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# 13 | 外部函数接口，能不能取代Java本地接口？
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你好，我是范学雷。今天，我们一起来讨论Java的外部函数接口。
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Java的外部函数接口这个新特性，我写这篇文章的时候，还在孵化期，还没有发布预览版。由于孵化期的特性还不成熟，不同的版本之间的差异可能会很大。我建议你使用最新版本，现在来说就是JDK 17来体验孵化期的特性。
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Java的外部函数接口这个特性，有可能会是Java自诞生以来最重要的两个特性之一，它和外部内存接口一起，会极大地丰富Java语言的生态环境。提前了解一下这样的新特性，有助于我们思考现在的技术手段和未来的技术规划。
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我们从阅读案例开始，来看一看Java的外部函数接口为什么可能会带来这么大的影响，以及它能够给我们的代码带来什么样的变化吧。
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## 阅读案例
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我们知道，像Java或者Go这样的通用编程语言，都需要和其他的编程语言或者环境打交道，比如操作系统或者C语言。Java是通过Java本地接口（Java Native Interface, JNI）来支持这样的做法的。 本地接口，拓展了一门编程语言的生存空间和适用范围。有了本地接口，就不用所有的事情都在这门编程语言内部实现了。
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比如下面的代码，就是一个使用Java本地接口实现的“Hello, world!"的小例子。其中的sayHello这个方法，使用了修饰符native，这表明它是一个本地的方法。
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```java
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public class HelloWorld {
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static {
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System.loadLibrary("helloWorld");
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}
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public static void main(String[] args) {
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new HelloWorld().sayHello();
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}
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private native void sayHello();
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}
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```
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这个本地方法，可以使用C语言来实现。然后呢，我们需要生成这个本地方法对应的C语言的头文件。
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```bash
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$ javac -h . HelloWorld.java
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```
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有了这个自动生成的头文件，我们就知道了C语言里这个方法的定义。然后，我们就能够使用C语言来实现这个方法了。
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```c++
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#include "jni.h"
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#include "HelloWorld.h"
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#include <stdio.h>
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JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_sayHello(JNIEnv *env, jobject jObj) {
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printf("Hello World!\n");
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}
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```
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下一步，我们要把C语言的实现编译、链接放到它的动态库里。这时候，就要使用C语言的编译器了。
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```bash
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$ gcc -I$(JAVA_HOME)/include -I$(JAVA_HOME)/include/darwin \
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-dynamiclib HelloWorld.c -o libhelloWorld.dylib
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```
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完成了这一步，我们就可以运行这个Hello World的本地实现了。
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```bash
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java -cp . -Djava.library.path=. HelloWorld
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```
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你看，一个简单的“Hello, world!"的本地接口实现，需要经历下面这些步骤：
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1. 编写Java语言的代码（HelloWorld.java）；
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2. 编译Java语言的代码（HelloWorld.class）；
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3. 生成C语言的头文件（HelloWorld.h）；
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4. 编写C语言的代码（HelloWorld.c）;
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5. 编译、链接C语言的实现（libhelloWorld.dylib）；
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6. 运行Java命令，获得结果。
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其实，在Java本地接口的诸多问题中，像代码实现的过程不简洁这样的问题，还属于可以克服的小问题。
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Java本地接口面临的比较大的问题有两个。
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一个是C语言编译、链接带来的问题，因为Java本地接口实现的动态库是平台相关的，所以就没有了Java语言“一次编译，到处运行”的跨平台优势；另一个问题是，因为逃脱了JVM的语言安全机制，JNI本质上是不安全的。
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Java的外部函数接口，是Java语言的设计者试图解决这些问题的一个探索。
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## 外部函数接口
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Java的外部函数接口是什么样子的呢？下面的代码，就是一个使用Java的外部函数接口实现的“Hello, world!"的小例子。我们来一起看看，Java的外部函数接口是怎么工作的。
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```bash
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import java.lang.invoke.MethodType;
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import jdk.incubator.foreign.*;
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public class HelloWorld {
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public static void main(String[] args) throws Throwable {
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try (ResourceScope scope = ResourceScope.newConfinedScope()) {
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CLinker cLinker = CLinker.getInstance();
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MemorySegment helloWorld =
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CLinker.toCString("Hello, world!\n", scope);
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MethodHandle cPrintf = cLinker.downcallHandle(
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CLinker.systemLookup().lookup("printf").get(),
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MethodType.methodType(int.class, MemoryAddress.class),
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FunctionDescriptor.of(CLinker.C_INT, CLinker.C_POINTER));
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cPrintf.invoke(helloWorld.address());
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}
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}
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}
