• elasticsearch之Java调用本地代码


    虽然Java虚拟机为开发人员屏蔽了底层的实现细节,使得开发人员不用考虑底层操作系统的差异性。不过在某些应用程序中,还是免不了要直接与底层操作系统上的原生代码进行交互。今天我们就来看一下Java对本地调用提供的支持。

    一、为什么要进行本地调用

    1.基于性能的考虑

    Java语言从其运行速度上来说,在大多数方面是慢于底层操作系统上原生的C和C++等语言的。这主要是由于Java虚拟机这个中间层次的存在。如果完全用Java语言实现的性能无法达到程序的预期要求,可以选择把部分重要且耗时的代码用C或C++来实现。

    2.基于某些特殊的需求

    Java平台提供的标准类库的功能很强大,包括了在开发中可能遇到的大部分功能。但是仍然有一些功能无法用标准API来实现,主要是一些与底层硬件平台直接交互的功能。Java虚拟机没有把这一部分功能暴露给运行在其上的程序。如果需要这方面的功能,那么只能使用原生代码来进行开发。

    3.与已有的使用原生代码编写的程序之间进行集成。

    如果Java程序需要与底层操作系统上由C和C++语言开发的程序进行交互,那么可以进行本地调用。

    我们平时的开发更多的情况是后边两种情况;在elasticsearch中基本上是属于第二种情况。

    二、使用JNI实现本地调用

    针对以上提到的各种情况,Java提供了JNI(Java Native Interface)和JNA(Java Native Access)两种方式,其中JNI的一个重要使用场景是提高程序的性能。当对程序中关键部分的性能要求比较高的时候,可以使用C和C++代码来实现。

    我们先来看下怎么使用JNI来进行本地调用。

    首先我们需要有一个Java类来声明本地方法,并负责加载本地代码库。本地方法与Java接口中的方法或抽象类中的抽象方法一样,只包含方法声明,没有相关的实现。程序中的其他部分可以用正常的方法调用本地方法,比如参数传递和返回值使用等都与正常的方法相同。当虚拟机在执行本地方法时,会尝试在已经加载的本地代码库中查找本地方法的对应实现。在查找到对应的实现方法之后,虚拟机会负责进行参数传递、实际方法调用和返回值传递等工作。

    public class HelloNative {
        static{
            System.loadLibrary("greetLib");
        }
    
        public static native  void greeting();
    }
    

    下一步要编写实现本地方法的C/C++代码。Java提供的命令行工具根据Java源代码生成C/C++代码所需的头文件。对于本地方法,头文件中会包含相关的方法声明与其对应。

    F:sourceJNIsrc>javac -h . .HelloNative.java
    

    通过下边自动生成的头文件,我们可以看到这里有很多的隐式约定,我们只要按照这个声明进行实现即可,具体的规则不是今天的重点,不进行详述。

    /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
    #include <jni.h>
    /* Header for class HelloNative */
    
    #ifndef _Included_HelloNative
    #define _Included_HelloNative
    #ifdef __cplusplus
    extern "C" {
    #endif
    /*
     * Class:     HelloNative
     * Method:    greeting
     * Signature: ()V
     */
    JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloNative_greeting
      (JNIEnv *, jclass);
    
    #ifdef __cplusplus
    }
    #endif
    #endif
    
    

    三、elasticsearch使用JNA实现本地调用

    通过上边对JNI的简单了解,我们更多的时候碰到的情况是,在编写Java程序之前,就已经有了可以使用的本地代码库。这个本地代码库可能是程序的一部分,也可能是底层操作系统自带的。这些本地代码库的特点是在实现的时候并没有考虑与Java虚拟机的集成,因此也没有使用与JNI相关的内容。在使用这样的本地代码库时,我们就需要一个中间的本地代码库作为桥梁。这个本地代码库作为Java程序中本地方法的实现,负责实际调用时的参数类型转换和返回值传递等工作。这个过程是十分的繁琐的,Java提供了JNA来支持这种情况。

    我们知道elasticsearch启动的时候需要检测当前用户是否是root用户,这个检测是直接调用的底层操作系统的代码,我们来看下elasticsearch是怎样使用JNA实现的。

    首先elasticsearch提供了Natives类,作为调用本地方法的入口,并负责检测JNA的可用性。

        static {
            boolean v = false;
            try {
                // load one of the main JNA classes to see if the classes are available. this does not ensure that all native
                // libraries are available, only the ones necessary by JNA to function
                Class.forName("com.sun.jna.Native");
                v = true;
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                logger.warn("JNA not found. native methods will be disabled.", e);
            } catch (UnsatisfiedLinkError e) {
                logger.warn("unable to load JNA native support library, native methods will be disabled.", e);
            }
            JNA_AVAILABLE = v;
        }
    

    检测JNA是否可用,然后再调用JNANatives的对用方法

        static boolean definitelyRunningAsRoot() {
            if (!JNA_AVAILABLE) {
                logger.warn("cannot check if running as root because JNA is not available");
                return false;
            }
            return JNANatives.definitelyRunningAsRoot();
        }
    

    在JNANatives的definitelyRunningAsRoot中,如果是非windows系统,则调用
    JNACLibrary.geteuid

    /** Returns true if user is root, false if not, or if we don't know */
        static boolean definitelyRunningAsRoot() {
            if (Constants.WINDOWS) {
                return false; // don't know
            }
            try {
                return JNACLibrary.geteuid() == 0;
            } catch (UnsatisfiedLinkError e) {
                // this will have already been logged by Kernel32Library, no need to repeat it
                return false;
            }
        }
    

    elasticsearch使用JNAKernel32Library来封装对windows的Kernel32的调用,使用 JNACLibrary来封装对非windows系统的libc的调用

        static {
            try {
                Native.register("c");
            } catch (UnsatisfiedLinkError e) {
                logger.warn("unable to link C library. native methods (mlockall) will be disabled.", e);
            }
        }
    
        static native int mlockall(int flags);
    
        static native int geteuid();
    

    四、总结

    1. JNI更适合使用本地调用来解决对性能有更高要求的场景,需要我们自己使用C或者C++来实现处理逻辑。
    2. 对于调用已有的本地库的方法或者操作系统的方法,使用JNA更为方便便捷。
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