Presentacion 1s5w12

Integración Java + C 

Introducción



Integración de Java y C



Java Native Acces (JNA)



Java Native Interface (JNI)



Conclusiones

Programación en Java 

¿Qué es Java?  

Un lenguaje de programación Una tecnología de desarrollo de aplicaciones  





Máquina Virtual (JVM) Librería estándar

Publicado en 1996 por Sun Microsystems El lenguaje de programación fue diseñado por James Gosling

Programación en Java 



Un programa en Java se compila a un código máquina independiente de la plataforma (bytecode) Para ejecutar una aplicación Java se necesita un entorno de ejecución de Java (JRE) 

JRE = JVM + Librerías Duke (mascota de Java)

Programación en Java 

Sun distribuye un JRE para cada una de las plataformas hardware y sistemas operativos más importantes Linux, Windows, Solaris...  x86, AMD64, Sparc... Apple distribuye un JRE para MacOS X 





IBM y otras empresas también tienen JREs

Programación en Java 

¿Cómo se ejecuta un programa Java? 

¿Java es interpretado? → No



¿Java es compilado? → No



¿Entonces? 





Java utiliza una tecnología llamada Compilación JIT (Just In Time) que ”compila” el código bytecode a código máquina de la plataforma En realidad es una transformación muy rápida porque el bytecode es muy similar al código máquina Existen algunos prototipos de JRE para compilar antes y guardar un formato binario específico de la plataforma. Compilación AOT (Ahead Of Time)

Programación en C/C++ 







C es un lenguaje de programación de muy bajo nivel y muy cercano a la máquina Diseñado en 1972 por Dennis Ritchie para la programación de sistemas operativos 1980 Estandarización de C → ANSI C A mediados de los 80 Bjarne Stroustrup diseña C++, versión de C orientada a objetos

Programación en C/C++ 

C/C++ son lenguajes de programación de bajo nivel que se compilan en código máquina específico de la plataforma y el sistema operativo 



Cuando se ”compila” se genera código máquina específico de la arquitectura (x86, AMD64, PowerPC...) Cuando se ”enlaza” el código compilado se genera un fichero específico de la arquitectura y del sistema operativo

Programación en C/C++ 

Pese a que existen estándares, la realidad es que cada compilador de C/C++ tiene características específicas  





Compilador de Visual Studio (Windows) Compilador GCC (Linux, Windows con MinGW, ...) Compilador de Borland Builder (Windows)

Por lo general existen pequeñas incompatibilidades entre estos compiladores que hacen que un código C/C++ no sea ”independiente del compilador”

¿Por qué tiene interés...? 



Reusar código ya implementado en C o C++ (heredado) en nuevas aplicaciones en Java Acceder a características del sistema no disponibles en Java 



OpenCL, API gráfica, gestión de nombres cortos en Windows...

Implementar ciertas partes de la aplicación en C/C++ por eficiencia 

Tratamiento de imágenes, transcodificadores de vídeo...

Entorno de desarrollo 





Parece que todos estamos de acuerdo en que programar con un IDE es más productivo que programar en el vi ¿o no? Lo ideal es utilizar el mismo entorno para programar el código C/C++ y el código Java (aunque no es necesario) Ejemplos...

EclipseGavab 2.0 



Distribución de Eclipse orientada a la enseñanza Incluye todo lo necesario para programar en C/C++, Java, Pascal, ...

Integración Java + C 

Introducción



Integración de Java + C



Java Native Acces (JNA)



Java Native Interface (JNI)



Conclusiones

Integración Java + C 

Diferentes procesos 





Llamada a un proceso implementado con C y con comunicación a través de la línea de parámetros y la entrada y salida estándar Comunicación con un protocolo mediante sockets

Mismo proceso 

Java Native Access (JNA)



Java Native Interface (JNI)

Integración Java + C Ventajas

Inconvenientes

Mismo Proceso Muy eficiente la comunicación Se pueden integrar gráficos de forma nativa Si hay errores en la parte en C puede comprometer la estabilidad de la aplicación

Diferentes Procesos La Máquina Virtual de Java no se ve afectada por problemas de estabilidad en la parte nativa La comunicación es menos eficiente Es necesario implementar un protocolo de serialización binaria de información

