵字，供Java虛擬機(jī)識(shí)別；然后是調(diào)用者類名稱(全限定的類名，其中用下劃線代替名稱分隔符)；最后是對(duì)應(yīng)的方法名稱，各段名稱之間用下劃線分割。

JNI函數(shù)的參數(shù)也由三部分組成：首先是JNIEnv *,是一個(gè)指向JNI運(yùn)行環(huán)境的指針；第二個(gè)參數(shù)隨本地方法是靜態(tài)還是非靜態(tài)而有所不同一一非靜態(tài)本地方法的第二個(gè)參數(shù)是對(duì)對(duì)象的引用，而靜態(tài)本地方法的第二個(gè)參數(shù)是對(duì)其Java類的引用；其余的參數(shù)對(duì)應(yīng)通常Java方法的參數(shù)，參數(shù)類型需要根據(jù)一定規(guī)則進(jìn)行映射。

(4)編寫相應(yīng)方法的實(shí)現(xiàn)代碼

在編碼過(guò)程中，需要注意變量的長(zhǎng)度問(wèn)題，例如Java的整型變量長(zhǎng)度為32位，而C語(yǔ)言為16位，所以要仔細(xì)核對(duì)變量類型映射表，防止在傳值過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。

(5)將JNI實(shí)現(xiàn)代碼編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

編譯過(guò)程是利用C／C++編譯器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)要使用生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)時(shí)，調(diào)用者類中需要顯式調(diào)用該鏈接庫(kù)。

經(jīng)過(guò)上述處理，基本上完成了一個(gè)包含本地化方法的Java類的開發(fā)。

3 基于JNI的嵌入式手機(jī)軟件開發(fā)實(shí)例

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)描述運(yùn)用JNI技術(shù)在手機(jī)上操縱攝像頭，捕捉視頻并存儲(chǔ)圖片的過(guò)程。

(1)活動(dòng)／狀態(tài)圖

圖2為捕捉視頻并存儲(chǔ)圖片的活動(dòng)／狀態(tài)圖

根據(jù)圖2的活動(dòng)／狀態(tài)，具體的對(duì)應(yīng)步驟如下：

①發(fā)起該流程。

②發(fā)起流程后，建立文件用于存儲(chǔ)圖片。

③用指針獲得分配的緩沖器，用于存儲(chǔ)獲得的幀。

④將指針壓棧(序列化緩沖器)。由于手機(jī)的內(nèi)存較小，為了防止內(nèi)存泄漏，Symbian操作系統(tǒng)有一個(gè)Cleanup stack的要求，即在使用指針時(shí)，用PushL把指針壓入棧中，使用完后再用Pop彈出棧．如果在中間調(diào)用導(dǎo)致崩潰的函數(shù)時(shí)果真出現(xiàn)了問(wèn)題，那么Clean up stack可以通過(guò)調(diào)用該指針的析構(gòu)函數(shù)回收占用的空間。

⑤操縱攝像頭，捕捉視頻，并將圖像流從攝像頭端傳到緩沖器。

⑥將攝像頭內(nèi)的圖像流存入緩沖器內(nèi)，并將緩沖器內(nèi)的流轉(zhuǎn)化為文件流，存為jpg格式的文件，將指向緩沖器的指針彈棧。

⑦在過(guò)程⑥中，如果使用完了序列化的緩沖器，則要重新序列化緩沖器，以備后面使用。

⑧當(dāng)接收到停止視頻捕捉的信號(hào)后，關(guān)閉文件。

⑨流程結(jié)束。

(2)運(yùn)用JNI技術(shù)的視頻捕捉

子功能捕捉視頻的實(shí)現(xiàn)是由操縱攝像頭、視頻播放(解碼器準(zhǔn)備)以及建立攝像頭和手機(jī)之間的連接會(huì)話三個(gè)活動(dòng)組成的。其中操縱攝像頭是通過(guò)調(diào)用底層設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要利用JNI來(lái)實(shí)現(xiàn)，完成的方法包括準(zhǔn)備、建立、刪除、銷毀攝像頭等。視頻播放的一系列過(guò)程也是通過(guò)c++代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，除了準(zhǔn)備、建立、刪除、銷毀解碼器外，還有開始、暫停、停止解碼等。建立攝像頭和手機(jī)之間的連接類似建立客戶端和服務(wù)器連接，視頻流從攝像頭傳到手機(jī)界面是通過(guò)多媒體會(huì)話來(lái)完成的。多媒體會(huì)話的建立、關(guān)閉、摧毀以及會(huì)話建立后的發(fā)送、取消、讀取數(shù)據(jù)等也是JNI的應(yīng)用范疇。

結(jié) 語(yǔ)

主張采用純Java的人們通常反對(duì)本地化代碼的使用，認(rèn)為JNI技術(shù)會(huì)影響程序的可移植性和安全性。還有一些人認(rèn)為，在Java程序執(zhí)行的過(guò)程中調(diào)用c／c++程序只是對(duì)過(guò)去混合編程技術(shù)的簡(jiǎn)單擴(kuò)展，其實(shí)際目的是為了充分利用大量原有的c程序庫(kù)。

其實(shí)，不必拘泥于嚴(yán)格的平臺(tái)獨(dú)立性限制，因?yàn)椴捎肑NI技術(shù)只是針對(duì)一些嚴(yán)重影響Java性能的代碼段。該部分可能只占源程序的極少部分，所以幾乎可以不考慮該部分代碼在主流平臺(tái)之間移植的工作量。同時(shí)，也不必過(guò)分擔(dān)心類型匹配問(wèn)題，完全可以控制代碼不出現(xiàn)這種錯(cuò)誤。此外，也不必?fù)?dān)心安全控制問(wèn)題，因?yàn)镴ava安全模型已擴(kuò)展為允許非系統(tǒng)類加載和調(diào)用本地方法，即如果在Java程序中直接調(diào)用c／c++語(yǔ)言產(chǎn)生的機(jī)器碼，該部分代碼的安全性就由Java虛擬機(jī)控制。