واجهة جافا الأصلية

واجهة جافا الأصلية (أو واجهة الأساليب الأصلية) هي واجهة وظائف خارجية مصممة لأطر البرمجة غير المكتوبة بلغة جافا . تُمكّن JNI شيفرة جافا من استدعاء الشيفرة الأصلية (أي أي شيفرة تستخدم واجهة التطبيقات الثنائيةJNIEnv C وتتفاعل معها ) والتطبيقات الأصلية (البرامج الخاصة بمنصة أجهزة ونظام تشغيل ) والمكتبات المكتوبة بلغات أخرى مثل C و C++ ولغة التجميع ، كما تُمكّنها من أن تُستدعى من قبلها . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

يُقدّم الإصدار 22 من جافا واجهة برمجة تطبيقات الوظائف الخارجية والذاكرة ، والتي يُمكن اعتبارها خليفةً لواجهة جافا الأصلية. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تتيح JNI استخدام الدوال الأصلية لتمكين التطبيقات من إجراء استدعاءات خارج منصة Java، على سبيل المثال عندما لا تدعم مكتبة فئات Java القياسية ميزات خاصة بمنصة معينة أو مكتبة برمجية محددة. كما تُستخدم لتعديل تطبيق موجود (مكتوب بلغة برمجة أخرى) ليصبح متاحًا لتطبيقات Java. تعتمد العديد من فئات المكتبة القياسية على JNI لتوفير وظائف للمطور والمستخدم، مثل عمليات إدخال/إخراج الملفات وواجهات برمجة تطبيقات الصوت. يُسمح فقط للتطبيقات والتطبيقات المصغّرة الموقّعة باستدعاء JNI.

يُتيح إطار عمل JNI للبرامج الأصلية معالجة كائنات جافا واستخدامها . يمكن للدالة الأصلية (المُشار إليها بالكلمة المفتاحية nativeفي جافا) إنشاء كائنات جافا وفحصها واستخدامها لتنفيذ مهامها. كما يمكن للدالة الأصلية فحص واستخدام الكائنات التي أنشأها كود تطبيق جافا.

يفقد التطبيق الذي يعتمد على JNI قابلية نقل النظام الأساسي التي توفرها Java (الحل الجزئي هو كتابة تطبيق منفصل لرمز JNI لكل نظام أساسي وجعل Java تكتشف نظام التشغيل وتحمل النظام الصحيح في وقت التشغيل).

لا يقتصر الأمر على إمكانية تفاعل الكود الأصلي مع جافا، بل يمكنه أيضًا الرسم على جافا Canvas، وهو أمر ممكن باستخدام واجهة جافا الأصلية AWT ، المتوفرة منذ J2SE 1.3.

تتيح JNI أيضًا الوصول المباشر إلى لغة التجميع ، دون الحاجة إلى وسيط C. ^{[ 6 ]} كما يُمكن الوصول إلى تطبيقات Java من لغة التجميع بنفس الطريقة. ^{[ 7 ]}

JNI هي نقطة الدخول بين اللغات المستخدمة لبدء تشغيل JVM. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

أنواع جافا هي الأنواع الأولية الافتراضية المتوفرة في جافا، بينما تُستخدم توقيعات أنواع JVM كمعرفات من قِبل JVM لتحديد مطابقة الأنواع في جافا، أما الأنواع الأصلية فهي أنواع مُعرَّفة بواسطة JNI نفسه لربطها بالأنواع الأصلية. بالنسبة للأنواع الأولية، يتم توفير تعريفات الأنواع التالية: ^{[ 12 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يشير توقيع نوع JVM إلى الفئة المحددة بشكل فريد بهذا الاسم، على سبيل المثال، يشير التوقيع ( في ملفات الفئات ) إلى الفئة . يشير البادئة إلى التوقيع إلى مصفوفة من هذا النوع؛ على سبيل المثال، يشير إلى ، ويشير إلى ، بحد أقصى 255 بُعدًا.Lfully-qualified-class;Ljava.lang.String;Ljava/lang/String;java.lang.String[[Iint[][[Iint[][]

هذه الأنواع قابلة للتبديل. يمكنك استخدام النوع `string` jintحيث تستخدم النوع `string` عادةً int، والعكس صحيح، دون الحاجة إلى أي تحويل للأنواع . مع ذلك، يختلف الربط بين سلاسل Java النصية والمصفوفات والسلاسل النصية والمصفوفات الأصلية؛ على سبيل المثال، `string` jstringو`string` char*ليسا نوعين قابلين للتبديل، وكذلك `string` jintArrayو`string` int[].