Integración de Java + C 

JNA y JNI permiten 





Llamar de Java a C y viceversa dentro del mismo proceso JNI permite utilizar una JVM como una librería nativa y ejecutar código Java desde una aplicación C Problemas y peligros    

No hay recolección de basura No hay seguridad en la ejecución del código nativo No hay protección frente a ”violaciones de segmento” La aplicación no es portable (multiplataforma)

Integración Java + C 

JNA  





Es una librería Java Permite adaptar en código Java las abstracciones de C (tipos, paso por referencia, memoria...) El código de comunicación/transformación se implementa completamente en Java. No hay que implementar código de comunicación en C. Permite acceder a una librería ya compilada desde Java (ideal para a librerías del sistema)

Integración Java + C 

JNI  



Es una librería C Permite adaptar en código C las asbtracciones de Java (objetos, arrays, tipos primitivos, recolector de basura...) El código de comunicación/transformación se implementa principalmente en C. Hay que implementar muy poco código de comunicación en Java.

Integración Java + C 

Introducción



Integración de Java + C



Java Native Acces (JNA)



Java Native Interface (JNI)



Conclusiones

Java Native Access (JNA) 

 



Librería de alto nivel que permite las llamadas a librerías nativas (.dll o .so) ya compiladas No se requiere escribir código C Es una librería relativamente reciente creada para simplificar el a librerías nativas Una llamada a código nativo puede ser hasta 10 veces más lenta que JNI

https://jna.dev.java.net/

Java Native Access (JNA) 



Mapeo automático de los tipos de datos simples y arrays Se define un interfaz Java con métodos similares a las funciones de la librería compartida (.dll o .so)



Soporta paso por valor y por referencia



Licencia LGPL

Java Native Access (JNA) 

Mapeo de tipos de datos Native Type Size char 8-bit integer short 16-bit integer 16/32-bit character wchar_t int 32-bit integer int boolean value long 32/64-bit integer long long 64-bit integer float 32-bit FP double 64-bit FP char* C string void* pointer



Java Type byte short char int boolean NativeLong long float double String Pointer

Common Windows Types BYTE, TCHAR WORD TCHAR DWORD BOOL LONG __int64 LPTCSTR LPVOID, HANDLE, LPXXX

https://jna.dev.java.net/javadoc/overview-summary.html#marshalling

Java Native Access (JNA) 





Vamos a crear una librería C que invocaremos desde Java El programa imprimirá por pantalla un número entero que recibirá como parámetro Project > New... > C Project > Shared Library > Empty Project

Cómo se programa en C/C++? 

Hacer una DLL en C con EclipseGavab: 







Project > New... C Project > Shared Library > Empty Project ToolChain: 

Linux GCC en sistemas Linux



MinGW en sistemas Windows

Crear un fichero NativeLib.c que contenga lo siguiente: #include <stdio.h> void imprimeme(int valor) { printf(”El valor es: %d\n”, valor); }

Java Native Access 



Creamos un fichero native.c que contenga lo siguiente:

Al compilar obtenemos la dll:

Java Native Access 





Vamos a crear el programa Java que invocará nuestra librería (libNative.dll) El programa Java generará un número aleatorio y se lo pasará a la librería para que lo imprima Crear un proyecto Java 

File New Project > Java > Java Project > Name: JNATest

Java Native Access 





En nuestro programa Java tenemos que incluir la librería JNA (jna.jar) Crear una carpeta lib: Importar el fichero jna.jar (Botón derecho sobre la carpeta > Import... > General > File System



From directory: el directorio donde está el fichero



Seleccionarlo y se copiará a la carpeta lib

Java Native Access 

Hay que añadir la librería JNA al build path para que el compilador la pueda encontrar

Java Native Access 

En este momento nuestro proyecto Java reconoce la librería y ya podemos utilizarla:

Java Native Access 

Para utilizar JNA necesitamos saber:  



El nombre de la librería El nombre de la función, el tipo de valor devuelto y los tipos de los argumentos

En nuestro caso: 

La función se llama imprimeInt



El tipo del valor devuelto es void



El tipo del argumento es int (un int ”de C”, pero de la conversión se encarga JNA)

Java Native Access 

Para cada librería se crea una interfaz Java  

Normalmente heredará de Library En circunstancias ocasionales, bajo Windows, heredará de StdCallLibrary 

