JNI技術(shù)如何在嵌入式軟件開發(fā)中應(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(duì)內(nèi)存的管理是通過JVM虛擬機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，同樣的程序，如果用編譯型語言C來實(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(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Java編譯器把Java源代碼編譯成與平臺(tái)無關(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)過高度優(yōu)化的可執(zhí)行代碼和動(dòng)態(tài)庫(WindoW中是.dil文件，UNIX中是共享庫.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。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

System.loadLibrary(“mathlib”);

}

(2)編譯成字節(jié)代碼

在這個(gè)過程中，由于采用了native關(guān)鍵字聲明，Java編譯器會(huì)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(gè)過程的實(shí)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(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

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

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

編譯過程是利用C/C++編譯器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)要使用生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫時(shí)，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(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

下面通過一個(gè)實(shí)例來描述運(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：