淺談JNI技術(shù)在嵌入式軟件開發(fā)中的應用

引 言
    嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式軟件的基本體系結(jié)構(gòu)包括嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS(RealTime operating Systerrl)、嵌入式設備驅(qū)動程序、嵌入式應用程序編程接口(中間件)和嵌入式應用程序。
    現(xiàn)階段，計算機應用的普及、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實用以及納米微電子技術(shù)的突破，正有力推動著21世紀的工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動、科學實驗和家庭生活等領(lǐng)域自動化和信息化進程。全過程自動化產(chǎn)品制造、大范圍電子商務活動、高度協(xié)同科學實驗以及現(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。除了溝通信息高速公路的交換機、路由器和調(diào)制解調(diào)器，構(gòu)建計算機集成制造系統(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)量效益和時代特征的嵌入式產(chǎn)品應數(shù)因特網(wǎng)上的信息家電(information appliances），如網(wǎng)絡可視電話、網(wǎng)絡游戲機、電子商務、商務通(PDA)、移動電話以及多媒體產(chǎn)品(如電視機頂盒、DVD播放機、電子閱讀機)。
    眾所周知，“一次編程，到處使用”的Java軟件概念原本就是針對網(wǎng)上嵌入式小設備提出的，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(JVM)技術(shù)的有序開放，使得Java軟件真正實現(xiàn)跨平臺運行，即Java應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語言本身所具有的安全性、可靠性和可移植性等特點，對實現(xiàn)瘦身上網(wǎng)的信息家電等網(wǎng)絡設備十分有利，同時對嵌入式設備特別是上網(wǎng)設備軟件編程技術(shù)產(chǎn)生了很大的影響。

1 Java的性能問題及幾種解決方案
    Java程序也有其本身的缺陷，那就是其效率問題。由于Java是一種介于解釋型和編譯型之間的語言，其對內(nèi)存的管理是通過JVM虛擬機來實現(xiàn)的，同樣的程序，如果用編譯型語言C來實現(xiàn)，其運行速度一般要比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的運行速度而做出的許多努力，主要集中在程序設計的方法和模式選擇方面。但是由于算法和設計模式的優(yōu)化是通用的，對Java有效的優(yōu)化算法和設計模式，對其他編譯語言也基本適用，因此不能從根本上改變Java程序與編譯型語言在執(zhí)行效率方面的差異。
    另外，JIT(Just In Time，及時編譯)技術(shù)也是一個比較好的思想。它的基本原理是，首先，通過Java編譯器把Java源代碼編譯成與平臺無關(guān)的二進制字節(jié)碼。然后，在Java程序真正執(zhí)行之前，系統(tǒng)通過JIT編譯器把Java的字節(jié)碼編譯為本地化機器碼。最后，系統(tǒng)執(zhí)行本地化機器碼，不用對字節(jié)碼進行解釋。這樣做的優(yōu)點是，大大提高了Java程序的性能，縮短了加載程序的時間；同時，由于編譯的結(jié)果并不在程序運行期間保存，因此也節(jié)約了存儲空間。缺點是，由于JIT編譯器對所有的代碼都想優(yōu)化，因此同樣也占用了很多時間。
    動態(tài)優(yōu)化技術(shù)即提前編譯為機器碼的技術(shù)(dynamicopttmization，ahead of time technology)是提高Java性能的另一個嘗試。動態(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)過高度優(yōu)化的可執(zhí)行代碼和動態(tài)庫(WindoW中是．dil文件，UNIX中是共享庫.a.so文件)。其優(yōu)點是能大大提高程序的性能，缺點是破壞了Java的可移植性，也對Java的安全帶來了一定的隱患。

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

（1）編寫Java類代碼
    其中，需要JNI實現(xiàn)的方法應當用native關(guān)鍵字聲明。在該類中，用System．1oadLibrary()方法加載需要的動態(tài)鏈接庫。關(guān)鍵代碼如下：
    ／／Compute.java
    public class Compute{
    public native double comp (double params);
    static{
    ／／調(diào)用動態(tài)鏈接庫
    System．loadLibrary(“mathlib”)；