Funciones que llevan en la cabecera __stdcall (WINAPI)

Java Native Access 

Gestión de la memoria 

Reserva hecha en Java  



Se puede usar sin problemas en el método nativo No puede utilizarse fuera de la ejecución del método nativo Para que la librería pueda quedarse con una referencia a la memoria y utilizarla fuera del método nativo:  



Memory Búfer NIO (New IO)

Reserva hecha en C  

Puede usarse en Java Se tiene que liberar desde C

Java Native Access 

La interfaz contendrá los métodos que queramos invocar de la librería  



Con el mismo nombre Con parámetros de los tipos correspondientes en Java según la convención de JNA Con el tipo devuelto correspondiente

Java Native Access 



Crear la siguiente interfaz Java en el proyecto Java:

De momento un int de Java nos vale para el argumento de la función

Java Native Access 





Esta interfaz es un recubrimiento de la librería nativa y JNA la utilizará para resolver las llamadas Desde nuestro código Java utilizaremos la interfaz JNA se encarga de resolver las llamadas a la librería nativa 

Utilizando reflexividad (costoso)

Ejemplos 

IntByValue



IntByRef



IntReturn



StringByValue



StringByRef



StringReturn



ArrayByValue



ArrayReturn

Ejemplos 

StructByRef



StructByValue



Callback



Statefull

Integración Java + C 

Introducción



Integración de Java + C



Java Native Acces (JNA)



Java Native Interface (JNI)



Conclusiones

Java Native Interface 

Libro de referencia

http://java.sun.com/docs/books/jni/ Java(TM) Native Interface: Programmer's Guide and Specification (Java Series) by Sheng Liang 1999



Mejoras 1.4 (NIO)

http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/guide/jni/ jni-14.html 

AWT Native Interface

http://java.sun.com/j2se/1.5.0/docs/guide/ awt/1.3/AWT_Native_Interface.html

Java Native Interface 

Tecnología de comunicación entre código Java y código nativo en C



Disponible desde la versión 1.1 de Java



Oficialmente soportada por Sun



Compatible con cualquier implementación de máquina virtual

Java Native Interface 

Pasos a seguir con JNI 



Crear una clase Java (NativeLib.java) con un método nativo Generar un fichero de cabeceras de C (NativeLib.h) que contiene la cabecera de la función en C correspondiente al método nativo en Java C:\>javah -jni NativeLib

 

Implementar la función (NativeLib.c) Generar una librería nativa (NativeLib.dll o libNativeLib.so)

Ejemplo public class NativeLib { NativeLib.java public native void print(); public static void main(String[] args){ System.loadLibrary(”C:\ruta_completa\libNativeLib.dll”); NativeLib lib = new NativeLib(); lib.print(); } } #include <jni.h> NativeLib.h ... JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeLib_print (JNIEnv *, jobject); #include <stdio.h> #include "NativeLib.h"

NativeLib.c

JNIEXPORT void JNICALL Java_NativeLib_print(JNIEnv *env, jobject obj) { printf("Hello World!\n"); return; }

Proyectos en Eclipse

Proyectos en Eclipse 

Crear un proyecto Java 



File New Project > Java > Java Project > Name: JNITest

Crear un proyecto C 

File New Project > C > C Project >  

Name: NativeLib Project Type: Shared library > Empty Project

Proyectos en Eclipse 

Configuración del proyecto C 

Incluir los .h necesarios 

Project Properties > C/C++ General > Paths and Symbols > Includes > GNU C 

Linux /usr/lib/jvm/java-6-sun-1.6.0.10/include/  /usr/lib/jvm/java-6-sun-1.6.0.10/include/linux Windows 



 



C:\Archivos de Programa\Java\jdk1.6.0_10\include C:\Archivos de Programa\Java\jdk1.6.0_10\include\win32

En windows (con Mingw) hay que configurar en el proyecto Java 

Project > Properties > C/C++ Build > Settings >  

GCC C Compiler > Symbols: _JNI_IMPLEMENTATION_ MinGW C Linker > Miscellaneous: -Wl,--kill-at

Trucos de Eclipse 

Configuración del workspace 

Actualización automática del workspace 



Ejecutar siempre la aplicación lanzada anteriormente al pulsar el icono 



Window > Preferences > General > Workspace > Refresh automatically

Window > Preferences > Run\Debug > Launching Always launch previous launched application

