KVM的扩展－KNI

hempel

KVM本身只带有cldc1.1的类库，功能十分简单，不能满足用户的需求，本篇介绍如何对KVM进行扩展。
对KVM进行扩展，在Java层十分简单，只要向在编译Java代码时多加一个文件就可以，没什么要说的，麻烦的是如果在加入的Java类中有本地操作该怎么办？本地的C语言代码放在哪里编译才能够供KVM调用？
答案是KNI。下面就以KNI为主要内容介绍如何对KVM加以扩展，在最后附加一个具体的实现例子。
1. KNI的特点：
KNI(K Native Interface)是SUN的KVM(K Virtual Machine)所使用的本地方法调用机制。
JNI(Java Native Interface)是已经为我们所熟悉的Java本地方法调用机制，JNI一般使用在J2SE或J2EE平台上，本地方法被编进动态链接库，在运行时由Java虚拟机载入。
KVM中也需要本地调用，但JNI是“重量级”的本地调用方式，在使用时消耗的资源较多，所以针对KVM设计出了KNI，KNI被称为是JNI的一个简化版，是“轻量级”的本地调用方式。KVM不能加载动态链接库，所以在KNI机制下，本地方法不是写在库中，而是编入虚拟机内部。
以下是KNI与JNI最重要的一些区别：
KNI是“实现层”的API，即它是虚拟机实现的一部分，修改KNI的API就要重新编译虚拟机，这些API的细节对于Java程序员来说是不可见的；而JNI的API是在运行时动态加载进来的，它的修改与虚拟机无关，JNI的API对于Java程序员来说是可见的。
KNI的函数建在虚拟机内部，只能为此虚拟机所独享；而JNI的函数放在动态链接库中，可以为多个虚拟机共用。
由于在虚拟机内部，KNI的很多操作方式与虚拟机有关，在传递参数和控制对象的时候都要先经过一些特别的处理；JNI的调用方式比较直接，但可能会增加安全隐患。
KNI是JNI的简化版，功能也会弱一些，它不能创建对象，也不能调用Java层的方法。
总之，“在虚拟机内部”是KNI所有特点的根源，记得这一点，KNI的所有内容都非常容易理解。
下文各节对KNI的各个方面做一下介绍，只详述那些KNI所特有的内容，更全面的内容可以参考KVM附带的KNI specification。
2. 数据类型：
2.1 原始类型：



上表中间一列是KNI所提供的8种原始类型，它们的长度与所对应的Java原始类型的长度相同。
2.2 对象类型：



上图是KNI所支持的对象类型，其实所有对象都可作为jobject，只是对图中所示的这些object类的子类有特别的支持，比如为数组类提供了操作数组元素的方法。
2.3 返回类型：