    }

   
(2)編譯成字節(jié)代碼
    在這個過程中，由于采用了native關(guān)鍵字聲明，Java編譯器會忽視沒有代碼體的JNI方法部分。
(3)生成相關(guān)JNI方法的頭文件
    這個過程的實現(xiàn)一般是通過利用jlavah-jni * class生成的，也可以手工生成該文件；但是由于Java虛擬機是根據(jù)一定的命名規(guī)范完成對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虛擬機識別；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)；最后是對應的方法名稱，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 *,是一個指向JNI運行環(huán)境的指針；第二個參數(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)本地方法的第二個參數(shù)是對對象的引用，而靜態(tài)本地方法的第二個參數(shù)是對其Java類的引用；其余的參數(shù)對應通常Java方法的參數(shù)，參數(shù)類型需要根據(jù)一定規(guī)則進行映射。
(4)編寫相應方法的實現(xiàn)代碼
    在編碼過程中，需要注意變量的長度問題，例如Java的整型變量長度為32位，而C語言為16位，所以要仔細核對變量類型映射表，防止在傳值過程中出現(xiàn)問題。
(5)將JNI實現(xiàn)代碼編譯成動態(tài)鏈接庫
    編譯過程是利用C／C++編譯器實現(xiàn)的，當要使用生成的動態(tài)鏈接庫時，調(diào)用者類中需要顯式調(diào)用該鏈接庫。
    經(jīng)過上述處理，基本上完成了一個包含本地化方法的Java類的開發(fā)。

3 基于JNI的嵌入式手機軟件開發(fā)實例
    下面通過一個實例來描述運用JNI技術(shù)在手機上操縱攝像頭，捕捉視頻并存儲圖片的過程。
(1)活動／狀態(tài)圖
    圖2為捕捉視頻并存儲圖片的活動／狀態(tài)圖
    根據(jù)圖2的活動／狀態(tài)，具體的對應步驟如下：
    ①發(fā)起該流程。
    ②發(fā)起流程后，建立文件用于存儲圖片。
    ③用指針獲得分配的緩沖器，用于存儲獲得的幀。
    ④將指針壓棧(序列化緩沖器)。由于手機的內(nèi)存較小，為了防止內(nèi)存泄漏，Symbian操作系統(tǒng)有一個Cleanup stack的要求，即在使用指針時，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)用導致崩潰的函數(shù)時果真出現(xiàn)了問題，那么Clean up stack可以通過調(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當接收到停止視頻捕捉的信號后，關(guān)閉文件。
    ⑨流程結(jié)束。

(2)運用JNI技術(shù)的視頻捕捉
    子功能捕捉視頻的實現(xiàn)是由操縱攝像頭、視頻播放(解碼器準備)以及建立攝像頭和手機之間的連接會話三個活動組成的。其中操縱攝像頭是通過調(diào)用底層設備的驅(qū)動來實現(xiàn)的，需要利用JNI來實現(xiàn)，完成的方法包括準備、建立、刪除、銷毀攝像頭等。視頻播放的一系列過程也是通過c++代碼來實現(xiàn)的，除了準備、建立、刪除、銷毀解碼器外，還有開始、暫停、停止解碼等。建立攝像頭和手機之間的連接類似建立客戶端和服務器連接，視頻流從攝像頭傳到手機界面是通過多媒體會話來完成的。多媒體
會話的建立、關(guān)閉、摧毀以及會話建立后的發(fā)送、取消、讀取數(shù)據(jù)等也是JNI的應用范疇。

結(jié)語
    主張采用純Java的人們通常反對本地化代碼的使用，認為JNI技術(shù)會影響程序的可移植性和安全性。還有一些人認為，在Java程序執(zhí)行的過程中調(diào)用c／c++程序只是對過去混合編程技術(shù)的簡單擴展，其實際目的是為了充分利用大量原有的c程序庫。
其實，不必拘泥于嚴格的平臺獨立性限制，因為采用JNI技術(shù)只是針對一些嚴重影響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之間移植的工作量。同時，也不必過分擔心類型匹配問題，完全可以控制代碼不出現(xiàn)這種錯誤。此外，也不必擔心安全控制問題，因為Java安全模型已擴展為允許非系統(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++語言產(chǎn)生的機器碼，該部分代碼的安全性就由Java虛擬機控制。