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```
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在这段代码里，try-with-resource语句里使用的ResourceScope这个类，定义了内存资源的生命周期管理机制。
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第8行代码里的CLinker，实现了C语言的应用程序二进制接口（Application Binary Interface，ABI）的调用规则。这个接口的对象，可以用来链接C语言实现的外部函数。
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接下来，也就是第12行代码，我们使用CLinker的函数标志符（Symbol）查询功能，查找C语言定义的函数printf。在C语言里，printf这个函数的定义就像下面的代码描述的样子。
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```c++
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int printf(const char *restrict format, ...);
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```
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C语言里，printf函数的返回值是整型数据，接收的输入参数是一个可变长参数。如果我们要使用C语言打印“Hello, world!”，这个函数调用的形式就像下面的代码。
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```c++
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printf("Hello World!\n");
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```
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接下来的两行代码（第13行和第14行代码），就是要把这个调用形式，表达成Java语言外部函数接口的形式。这里使用了JDK 7引入的MethodType，以及尚处于孵化期的FunctionDescriptor。MethodType定义了后面的Java代码必须遵守的调用规则。而FunctionDescriptor则描述了外部函数必须符合的规范。
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好了，到这里，我们找到了C语言定义的函数printf，规定了Java调用代码要遵守的规则，也有了外部函数的规范。调用一个外部函数需要的信息就都齐全了。接下来，我们生成一个Java语言的方法句柄（MethodHandle）（第11行），并且按照前面定义的Java调用规则，使用这个方法句柄（第15行），这样我们就能够访问C语言的printf函数了。
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对比阅读案例里使用JNI实现的代码，使用外部函数接口的代码，不再需要编写C代码。当然，也不再需要编译、链接生成C的动态库了。所以，由动态库带来的平台相关的问题，也就不存在了。
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## 提升的安全性
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更大的惊喜，来自于外部函数接口在安全性方面的提升。
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从根本上说，任何Java代码和本地代码之间的交互，都会损害Java平台的完整性。链接到预编译的C函数，本质上是不可靠的。Java运行时，无法保证C函数的签名和Java代码的期望是匹配的。其中一些可能会导致JVM崩溃的错误，这在Java运行时无法阻止，Java代码也没有办法捕获。
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而使用JNI代码的本地代码则尤其危险。这样的代码，甚至可以访问JDK的内部，更改不可变数据的数值。允许本地代码绕过Java代码的安全机制，破坏了Java的安全性赖以存在的边界和假设。所以说，JNI本质上是不安全的。
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遗憾的是，这种破坏Java为台完整系的风险，对于应用程序开发人员和最终用户来说，几乎是无法察觉的。因为，随着系统的不断丰富，99%的代码来自于夹在JDK和应用程序之间的第三方、第四方、甚至第五方的类库里。
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相比之下，大部分外部函数接口的设计则是安全的。一般来说，使用外部函数接口的代码，不会导致JVM的崩溃。也有一部分外部函数接口是不安全的，但是这种不安全性并没有到达JNI那样的严重性。可以说，使用外部函数接口的代码，是Java代码，因此也受到Java安全机制的约束。
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## JNI退出的信号
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当出现了一个更简单、更安全的方案后，原有的方案很难再有竞争力。外部函数接口正式发布后，JNI的退出可能也就要提上议程了。
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在外部函数接口的提案里，我们可以看到这样的描述：
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> JNI 机制是如此危险，以至于我们希望库在安全和不安全操作中都更喜欢纯Java的外部函数接口，以便我们可以在默认情况下及时全面禁用JNI。这与使Java平台开箱即用、缺省安全的更广泛的Java路线图是一致的。
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安全问题往往具有一票否决权，所以，JNI的退出很可能比我们预期的还要快！
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## 总结
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好，到这里，我来做个小结。前面，我们讨论了Java的外部函数接口这个尚处于孵化阶段的新特性，对外部函数接口这个新特性有了一个初始的印象。外部内存接口和外部函数接口联系在一起，为我们提供了一个崭新的不同语言之间的协作方案。
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如果外部函数接口正式发布出来，我们可能需要考虑切换到外部函数接口，逐步退出传统的、基于JNI的解决方案。
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这一次学习的主要目的，就是让你对外部函数接口有一个基本的印象。由于外部函数接口尚处于孵化阶段，所以我们不需要学习它的API。只要知道Java有这个发展方向，目前来说就足够了。
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如果面试中聊到了Java的未来，你不妨聊一聊外部内存接口和外部函数接口，它们要解决的问题，以及能带来的变化。
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## 思考题
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其实，今天的这个新特性，也是练习使用JShell快速学习新技术的一个好机会。我们在前面的讨论里，分析了下面这段代码。为了方便你阅读，我把这段代码重新拷贝到下面了。
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```java
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try (ResourceScope scope = ResourceScope.newConfinedScope()) {
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CLinker cLinker = CLinker.getInstance();
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MemorySegment helloWorld =
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CLinker.toCString("Hello, world!\n", scope);
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MethodHandle cPrintf = cLinker.downcallHandle(
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CLinker.systemLookup().lookup("printf").get(),
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MethodType.methodType(int.class, MemoryAddress.class),
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FunctionDescriptor.of(CLinker.C_INT, CLinker.C_POINTER));
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cPrintf.invoke(helloWorld.address());
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}
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```
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你能不能找一个你熟悉的C语言标准函数，试着修改上面的代码，快速地验证一下外部函数接口能不能按照你的预期工作？
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需要注意的是，要想使用孵化期的JDK技术，需要在JShell里导入孵化期的JDK模块。就像下面的例子这样。
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```java
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$ jshell --add-modules jdk.incubator.foreign -v
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| Welcome to JShell -- Version 17
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| For an introduction type: /help intro
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jshell> import jdk.incubator.foreign.*;
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```
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欢迎你在留言区留言、讨论，分享你的阅读体验以及你的设计和代码。我们下节课见！
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注：本文使用的完整的代码可以从[GitHub](https://github.com/XueleiFan/java-up/tree/main/src/main/java/co/ivi/jus/foreign)下载，你可以通过修改[GitHub](https://github.com/XueleiFan/java-up/tree/main/src/main/java/co/ivi/jus/foreign)上[review template](https://github.com/XueleiFan/java-up/blob/main/src/main/java/co/ivi/jus/foreign/review/xuelei/foreignMemory.jsh)代码，完成这次的思考题。如果你想要分享你的修改或者想听听评审的意见，请提交一个 GitHub的拉取请求（Pull Request），并把拉取请求的地址贴到留言里。这一小节的拉取请求代码，请在[外部函数接口专用的代码评审目录](https://github.com/XueleiFan/java-up/tree/main/src/main/java/co/ivi/jus/foreign/review)下，建一个以你的名字命名的子目录，代码放到你专有的子目录里。比如，我的代码，就放在memory/review/xuelei的目录下面。
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