“返回类型”也就是本地方法的返回值的类型，KNI对它们有专门的定义。
上表右边一列即本地方法的返回类型。
2.4 字符串类型、类描述符、字段描述符：
这三项内容都是在本地方法中对于Java层对象的描述，比如用”[Ljava/lang/String;”来描述String数组，这些内容与JNI规范以及Java虚拟机规范中所定义的都完全一致，所以这里不再多说。
3. KNI函数
本节分类简介各种KNI函数的功能。大部分的函数功能比较容易理解，只有“参数传递”和“句柄操作”是比较特别的内容，将作详细讲解。
3.1 版本信息：
3.1.1 jint KNI_GetVersion()
得到KNI的版本号。
3.2 类和接口操作：
3.2.1 void KNI_FindClass(const char* name, jclass classHandle)
初始化一下指向某种对象的名柄，对象名字在name中。
3.2.2 void KNI_GetSuperClass(jclass classHandle, jclass superclassHandle)
取得超类的句柄。原类的句柄在classHandle中，调用后超类的名柄将被存放在superclassHandle中。如果classHandle指向一个java.lang.Object对象，则superclassHandle应为NULL。
3.3.3 jboolean KNI_IsAssignableFrom(jclass classHandle1, jclass classHandle2)
判断classHandle1类的对象是否能安全转换为classHandle2类的对象。
3.3 异常：
3.3.1 jint KNI_ThrowNew(const char* name, const char* message)
抛异常，name是异常类的名字，message是所附带的信息。
3.3.2 void KNI_FatalError(const char* message)
出现致命错误时使用，向标准输出打印出错信息，并终止虚拟机。
3.4 对象操作
3.4.1 void KNI_GetObjectClass(jobject objectHandle, jclass classHandle)
取得某对象所对属的类，objectHandle是对象句柄，调用后，类句柄将被存入classHandle中。
3.4.2 jboolean KNI_IsInstanceOf(jobject objectHandle, jclass classHandle)
判断句柄objectHandle所指向的对象是否是句柄classHandle所指向的类的实例。
3.5 对象字段操作
3.5.1 jfieldID KNI_GetFieldID(jclass classHandle, const char* name, const char* signature)
取得类classHandle中由name和signature所指定的字段名。这个字段名的作用与JNI中的相同，是于在其它函数中读写字段的值。
3.5.2  KNI_GetField(jobject objectHandle, jfieldID fieldID)
3.5.3 void KNI_SetField(jobject objectHandle, jfieldID fieldID,  value)
上面两个方法分别用于读写类型字段的值，为基本类型。
3.5.4 void KNI_GetObjectField(jobject objectHandle, jfieldID fieldID, jobject toHandle)
3.5.5 void KNI_SetObjectField(jobject objectHandle, jfieldID fieldID, jobject fromHandle)
上面两个方法分别用于读写对象。
3.6 静态字段操作
3.6.1 jfieldID KNI_GetStaticFieldID(jclass classHandle, const char* name, const char* signature)
取得静态字段名。
3.6.2  KNI_GetStaticField(jclass classHandle, jfield fieldID)
3.6.3 void KNI_SetStaticField(jclass classHandle, jfieldID fieldID, value)
上面两个方法分别用于读写类型静态字段的值，为基本类型。
3.6.4 void KNI_GetStaticObjectField(jclass classHandle, jfield fieldID, jobject toHandle)
3.6.5 void KNI_SetStaticObjectField(jclass classHandle, jfield fieldID, jobject fromHandle)
上面两个方法分别用于读写静态对象。
3.7 字符串操作
3.7.1 jsize KNI_GetStringLength(jstring stringHandle)
取得字符串长度。
3.7.2 void KNI_GetStringRegion(jstring stringHandle, jsize offset, jsize n, jchar* jcharbuf)
读取字符串内容。
3.7.3 void KNI_NewString(const jchar* uchars, jsize length, jstring stringHandle)
使用Unicode序列创建String。
3.7.4 void KNI_NewStringUTF(const char* utf8chars, jstring stringHandle)
使用UTF-8序列创建String。
3.8 数组操作
3.8.1 jsize KNI_GetArrayLength(jarray arrayHandle)
取得数组长度。
3.8.2  KNI_GetArrayElement(arrayHandle, jint index)
取得类型数组元素。
3.8.3 void KNI_SetArrayElement(arrayHandle, jint index,  value)
设置类型数组元素。
3.8.4 void KNI_GetObjectArrayElement(jobjectArray arrayHandle, jint index, jobject toHandle)
取得对象数组元素。
3.8.5 void KNI_SetObjectArrayElement(jobjectArray arrayHandle, jint index, jobject fromHandle)
