JNI/NDK开发指南——JNI调用性能測试及优化

Posted 2020-09-22 gccbuaa

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在前面几章我们学习到了。在Java中声明一个native方法，然后生成本地接口的函数原型声明。再用C/C++实现这些函数，并生成相应平台的动态共享库放到Java程序的类路径下。最后在Java程序中调用声明的native方法就间接的调用到了C/C++编写的函数了。在C/C++中写的程序能够避开JVM的内存开销过大的限制、处理高性能的计算、调用系统服务等功能。

同一时候也学习到了在本地代码中通过JNI提供的接口，调用Java程序中的随意方法和对象的属性。

这是JNI提供的一些优势。但做过Java的童鞋应该都明确，Java程序是执行在JVM上的。所以在Java中调用C/C++或其他语言这样的跨语言的接口时，或者说在C/C++代码中通过JNI接口訪问Java中对象的方法或属性时，相比Java调用自已的方法。性能是非常低的！

！！网上有朋友针对Java调用本地接口，Java调Java方法做了一次具体的測试，来充分说明在享受JNI给程序带来优势的同一时候，也要接受其所带来的性能开销。以下请看一组測试数据：

Java调用JNI空函数与Java调用Java空方法性能測试

測试环境：JDK1.4.2_19、JDK1.5.0_04和JDK1.6.0_14。測试的反复次数都是一亿次。

測试结果的绝对数值意义不大。仅供參考。由于依据JVM和机器性能的不同，測试所产生的数值也会不同，但无论什么机器和JVM应该都能反应同一个问题，Java调用native接口，要比Java调用Java方法性能要低非常多。

Java调用Java空方法的性能：

JDK版本号	Java调Java耗时	平均每秒调用次数
1.6	329ms	303951367次
1.5	312ms	320512820次
1.4	312ms	27233115次

Java调用JNI空函数的性能：

JDK版本号	Java调JNI耗时	平均每秒调用次数
1.6	1531ms	65316786次
1.5	1891ms	52882072次
1.4	3672ms	27233115次

从上述測试数据能够看出JDK版本号越高，JNI调用的性能也越好。在JDK1.5中，仅仅是空方法调用，JNI的性能就要比Java内部调用慢将近5倍。而在JDK1.4下更是慢了十多倍。

JNI查找方法ID、字段ID、Class引用性能測试

当我们在本地代码中要訪问Java对象的字段或调用它们的方法时。本机代码必须调用FindClass()、GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()。

对于 GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()。为特定类返回的 ID 不会在 JVM 进程的生存期内发生变化。

可是，获取字段或方法的调用有时会须要在 JVM 中完毕大量工作，由于字段和方法可能是从超类中继承而来的。这会让 JVM 向上遍历类层次结构来找到它们。由于 ID 对于特定类是相同的，因此仅仅须要查找一次，然后便可反复使用。相同，查找类对象的开销也非常大，因此也应该缓存它们。

以下对调用JNI接口FindClass查找Class、GetFieldID获取类的字段ID和GetFieldValue获取字段的值的性能做的一个測试。缓存表示仅仅调用一次，不缓存就是每次都调用相应的JNI接口：
java.version = 1.6.0_14
JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=false) 耗时 : 79172 ms 平均每秒 : 1263072
JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=false) 耗时 : 25015 ms 平均每秒 : 3997601
JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=true) 耗时 : 50765 ms 平均每秒 : 1969861
JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=true) 耗时 : 2125 ms 平均每秒 : 47058823
java.version = 1.5.0_04
JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=false) 耗时 : 87109 ms 平均每秒 : 1147987
JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=false) 耗时 : 32031 ms 平均每秒 : 3121975
JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=true) 耗时 : 51657 ms 平均每秒 : 1935846
JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=true) 耗时 : 2187 ms 平均每秒 : 45724737
java.version = 1.4.2_19
JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=false) 耗时 : 97500 ms 平均每秒 : 1025641
JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=false) 耗时 : 38110 ms 平均每秒 : 2623983
JNI 字段读取 (缓存Class=false ,缓存字段ID=true) 耗时 : 55204 ms 平均每秒 : 1811462
JNI 字段读取 (缓存Class=true ,缓存字段ID=true) 耗时 : 4187 ms 平均每秒 : 23883448
依据上面的測试数据得知。查找class和ID(属性和方法ID)消耗的时间比較大。

仅仅是读取字段值的时间基本上跟上面的JNI空方法是一个数量级。而假设每次都依据名称查找class和field的话，性能要下降高达40倍。读取一个字段值的性能在百万级上，在交互频繁的JNI应用中是不能忍受的。