Configuración del proyecto C 

Compilar al guardar: Project > Properties > C\C++ build> Behaviour > Build on resource save

Ruta de las librerías nativas 

Carga de librería NativeLib.java public class NativeLib { public native void print(); public static void main(String[] args){ System.loadLibrary(”C:\ruta_completa\libNativeLib.dll”); NativeLib lib = new NativeLib(); lib.print(); } }

Ruta de las librerías nativas 

Configuración externa a la aplicación Java  

Código Java: System.loadLibrary(”NativeLib”) Variables de Entorno 





Linux: La variable de entorno LD_LIBRARY_PATH debe incluir la ruta de la librería Windows: La librería tiene que estar en el directorio de trabajo o en la variable de entorno PATH

Línea de Comandos al ejecutar la aplicación

java -Djava.libray.path= ClaseMain 

Configuración en la aplicación Java 

Windows: System.load(”/home//ws/LibC/libNativeLib.dll”);



Linux: System.load(”/home//ws/LibC/libNativeLib.so”);

Ruta de las librerías nativas 



Independientemente del mecanismo usado para la carga de la librería nativa Si una librería necesita otra librería, la segunda librería se cargará usando el mecanismo por defecto de la plataforma:  

Windows: Directorio de trabajo y variable PATH Linux: Rutas habituales y variable LD_LIBRARY_PATH

Generación del fichero .h

E:\workspace\JNITest\bin>"c:\Archivos de programa\Java\jdk1.6.0_12\bin\javah.exe" -jni -d ..\..\NativeLib NativeLib

Tipos primitivos 

Tipos primitivos Java boolean byte char short int long float double

C jboolean jbyte jchar jshort jint jlong jfloat jdouble

Precisión Unsigned 8 bits Signed 8 bits Unsigned 16 bits Signed 16 bits Signed 32 bits Signed 64 bits 32 bits 64 bits

Ejemplos 

Print



IntByValue

Arrays de tipos primitivos 

Arrays de tipos primitivos 

Copia entre un array C y un array Java Get ArrayRegion / Set ArrayRegion Crea y libera un array C con el contenido del array Java 



Get ArrayElements / Release ArrayElements Devuelve la longitud del array 



GetArrayLength Crea un array de Java inicializado a sus valores por defecto. 





New Array

Ejemplo 

Prompt

Arrays de Objetos 

Arrays de Objetos 

Arrays bidimensionales y arrays de Strings



GetObjectArrayElement/SetObjectArrayElement





No se puede copiar el array completo en C, hay que ir elemento a elemento Array bidimensional

jclass intArrCls = (*env)->FindClass(env, "[I"); jobjectArray result = (*env)->NewObjectArray(env, size, intArrCls,NULL);

Ejemplos 

ArrayInt



ArrayInt2D

Strings 





Unicode 

GetStringChars \ ReleaseStringChars



NewString



GetStringRegion \ SetStringRegion

UTF8* 

GetStringUTFChars \ ReleaseStringUTFChars



NewStringUTF



GetStringUTFRegion \ SetStringUTFRegion

Existen otras funciones más avanzadas *Si el String sólo tiene caracteres ASCII el String creado es similar a un *char terminado en \0

Objetos Java 

a atributos 

Atributos 

GetObjectField / SetObjectField



Get Field / Set Field

jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, obj); jfieldID fid = (*env)->GetFieldID(env, cls, "s", "Ljava/lang/String;"); jstring jstr = (*env)->GetObjectField(env, obj, fid); const char *str = (*env)->GetStringUTFChars(env, jstr, NULL);

Objetos Java 



Class Descriptor 

Clases: java/lang/String



Arrays: [java/lang/String

Tipo Primitivo 

Z boolean



B byte



C char



S short

I int ● J long ● F float ● D double ●

Objetos Java 

Descriptores de Atributos 

"Ljava/lang/String;"

String



"[I"

int[]



"[Ljava/lang/Object;"

Object[]

Ejemplos 

AccessField



AccessStaticField

Objetos Java 

Llamadas a Métodos 

Métodos de instancia

jclass cls = (*env)->GetObjectClass(env, obj); jmethodID mid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "printHello", "()V"); (*env)->CallVoidMethod(env, obj, mid);