يحتوي JNI أيضًا على التصريحات التالية لأنواع المراجع في Java في <jni.h>: ^{[ 13 ]}

#ifdef __cplusplus class _jobject {}; class _jclass : public _jobject {}; // ... typedef _jobject * jobject ; typedef _jclass * jclass ; // ... #else struct _jobject ; // ... typedef struct _jobject * jobject ; typedef jobject jclass ; // ... #endif

هنا، تُعرَّف جميع أنواع المراجع في جافا على أنها أنواع فارغة مبهمة تعمل كمقابض لكائنات جافا. لا ينبغي فك مرجعية هذه الأنواع. ^{[ 14 ]}

بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الأنواع المعتمة التالية كمقابض:

لاحظ مع ذلك أن jfieldIDو jmethodIDمجرد مقابض مبهمة، ولا تتوافق مع java.lang.reflect.Field/ java.lang.reflect.Method.

يتم التوسط في الاتصال بين الكود الأصلي وكود جافا بواسطة JNI، الذي يعمل كواجهة تطبيق ثنائية (ABI) .

// ملف jni.hstruct JNINativeInterface_ ; struct JNIEnv_ ;#ifdef __cplusplus typedef JNIEnv_ JNIEnv ; #else typedef const struct JNINativeInterface_ * JNIEnv ; #endif

JNIEnvيُستخدم للوصول إلى بنية الدوال (مصفوفة من مؤشرات الدوال)، حيث يمكن تحديد كل دالة بواسطة مؤشر فريد. ^{[ 15 ]} قد يختلف التنفيذ قليلاً باختلاف لغة البرمجة، سواء كانت C أو C++. ^{[ 16 ]} على سبيل المثال، في لغة C:

// ملف jni.hstruct JNINativeInterface_ {jint ( JNICALL * GetVersion ) // تعريف مؤشر JNICALL لتحديد الدالة المحددة؛ ( JNIEnv * env ); // المعامل env هو مؤشر إلى مؤشر JNIEnv، أي مؤشر إلى مؤشر؛jclass ( JNICALL * DefineClass ) ( JNIEnv * env , const char * name );jclass ( JNICALL * FindClass ) ( JNIEnv * env , const char * name );// مؤشرات الدوال الأخرى... }

خارجي "C" {JNIEXPORT void JNICALL Java_ClassName_MethodName ( JNIEnv * env , jobject obj , jstring javaString ) { const char * أصليString = env -> GetStringUTFChars ( javaString , 0 );// قم بتنفيذ إجراء ما باستخدام السلسلة الأصليةenv -> ReleaseStringUTFChars ( javaString , nativeString ); }}

#include <stdio.h> #include <jni.h>JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloJNI_sayHello ( JNIEnv * env , jobject obj ) { printf ( "مرحباً من لغة C! \n " ); }

public class HelloJNI { static { // "hello" يشير إلى libhello.so على نظام Linux System.loadLibrary ( "hello" ) ; // System.load() هي طريقة أخرى لتحميل مكتبة. }public native void sayHello ();public static void main ( String [] args ) { new HelloJNI (). sayHello (); } }

يتكبد JNI تكاليف إضافية كبيرة وخسائر في الأداء في ظل ظروف معينة: ^{[ 19 ]}

• تُعد استدعاءات الدوال لأساليب JNI مكلفة، خاصة عند استدعاء أسلوب معين بشكل متكرر.
• لا يتم تضمين الطرق الأصلية بواسطة JVM، ولا يمكن تجميع الطريقة في الوقت المناسب ، لأن الطريقة مجمعة بالفعل.
• يمكن نسخ مصفوفة جافا للوصول إليها في الكود الأصلي، ثم نسخها مرة أخرى لاحقًا. وتتناسب التكلفة طرديًا مع حجم المصفوفة.
• إذا تم تمرير كائن إلى الدالة، أو احتاجت إلى استدعاء دالة رد نداء، فمن المرجح أن تقوم الدالة الأصلية باستدعاءات خاصة بها إلى آلة جافا الافتراضية (JVM). يؤدي الوصول إلى حقول جافا، والدوال، والأنواع من الكود الأصلي إلى استدعاء انعكاس جافا . يتم تحديد التوقيعات كسلاسل نصية ويتم الاستعلام عنها من آلة جافا الافتراضية. هذا الأسلوب بطيء وعرضة للأخطاء.
• تُعتبر سلاسل جافا كائنات، ولها طول، ويتم ترميزها. قد يتطلب الوصول إلى سلسلة أو إنشائها...${\displaystyle O(n)}$ينسخ.

