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JNI/NDK開發指南（八）---JNI呼叫效能測試及優化

阿新 • • 發佈：2019-01-27

在前面幾章我們學習到了，在Java中宣告一個native方法，然後生成本地介面的函式原型宣告，再用C/C++實現這些函式，並生成對應平臺的動態共享庫放到Java程式的類路徑下，最後在Java程式中呼叫宣告的native方法就間接的呼叫到了C/C++編寫的函數了，在C/C++中寫的程式可以避開JVM的記憶體開銷過大的限制、處理高效能的計算、呼叫系統服務等功能。同時也學習到了在原生代碼中通過JNI提供的介面，呼叫Java程式中的任意方法和物件的屬性。這是JNI提供的一些優勢。但做過Java的童鞋應該都明白，Java程式是執行在JVM上的，所以在Java中呼叫C/C++或其它語言這種跨語言的介面時，或者說在C/C++程式碼中通過JNI介面訪問Java中物件的方法或屬性時，相比Java呼叫自已的方法，效能是非常低的！！！網上有朋友針對Java呼叫本地介面，Java調Java方法

做了一次詳細的測試，來充分說明在享受JNI給程式帶來優勢的同時，也要接受其所帶來的效能開銷，下面請看一組測試資料：

Java呼叫JNI空函式與Java呼叫Java空方法效能測試

測試環境：JDK1.4.2_19、JDK1.5.0_04和JDK1.6.0_14，測試的重複次數都是一億次。測試結果的絕對數值意義不大，僅供參考。因為根據JVM和機器效能的不同，測試所產生的數值也會不同，但不管什麼機器和JVM應該都能反應同一個問題，Java呼叫native介面，要比Java呼叫Java方法效能要低很多。

Java呼叫Java空方法的效能：

JDK版本 Java調Java耗時 平均每秒呼叫次數
1.6 329ms 303951367次
1.5 312ms 320512820次
1.4 312ms 27233115次

Java呼叫JNI空函式的效能：

JDK版本 Java調JNI耗時 平均每秒呼叫次數
1.6 1531ms 65316786次
1.5 1891ms 52882072次
1.4 3672ms 27233115次

從上述測試資料可以看出JDK版本越高，JNI呼叫的效能也越好。在JDK1.5中，僅僅是空方法呼叫，JNI的效能就要比Java內部呼叫慢將近5倍，而在JDK1.4下更是慢了十多倍。

JNI查詢方法ID、欄位ID、Class引用效能測試

當我們在原生代碼中要訪問Java物件的欄位或呼叫它們的方法時，本機程式碼必須呼叫FindClass()、GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()。對於 GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()，為特定類返回的 ID 不會在 JVM 程序的生存期內發生變化。但是，獲取欄位或方法的呼叫有時會需要在 JVM 中完成大量工作，因為欄位和方法可能是從超類中繼承而來的，這會讓 JVM 向上遍歷類層次結構來找到它們。由於 ID 對於特定類是相同的，因此只需要查詢一次，然後便可重複使用。同樣，查詢類物件的開銷也很大，因此也應該快取它們。下面對呼叫JNI介面FindClass查詢Class、GetFieldID獲取類的欄位ID和GetFieldValue獲取欄位的值的效能做的一個測試。快取