设置对象数组元素。
3.8.6 void KNI_GetRawArrayRegion(jarray arrayHandle, jsize offset, jsize n, jbyte* dstBuffer)
以字节为单位读取一个区域的值。
3.8.7 void KNI_SetRawArrayRegion(jarray arrayHandle, jsize offset, jsize n, const jbyte* srcBuffer)
以字节为单位设置一个区域的值。
3.9 参数传递
KNI的参数传递方式有一些不同的地方，在进行KNI调用时，从Java层传来的参数在本地函数中不能直接读取到。所有本地的函数，不论在Java层声明时有多少个参数，它的参数表都将为空。这是因为KNI在虚拟机的内部，虚拟机在调用Java方法的时候是以堆栈的形式传参的，在调用KNI方法的时候也是用了之种方式。
好在KNI的设计原则之一是“与虚拟机细节相隔离”，所以KNI的使用者不必去学习虚拟机的堆栈式传参，KNI已经封装好了一些方便使用的函数。
同样，函数的返回值也要用专门的函数来传回。
3.9.1  KNI_GetParameterAs(jint index)
取得类型为的第index个参数，index是此参数在Java方法参数表中的位置。
比如：void native func (int i, long l, int j);这个Java方法有三个参数，在它的本地方法中，要得到它的第一个参数就要做如下调用：
KNI_GetParameterAsInt(1);
注意，long和double型的参数比较长，要占两个位置，所以最后一个参数的序号不是3而是4。
3.9.2 void KNI_GetParameterAsObject(jint index, jobject toHandle)
同理，本函数读取index处的对象，并使用toHandle句柄来索引它。
3.9.3 void KNI_GetThisPointer(jobject toHandle)
读取当前类的this对象的句柄。
3.9.4 void KNI_GetClassPointer(jclass toHandle)
读取当前类的句柄。
3.9.5 void KNI_ReturnVoid()
用于void型函数的返回。
3.9.6 void KNI_Return( value)
用于型函数的返回。
3.10 名柄操作
KNI中对于Java传来的对象的引用，不能直接使用C语言的指针，这是因为KNI在虚拟机内部，C层的函数中所引用的对象也还是会参与垃圾收集，随时有可能被移动，C层的指针指向的是绝对的内存位置，就会失效。所以KNI使用“句柄”来索引对象，句柄由虚拟机来维护，不会失效。
3.10.1 void KNI_StartHandles(n)
声明在当前函数中所要使用的句柄数，要使用多少句柄，都需要事先声明。
3.10.2 void KNI_DeclareHandle(handle)
声明一个句柄。
3.10.3 jboolean KNI_IsNullHandle(handle)
判断句柄是否为空。
3.10.4 jboolean KNI_IsSameObject(handle1, handle2)
判断两句柄是否指向了同一个对象。
3.10.5 void KNI_ReleaseHandle(handle)
释放句柄。
3.10.6 void KNI_EndHandles()
删除句柄。
3.10.7 void KNI_EndHandlesAndReturnObject(jobject objectHandle)
删除句柄并把句柄所指向的对象作为函数值返回。
4. 实例：
以下是一个使用KNI扩展KVM的例子。
4.1 从
http://www.sun.com/software/communitysource/j2me/cldc/download.xml
下载KVM源程序；
4.2 java类库源代码放在j2me_cldc/api/src，在其中增加类rayman.test.KNITest，源文件如下：
/* rayman/test/KNITest.java */
package rayman.test;
public class KNITest {
        public void println(String s) {
                System.out.println(s);
        }
        public static native int nativeTest(int i, int j);
}

4.3 部分C层源文件放在j2me_cldc/kvm/VmCommon/src，新建文件nativeTest.c：
/* nativeTest.c */
#include kni.h>
#include stdio.h>
KNIEXPORT KNI_RETURNTYPE_INT Java_rayman_test_KNITest_nativeTest() {
        jint i1 = KNI_GetParameterAsInt(1);
        jint i2 = KNI_GetParameterAsInt(2);
        printf("in function Java_rayman_test_KNITest_nativeTest() ");
        KNI_ReturnInt(i1+i2);
}

4.4 在j2me_cldc/kvm/VmUnix/build/Makefile中加入nativeTest.c。
4.5 在j2me_cldc/build/linux下执行make USE_KNI=true，编译好的可执行文件kvm就在j2me_cldc/kvm/VmUnix/build下。
4.6 编写测试类Hello：
/* Hello.java */
import rayman.test.*;
public class Hello {
        public static void main(String [] args) {
                KNITest t=new KNITest();
                t.println("Hello KVM ! " + t.nativeTest(1,2));
        }
}

设置好classpath并执行，得到如期结果！
另外，在KNIspec.pdf文档中有很多例子可供参考。


本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u/25864/showart_250493.html