قدمت Java 22 واجهة برمجة تطبيقات الوظائف الخارجية والذاكرة (Foreign Function and Memory API)، والتي java.lang.foreignيمكن اعتبارها خليفةً لواجهة Java الأصلية (JNI). ^{[ 20 ]} تتميز بواجهة أبسط وتتطلب عادةً كتابة أكواد أقل من JNI، نظرًا لعدم الحاجة إلى تضمينها <jni.h>في المكتبة الخارجية لاستدعائها، كما أنها تُجرّد استخدام الكلمة nativeالمفتاحية تمامًا. تدعم هذه الواجهة إدارة الذاكرة القائمة على المناطق . يُمثل الصنف java.lang.foreign.MemorySegmentجزءًا متجاورًا من الذاكرة، والذي قد يقع داخل أو خارج كومة JVM، ويتم java.lang.foreign.MemorySegmentتخصيصه باستخدام java.lang.foreign.Arenaمُتحكم يتحكم في عمر منطقة الذاكرة التي تدعم الجزء المُخصص منها.

يقدم java.lang.foreign.Arenaأنواع الساحات التالية: ^{[ 21 ]}

package org.wikipedia.examples ;استيراد java.lang.foreign.Arena ؛ استيراد java.lang.foreign.MemorySegment ؛ استيراد java.lang.foreign.ValueLayout ؛public class ForeignMemoryExample { public static void main ( String [] args ) { try ( Arena arena = Arena . ofConfined ()) { MemorySegment segment = arena . allocate ( 5 * Double . BYTES ); for ( int i = 0 ; i < 5 ; ++ i ) { segment . setAtIndex ( ValueLayout . JAVA_DOUBLE , i , i * 1.1 ); }for ( int i = 0 ; i < 5 ; ++ i ) { double value = segment.getAtIndex ( ValueLayout.JAVA_DOUBLE , i ) ; System.out.printf ( " القيمة عند الفهرس % d: %d% n " , i , value ) ; } } } }

بمعنى ما، تسمح واجهة برمجة تطبيقات Java Foreign Function and Memory بتخصيص الذاكرة بشكل مباشر خارج كومة JVM (أي كومة نظام التشغيل)، من خلال Arena.allocate()و MemorySegment.allocateNative()التي تقوم بتخصيص الذاكرة الخام مباشرة، بينما يتم استخدام Arena.close()و MemorySegment.close()لإلغاء تخصيص / تحرير جزء الذاكرة.

باعتبارها واجهة وظيفة خارجية ، يتم توفير الفئات java.lang.foreign.Linkerللوصول بين الوظائف الخارجية من Java (من وإلى)، java.lang.foreign.SymbolLookupلاسترداد عنوان رمز في مكتبة، java.lang.foreign.FunctionDescriptorولنمذجة توقيع وظيفة خارجية.

package org.wikipedia.examples ;استيراد java.lang.foreign.Arena ؛ استيراد java.lang.foreign.FunctionDescriptor ؛ استيراد java.lang.foreign.Linker ؛ استيراد java.lang.foreign.MemorySegment ؛ استيراد java.lang.foreign.SymbolLookup ؛ استيراد java.lang.foreign.ValueLayout ؛ استيراد java.lang.invoke.MethodHandle ؛public class ForeignFunctionExample { public static void main ( String [] args ) throws Throwable { Linker linker = Linker . nativeLinker (); SymbolLookup stdlib = linker . defaultLookup (); MethodHandle printf = linker . downcallHandle ( stdlib . findOrThrow ( "printf" ), FunctionDescriptor . of ( ValueLayout . JAVA_INT , ValueLayout . ADDRESS ) );MethodHandle strlen = linker.downcallHandle ( stdlib.findOrThrow ( " strlen " ) , FunctionDescriptor.of ( ValueLayout.JAVA_LONG , ValueLayout.ADDRESS ) ) ;​​​​​​try ( Arena arena = Arena . ofConfined ()) { MemorySegment formatString = arena . allocateUtf8String ( "Hello, %s!\n" ); MemorySegment argString = arena . allocateUtf8String ( "World" ); printf . invokeExact ( formatString , argString ); // يطبع "Hello, World!" long len = ( long ) strlen . invokeExact ( formatString ); // len = 5 } } }

يتم تصميم التخطيطات بواسطة java.lang.foreign.ValueLayout، والتي تتكون من:

تتلقى الأنواع الأولية ValueLayout.JAVA_*تخطيطات عند تعيينها لأنواعها الأصلية، بينما تستخدم أنواع المؤشرات ValueLayout.ADDRESS(على سبيل المثال char*، int**أو struct Point*).