消耗时间最多的就是查找class，因此在native里保存class和member id是非常有必要的。class和member id在一定范围内是稳定的。但在动态载入的class loader下，保存全局的class要么可能失效，要么可能造成无法卸载classloader,在诸如OSGI框架下的JNI应用还要特别注意这方面的问题。

在读取字段值和查找FieldID上，JDK1.4和1.5、1.6的差距是非常明显的。但在最耗时的查找class上，三个版本号没有明显差距。

通过上面的測试能够明显的看出。在调用JNI接口获取方法ID、字段ID和Class引用时。假设没用使用缓存的话。性能低至4倍。所以在JNI开发中，合理的使用缓存技术能给程序提高极大的性能。

缓存有两种，分别为使用时缓存和类静态初始化时缓存，差别主要在于缓存发生的时刻。

使用时缓存

字段ID、方法ID和Class引用在函数其中使用的同一时候就缓存起来。以下看一个演示样例：

package com.study.jnilearn;

public class AccessCache {

    private String str = "Hello";

    public native void accessField(); // 訪问str成员变量
    public native String newString(char[] chars, int len); // 依据字符数组和指定长度创建String对象

    public static void main(String[] args) {
        AccessCache accessCache = new AccessCache();
        accessCache.nativeMethod();
        char chars[] = new char[7];
        chars[0] = ‘中‘;
        chars[1] = ‘华‘;
        chars[2] = ‘人‘;
        chars[3] = ‘民‘;
        chars[4] = ‘共‘;
        chars[5] = ‘和‘;
        chars[6] = ‘国‘;
        String str = accessCache.newString(chars, 6);
        System.out.println(str);
    }

    static {
        System.loadLibrary("AccessCache");
    }
}

javah生成的头文件：com_study_jnilearn_AccessCache.h

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_study_jnilearn_AccessCache */
#ifndef _Included_com_study_jnilearn_AccessCache
#define _Included_com_study_jnilearn_AccessCache
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessCache
 * Method:    accessField
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField(JNIEnv *, jobject);

/*
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessCache
 * Method:    newString
 * Signature: ([CI)Ljava/lang/String;
 */
JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString(JNIEnv *, jobject,
jcharArray, jint);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

实现头文件里的函数：AccessCache.c

// AccessCache.c
#include "com_study_jnilearn_AccessCache.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField
  (JNIEnv *env, jobject obj)
{
    // 第一次訪问时将字段存到内存数据区，直到程序结束才会释放。能够起到缓存的作用
    static jfieldID fid_str = NULL;
    jclass cls_AccessCache;
    jstring j_str;
    const char *c_str;
    cls_AccessCache = (*env)->GetObjectClass(env, obj); // 获取该对象的Class引用
    if (cls_AccessCache == NULL) {
        return;
    }

    // 先推断字段ID之前是否已经缓存过。假设已经缓存过则不进行查找
    if (fid_str == NULL) {
        fid_str = (*env)->GetFieldID(env,cls_AccessCache,"str","Ljava/lang/String;");

        // 再次推断是否找到该类的str字段
        if (fid_str == NULL) {
            return;
        }
    }

    j_str = (*env)->GetObjectField(env, obj, fid_str);  // 获取字段的值
    c_str = (*env)->GetStringUTFChars(env, j_str, NULL);
    if (c_str == NULL) {
        return; // 内存不够
    }
    printf("In C:\n str = \"%s\"\n", c_str);
    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, j_str, c_str);   // 释放从从JVM新分配字符串的内存空间

    // 改动字段的值
    j_str = (*env)->NewStringUTF(env, "12345");
    if (j_str == NULL) {
        return;
    }
    (*env)->SetObjectField(env, obj, fid_str, j_str);

    // 释放本地引用
    (*env)->DeleteLocalRef(env,cls_AccessCache);
    (*env)->DeleteLocalRef(env,j_str);
}

JNIEXPORT jstring JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString
(JNIEnv *env, jobject obj, jcharArray j_char_arr, jint len)
{
    jcharArray elemArray;
    jchar *chars = NULL;
    jstring j_str = NULL;
    static jclass cls_string = NULL;
    static jmethodID cid_string = NULL;
    // 注意：这里缓存局引用的做法是错误。这里做为一个反面教材提醒大家，以下会说到。
    if (cls_string == NULL) {
        cls_string = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String");
        if (cls_string == NULL) {
            return NULL;
        }
    }

    // 缓存String的构造方法ID
    if (cid_string == NULL) {
        cid_string = (*env)->GetMethodID(env, cls_string, "<init>", "([C)V");
        if (cid_string == NULL) {
            return NULL;
        }
    }

    printf("In C array Len: %d\n", len);
    // 创建一个字符数组
    elemArray = (*env)->NewCharArray(env, len);
    if (elemArray == NULL) {
        return NULL;
    }