Métodos estáticos

jmethodID mid = (*env)->GetStaticMethodID(env, cls, "statirintHello", "()V"); (*env)->CallStaticVoidMethod(env, cls, mid);

Objetos Java 

Descriptores de Métodos 

"()Ljava/lang/String;"

String f();



"(ILjava/lang/Class;)J"

long f(int i, Class c);



"([B)V"

String(byte[] bytes);

javap -s -p Clase

Ejemplos 

CallbackPrintHello



CallbackStatic

Objetos Java 

Crear objetos (llamada a constructor)

jclass dateClass = (*env)->FindClass(env, "java/util/Date"); jmethodID cid = (*env)->GetMethodID(env, dateClass, " ", "()V"); jobject result = (*env)->NewObject(env, dateClass, cid); ... (*env)->DeleteLocalRef(env, dateClass);

Ejemplos 

CreateDate

Objetos Java 

Cacheo de referencias a atributos o métodos 







Es mejor cachear el valor del identificador de atributo o método Se puede cachear en la función usando una variable ”static” Se puede cachear con un método llamado al cargar la clase (código de inicialización estático) de la que se cachean los El cacheo hay que reiniciarle si la clase se descarga y se vuelve a cargar, es decir, si se vuelven a ejecutar los inicializadores estáticos

Ejemplo 

CreateDatePerformance

Objetos Java 

Gestión de memoria 



En Java cuando un objeto ya no es referenciado, se libera su memoria automáticamente Con JNI existen tres tipos de referencias a objetos: 





Local: Referencias a objetos que sólo pueden usarse en el contexto de una llamada nativa. No se pueden usar una vez que se ha salido del método. Global: Referencias a objetos que pueden usarse más allá de la llamada a una función nativa. Weak: Similares a la WeakReferences de Java

Objetos Java 

Referencias Locales 





No pueden usarse una vez finalizada la ejecución de la función Una referencia local creada en un hilo no puede usarse en otro hilo Se pueden ”liberar” explícitamente con DeleteLocalRef  

Es equivalente a poner una variable a NULL en Java Conviene hacerlo cuando no se use más el objeto en el método nativo para no esperar a que finalice el método

Objetos Java 

Referencias Locales 



La máquina virtual sólo asegura la creación de 16 referencias locales Si se necesitan más se debe llamar a if ((*env)->EnsureLocalCapacity(env, len)) < 0) { ... /* out of memory */ }



Existen otras técnicas más avanzadas (PushLocalFrame, PopLocalFrame)

Objetos Java 

Referencias Globales 







Pueden usarse en múltiples invocaciones de una misma función o diferentes funciones Pueden guardarse de forma segura en variables ”static” de las funciones. Pueden guardarse de forma segura en variables del fichero c. Se crean con NewGlobalRef y liberan con DeleteGlobalRef

Objetos Java 

Comparar referencias 

(*env)->IsSameObject(env, obj1, obj2)

Memoria compartida 

Buffers con NIO (New Input Output) 



Permiten el a memoria nativa directamente desde Java, sin realizar copias Java 



C   

●

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(20) NewDirectByteBuffer GetDirectBufferAddress GetDirectBufferCapacity

http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/guide/jni/jni-14.html

Ejemplos 

CreateJavaByteBuffer



CreateNativeByteBuffer

Opciones más avanzadas  

Excepciones Usar una JVM como una librería en un programa C



Hilos de ejecución



Strings no ASCII



Asociación explícita de funciones en C a métodos nativos en Java



Llamadas a la librería JNI usando notación C++



Dibujar con código nativo (AWT)

Integración Java + C 

Introducción



Tecnologías: JNA y JNI



Java Native Acces (JNA)



Java Native Interface (JNI)



Conclusiones

Conclusiones 



Si los datos no son complejos y hay pocas llamadas se puede utilizar la llamada a un proceso pesado Cuando la interacción es compleja 





JNA: No hay muchas llamadas y se dispone de una librería nativa precompilada (JNA puede ser hasta 10 veces menos eficiente que JNI) JNI: Hay muchas llamadas y se tiene experiencia con C.

La integración permite a funciones especiales específicas de la plataforma