从繁琐到优雅：用 Project Panama 改变 Java 原生交互

如果你曾经尝试将 Java 与原生代码进行交互，那么你一定知道这是一场充满挑战的旅程。传统的 Java 原生接口（JNI）虽然强大，但往往伴随着冗长的样板代码、复杂的内存管理，以及需要精通 C 或 C++ 来编写粘合代码的痛苦。

但现在，一切都变了。Project Panama 带来了全新的外部函数与内存（FFM）API，它不仅现代、类型安全，还极大地简化了从 Java 调用原生库的过程。你不再需要与 JNI 的复杂性搏斗，而是可以轻松地在 Java 中直接调用原生函数、分配原生内存，甚至映射复杂的原生数据结构。

在本文中，我们将通过一系列实用的示例，探索 Project Panama 如何彻底改变 Java 与原生代码的交互方式。准备好了吗？让我们一起开启这场技术之旅！

文章目录

[从繁琐到优雅：用 Project Panama 改变 Java 原生交互](#从繁琐到优雅：用 Project Panama 改变 Java 原生交互)
- [Project Panama：Java 的新希望](#Project Panama：Java 的新希望)
- [FFM API 的核心组件](#FFM API 的核心组件)
- [示例 1：从 Java 调用 C 的 strlen 函数](#示例 1：从 Java 调用 C 的 strlen 函数)
- - [C 函数签名](#C 函数签名)
  - [Java FFM API 代码](#Java FFM API 代码)
  - 关键点
- [示例 2：使用原生 getpid 获取进程 ID](#示例 2：使用原生 getpid 获取进程 ID)
- - [C 函数签名](#C 函数签名)
  - [Java 代码](#Java 代码)
  - 关键点
- [示例 3：调用自定义原生函数](#示例 3：调用自定义原生函数)
- - [C 代码](#C 代码)
  - 编译为共享库
  - [Java 代码](#Java 代码)
  - 关键点
- [示例 4：使用原生结构体](#示例 4：使用原生结构体)
- - [C 结构体](#C 结构体)
  - [Java 代码](#Java 代码)
- [为什么 FFM API 比 JNI 更胜一筹](#为什么 FFM API 比 JNI 更胜一筹)
- 最佳实践
- 最后总结

Project Panama：Java 的新希望

Project Panama 是 OpenJDK 的一个长期项目，目标是为 Java 开发者提供一种更简单、更安全的方式来访问原生库。从 Java 14 开始孵化，到 Java 22 成为标准，FFM API 为开发者带来了前所未有的便利：

简化原生库访问：无需再编写繁琐的 JNI 代码，直接从 Java 调用原生函数。
安全的内存管理：通过 Arena 等工具，自动管理原生内存的生命周期，避免内存泄漏。
灵活的数据结构映射：轻松定义和操作原生数据结构，无需手动处理复杂的内存布局。

FFM API 的核心组件

在深入了解示例之前，让我们先了解一下 FFM API 的几个核心组件：

组件	用途
Linker	将 Java 代码与原生函数链接，实现无缝调用。
SymbolLookup	在原生库中查找函数符号，就像在地图上定位目标。
MemorySegment	表示堆外/原生内存，提供安全的内存操作接口。
MemoryLayout	描述内存结构布局，确保数据对齐和类型安全。
FunctionDescriptor	描述原生函数的签名，确保调用时参数匹配。

示例 1：从 Java 调用 C 的 strlen 函数

假设你正在开发一个国际化应用，需要处理多种语言的字符串。你可能会用到 C 标准库中的 strlen 函数来计算字符串长度。使用 Project Panama，这一切变得异常简单。

C 函数签名

c 复制代码

size_t strlen(const char *s);

Java FFM API 代码

java 复制代码

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

public class PanamaStrlenExample {
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();
        SymbolLookup stdlib = linker.defaultLookup();

        // 获取 strlen 函数的调用句柄
        MethodHandle strlen = linker.downcallHandle(
            stdlib.find("strlen").orElseThrow(),
            FunctionDescriptor.of(ValueLayout.JAVA_LONG, ValueLayout.ADDRESS)
        );

        try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
            // 在原生内存中分配一个 UTF-8 字符串
            MemorySegment cString = arena.allocateUtf8String("你好，Panama！");
            // 调用 strlen 函数
            long length = (long) strlen.invoke(cString);
            System.out.println("字符串长度：" + length);
        }
    }
}

关键点

FunctionDescriptor.of(ValueLayout.JAVA_LONG, ValueLayout.ADDRESS) 描述了 strlen 函数的签名。ValueLayout.JAVA_LONG 表示返回值类型（size_t），ValueLayout.ADDRESS 表示参数类型（const char *）。这种描述方式确保 Java 能够正确地调用原生函数。

示例 2：使用原生 getpid 获取进程 ID

在开发多进程应用时，获取当前进程 ID 是一个常见的需求。使用 Project Panama，你可以轻松地调用原生的 getpid 函数，而无需编写任何 C 代码。

C 函数签名

c 复制代码

pid_t getpid(void);

Java 代码

java 复制代码

import java.lang.foreign.*;

public class PanamaGetPidExample {
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();
        SymbolLookup libc = linker.defaultLookup();