    // 获取数组的指针引用，注意：不能直接将jcharArray作为SetCharArrayRegion函数最后一个參数
    chars = (*env)->GetCharArrayElements(env, j_char_arr,NULL);
    if (chars == NULL) {
        return NULL;
    }
    // 将Java字符数组中的内容复制指定长度到新的字符数组中
    (*env)->SetCharArrayRegion(env, elemArray, 0, len, chars);

    // 调用String对象的构造方法，创建一个指定字符数组为内容的String对象
    j_str = (*env)->NewObject(env, cls_string, cid_string, elemArray);

    // 释放本地引用
    (*env)->DeleteLocalRef(env, elemArray);

    return j_str;
}

例1、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField函数中的第8行定义了一个静态变量fid_str用于存储字段的ID。每次调用函数的时候，在第18行先推断字段ID是否已经缓存，假设没有先取出来存到fid_str中。下次再调用的时候该变量已经有值了。不用再去JVM中获取，起到了缓存的作用。

例2、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString函数中的53和54行定义了两个变量cls_string和cid_string，分别用于存储java.lang.String类的Class引用和String的构造方法ID。在56行和64行处。使用前会先推断是否已经缓存过，假设没有则调用JNI的接口从JVM中获取String的Class引用和构造方法ID存储到静态变量其中。下次再调用该函数时就能够直接使用。不须要再去找一次了，也达到了缓存的效果，大家第一反映都会这么觉得。可是请注意：cls_string是一个局部引用。与方法和字段ID不一样，局部引用在函数结束后会被VM自己主动释放掉。这时cls_string成为了一个野针对（指向的内存空间已被释放。但变量的值仍然是被释放后的内存地址，不为NULL），当下次再调用Java_com_xxxx_newString这个函数的时候，会试图訪问一个无效的局部引用，从而导致非法的内存訪问造成程序崩溃。所以在函数内用static缓存局部引用这样的方式是错误的。

下篇文章会介绍局部引用和全局引用，利用全局引用来防止这样的问题，请关注。

类静态初始化缓存

在调用一个类的方法或属性之前。Java虚拟机会先检查该类是否已经载入到内存其中，假设没有则会先载入。然后紧接着会调用该类的静态初始化代码块。所以在静态初始化该类的过程其中计算并缓存该类其中的字段ID和方法ID也是个不错的选择。以下看一个演示样例：

package com.study.jnilearn;

public class AccessCache {

    public static native void initIDs(); 

    public native void nativeMethod();
    public void callback() {
        System.out.println("AccessCache.callback invoked!");
    }

    public static void main(String[] args) {
        AccessCache accessCache = new AccessCache();
        accessCache.nativeMethod();
    }

    static {
        System.loadLibrary("AccessCache");
        initIDs();
    }
}

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class com_study_jnilearn_AccessCache */
#ifndef _Included_com_study_jnilearn_AccessCache
#define _Included_com_study_jnilearn_AccessCache
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessCache
 * Method:    initIDs
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs
  (JNIEnv *, jclass);

/*
 * Class:     com_study_jnilearn_AccessCache
 * Method:    nativeMethod
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_nativeMethod
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

// AccessCache.c

#include "com_study_jnilearn_AccessCache.h"

jmethodID MID_AccessCache_callback;

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs
(JNIEnv *env, jclass cls)
{
    printf("initIDs called!!!\n");
    MID_AccessCache_callback = (*env)->GetMethodID(env,cls,"callback","()V");
}

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_nativeMethod
(JNIEnv *env, jobject obj)
{
    printf("In C Java_com_study_jnilearn_AccessCache_nativeMethod called!!!\n");
    (*env)->CallVoidMethod(env, obj, MID_AccessCache_callback);
}

JVM载入AccessCache.class到内存其中之后，会调用该类的静态初始化代码块，即static代码块，先调用System.loadLibrary载入动态库到JVM中。紧接着调用native方法initIDs。会调用用到本地函数Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs。在该函数中获取须要缓存的ID。然后存入全局变量其中。下次须要用到这些ID的时候，直接使用全局变量其中的就可以，如18行其中调用Java的callback函数。

(*env)->CallVoidMethod(env, obj, MID_AccessCache_callback);

两种缓存方式比較

假设在写JNI接口时，不能控制方法和字段所在类的源代码的话，用使用时缓存比較合理。

但比起类静态初始化时缓存来说。用使用时缓存有一些缺点：
1. 使用前。每次都须要检查是否已经缓存该ID或Class引用
2. 假设在用使用时缓存的ID。要注意仅仅要本地代码依赖于这个ID的值，那么这个类就不会被unload。

另外一方面。假设缓存发生在静态初始化时，当类被unload或reload时，ID会被又一次计算。由于。尽量在类静态初始化时就缓存字段ID、方法ID和类的Class引用。