بالإضافة إلى ذلك، فإن الثابت MemorySegment.NULL(من النوع java.lang.foreign.MemorySegment) هو مقطع أصلي بطول صفر يمثل عنوانًا فارغًا ( nullptr)، وهو ما يعادل MemorySegment.ofAddress(0).

توفر لغة جافا طرقًا إضافية للتعبير عن أنواع البيانات الأصلية الأكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، أنواع البيانات الأصلية التالية ^{[ 22 ]}

struct Point { int x ; long y ; };اتحاد الاختيار { عدد عشري أ ; عدد صحيح ب ; };

استلم التصاميم التالية:

استيراد java.lang.foreign.MemoryLayout ؛ استيراد java.lang.foreign.StructLayout ؛ استيراد java.lang.foreign.UnionLayout ؛StructLayout pointLayout = MemoryLayout.structLayout ( ValueLayout.JAVA_INT.withName ( " x " ) , MemoryLayout.paddingLayout ( 4 ) , ValueLayout.JAVA_LONG.withName ( " y " ) } ;​​​​​UnionLayout choiceLayout = MemoryLayout.unionLayout ( ValueLayout.JAVA_FLOAT.withName ( " a " ) ) , ValueLayout.JAVA_INT.withName ( " b " ) ) ;​​​

تم إنشاء واجهة وقت تشغيل جافا بواسطة نتسكيب كسابقة. ^{[ 23 ]}

كان لدى تطبيق مايكروسوفت الخاص لآلة جافا الافتراضية ( Visual J++ ) آلية مشابهة لاستدعاء التعليمات البرمجية الأصلية من جافا، تُسمى واجهة RNI (الواجهة الأصلية الخام). بالإضافة إلى ذلك، وفرت طريقة سهلة لاستدعاء التعليمات البرمجية الأصلية الموجودة التي لا تدعم جافا، مثل (على سبيل المثال لا الحصر) واجهة برمجة تطبيقات ويندوز (J/Direct). مع ذلك، وبعد الدعوى القضائية بين صن ومايكروسوفت بشأن هذا التطبيق، توقف دعم Visual J++ . كان استخدام RNI أسهل من JNI، لأنه لم يكن يتطلب إدارة مؤشر بيئة جافا؛ بل كان يتم الوصول إلى جميع كائنات جافا مباشرةً. ولتسهيل ذلك، استُخدمت أداة لإنشاء ملفات رأسية من فئات جافا. وبالمثل، كان استخدام J/Direct أسهل من استخدام المكتبة الأصلية الوسيطة اللازمة وJNI.

مكتبة Java Native Access (JNA) هي مكتبة طوّرها المجتمع، تُتيح لمبرمجي جافا الوصول بسهولة إلى المكتبات المشتركة الأصلية دون استخدام JNI. مع ذلك، يتطلب هذا إعادة توزيع مكتبة JAR التابعة. يكمن المقابل في كون JNI أكثر تعقيدًا وJNA أبطأ، بالإضافة إلى أنها ليست مدمجة مثل JNI. ^{[ 24 ]}

تاريخيًا، كان مُجمِّع GCC (حتى الإصدار 7) يُقدِّم مُجمِّع GNU للغة Java . وقدَّم هذا المُجمِّع واجهة Compiled Native Interface (CNI)، التي سمحت بالتوافق المباشر بين لغتي C++ و Java. كما وفَّر واجهة برمجة تطبيقات (API) تعتمد بشكل كبير على JNI نفسها. ^{[ 25 ]} وقد ادَّعى العديد من المزايا على JNI، حيثُ كان يُمثِّل فئات Java مباشرةً كفئات C++ . ^{[ 26 ]}

منذ إصدار Java 22، حلت واجهة برمجة التطبيقات للوظائف الخارجية والذاكرة محل JNI، وذلك بسبب تقليلها للرموز النمطية وتبسيط واجهتها. ^{[ 20 ]}

• C++/CLI
• GIWS (برنامج)
• غلوجين
• جسر الوصول إلى جافا
• بروتوكول تصحيح أخطاء جافا
• الوصول الأصلي لجافا
• واجهة أدوات آلة جافا الافتراضية
• مترجم GNU للغة جافا
• libffi
• خدمات استدعاء المنصة
• جدول الرموز
• جرعة كبيرة

• مواصفات واجهة برمجة تطبيقات JNI 25.0 من أوراكل
• واجهة جافا الأصلية: دليل المبرمج والمواصفات
• JNI في Xcode من Apple
• معالجة الاستثناءات في JNI
• دليل استخدام واجهة برمجة تطبيقات الوظائف الخارجية والذاكرة