        // 获取 getpid 函数的调用句柄
        var getpid = linker.downcallHandle(
            libc.find("getpid").orElseThrow(),
            FunctionDescriptor.of(ValueLayout.JAVA_INT) // pid_t 通常为 int
        );

        // 调用 getpid 函数
        int pid = (int) getpid.invoke();
        System.out.println("当前进程 ID：" + pid);
    }
}

关键点

FunctionDescriptor.of(ValueLayout.JAVA_INT) 描述了 getpid 函数的签名。ValueLayout.JAVA_INT 表示返回值类型（pid_t）。由于 getpid 函数没有参数，因此这里只指定了返回值类型。

示例 3：调用自定义原生函数

假设你正在开发一个高性能的数学计算库，需要调用一些自定义的 C 函数。我们可以使用 Project Panama 来实现这一点。

C 代码

c 复制代码

// mathlib.c
double add(double a, double b) {
    return a + b;
}

编译为共享库

bash 复制代码

gcc -shared -fPIC -o libmathlib.so mathlib.c

Java 代码

java 复制代码

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

public class PanamaCustomLibExample {
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();
        // 加载自定义的原生库
        SymbolLookup mathlib = SymbolLookup.libraryLookup("libmathlib.so", Arena.ofAuto());

        // 获取 add 函数的调用句柄
        MethodHandle addFunc = linker.downcallHandle(
            mathlib.find("add").orElseThrow(),
            FunctionDescriptor.of(ValueLayout.JAVA_DOUBLE,
                                   ValueLayout.JAVA_DOUBLE,
                                   ValueLayout.JAVA_DOUBLE)
        );

        // 调用 add 函数
        double result = (double) addFunc.invoke(5.5, 2.3);
        System.out.println("结果：" + result);
    }
}

关键点

FunctionDescriptor.of(ValueLayout.JAVA_DOUBLE, ValueLayout.JAVA_DOUBLE, ValueLayout.JAVA_DOUBLE) 描述了 add 函数的签名。第一个 ValueLayout.JAVA_DOUBLE 表示返回值类型（double），接下来的两个 ValueLayout.JAVA_DOUBLE 表示两个参数类型（double a 和 double b）。这种描述方式确保 Java 能够正确地调用原生函数。

示例 4：使用原生结构体

在处理图形或物理计算时，你可能会用到一些复杂的原生结构体。Project Panama 让你可以在 Java 中轻松地映射和操作这些结构体。

C 结构体

c 复制代码

struct Point {
    double x;
    double y;
};

Java 代码

java 复制代码

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

public class PanamaStructExample {
    static final GroupLayout POINT_LAYOUT = MemoryLayout.structLayout(
        ValueLayout.JAVA_DOUBLE.withName("x"),
        ValueLayout.JAVA_DOUBLE.withName("y")
    );

    public static void main(String[] args) {
        try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
            // 在原生内存中分配一个 Point 结构体
            MemorySegment point = arena.allocate(POINT_LAYOUT);

            // 获取 x 和 y 的 VarHandle
            VarHandle xHandle = POINT_LAYOUT.varHandle(double.class, MemoryLayout.PathElement.groupElement("x"));
            VarHandle yHandle = POINT_LAYOUT.varHandle(double.class, MemoryLayout.PathElement.groupElement("y"));

            // 设置点的坐标
            xHandle.set(point, 10.0);
            yHandle.set(point, 20.0);

            // 输出点的坐标
            System.out.println("点：(" + xHandle.get(point) + ", " + yHandle.get(point) + ")");
        }
    }
}

为什么 FFM API 比 JNI 更胜一筹

现在，让我们来对比一下 FFM API 和传统的 JNI，看看为什么 FFM API 是更好的选择：

特性	JNI	FFM API
需要 C/C++ 粘合代码	是	否
手动内存管理	是	Arena 管理生命周期
冗长的样板代码	是	直接链接和描述符
调试困难	是	更类型安全且可读性更强

FFM API 不仅简化了开发流程，还提高了代码的可读性和可维护性。你不再需要在 Java 和 C/C++ 之间来回切换，一切都可以在 Java 中完成。

最佳实践

为了更好地使用 Project Panama，这里有一些最佳实践：

始终使用 Arena 管理原生内存：在 try-with-resources 中释放原生内存，避免内存泄漏。
使用不可变布局：保持数据结构的一致性和清晰性，避免意外修改。
正确匹配原生类型：确保布局与原生定义一致，避免类型不匹配导致的错误。
提供预编译的原生库：确保你的原生库可以在不同平台上使用，方便跨平台开发。

最后总结

Project Panama 的外部函数与内存 API 为 Java 开发者带来了一场革命。它不仅简化了原生接口的开发，还提供了一个现代、安全、优雅的 JNI 替代品。无论你是调用系统库、重用遗留 C 代码，还是集成高性能原生模块，Project Panama 都能让你在 Java 的舒适环境中轻松解锁整个原生功能生态系统。

这不仅仅是一个技术的进步，更是一种开发体验的提升。现在，你可以专注于你的业务逻辑，而无需再为复杂的原生交互烦恼。让我们一起拥抱 Project Panama，开启 Java 开发的新篇章！