表示只調用一次，不快取就是每次都呼叫相應的JNI介面：
java.version = 1.6.0_14JNI 欄位讀取 (快取Class=false ,快取欄位ID=false) 耗時 : 79172 ms 平均每秒 : 1263072
JNI 欄位讀取 (快取Class=true ,快取欄位ID=false) 耗時 : 25015 ms 平均每秒 : 3997601
JNI 欄位讀取 (快取Class=false ,快取欄位ID=true) 耗時 : 50765 ms 平均每秒 : 1969861
JNI 欄位讀取 (快取Class=true ,快取欄位ID=true) 耗時 : 2125 ms 平均每秒 : 47058823
java.version = 1.5.0_04JNI 欄位讀取 (快取Class=false ,快取欄位ID=false) 耗時 : 87109 ms 平均每秒 : 1147987
JNI 欄位讀取 (快取Class=true ,快取欄位ID=false) 耗時 : 32031 ms 平均每秒 : 3121975
JNI 欄位讀取 (快取Class=false ,快取欄位ID=true) 耗時 : 51657 ms 平均每秒 : 1935846
JNI 欄位讀取 (快取Class=true ,快取欄位ID=true) 耗時 : 2187 ms 平均每秒 : 45724737
java.version = 1.4.2_19JNI 欄位讀取 (快取Class=false ,快取欄位ID=false) 耗時 : 97500 ms 平均每秒 : 1025641
JNI 欄位讀取 (快取Class=true ,快取欄位ID=false) 耗時 : 38110 ms 平均每秒 : 2623983
JNI 欄位讀取 (快取Class=false ,快取欄位ID=true) 耗時 : 55204 ms 平均每秒 : 1811462
JNI 欄位讀取 (快取Class=true ,快取欄位ID=true) 耗時 : 4187 ms 平均每秒 : 23883448
根據上面的測試資料得知，查詢class和ID(屬性和方法ID)消耗的時間比較大。只是讀取欄位值的時間基本上跟上面的JNI空方法是一個數量級。而如果每次都根據名稱查詢class和field的話，效能要下降高達40倍。讀取一個欄位值的效能在百萬級上，在互動頻繁的JNI應用中是不能忍受的。 消耗時間最多的就是查詢class，因此在native裡儲存class和member id是很有必要的。class和member id在一定範圍內是穩定的，但在動態載入的class loader下，儲存全域性的class要麼可能失效，要麼可能造成無法解除安裝classloader,在諸如OSGI框架下的JNI應用還要特別注意這方面的問題。在讀取欄位值和查詢FieldID上，JDK1.4和1.5、1.6的差距是非常明顯的。但在最耗時的查詢class上，三個版本沒有明顯差距。

通過上面的測試可以明顯的看出，在呼叫JNI介面獲取方法ID、欄位ID和Class引用時，如果沒用使用快取的話，效能低至4倍。所以在JNI開發中，合理的使用快取技術能給程式提高極大的效能。快取有兩種，分別為使用時快取和類靜態初始化時快取，區別主要在於快取發生的時刻。

使用時快取

欄位ID、方法ID和Class引用在函式當中使用的同時就快取起來。下面看一個示例：

package com.study.jnilearn;

public class AccessCache {

    private String str = "Hello";

    public native void accessField(); // 訪問str成員變數
    public native String newString(char[] chars, int len); // 根據字元陣列和指定長度建立String物件

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

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

javah生成的標頭檔案：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

實現標頭檔案中的函式：AccessCache.c

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

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField
  (JNIEnv *env, jobject obj)
{
    // 第一次訪問時將欄位存到記憶體資料區，直到程式結束才會釋放，可以起到快取的作用
    static jfieldID fid_str = NULL;
    jclass cls_AccessCache;
    jstring j_str;
    const char *c_str;
    cls_AccessCache = (*env)->GetObjectClass(env, obj); // 獲取該物件的Class引用
    if (cls_AccessCache == NULL) {
        return;
    }

    // 先判斷欄位ID之前是否已經快取過，如果已經快取過則不進行查詢
    if (fid_str == NULL) {
        fid_str = (*env)->GetFieldID(env,cls_AccessCache,"str","Ljava/lang/String;");

        // 再次判斷是否找到該類的str欄位
        if (fid_str == NULL) {
            return;
        }
    }

    j_str = (*env)->GetObjectField(env, obj, fid_str);  // 獲取欄位的值
    c_str = (*env)->GetStringUTFChars(env, j_str, NULL);
    if (c_str == NULL) {
        return; // 記憶體不夠
    }
    printf("In C:\n str = \"%s\"\n", c_str);
    (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, j_str, c_str);   // 釋放從從JVM新分配字串的記憶體空間

    // 修改欄位的值
    j_str = (*env)->NewStringUTF(env, "12345");
    if (j_str == NULL) {
        return;
    }
    (*env)->SetObjectField(env, obj, fid_str, j_str);

    // 釋放本地引用
    (*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：這裡快取局引用的做法是錯誤，這裡做為一個反面教材提醒大家，下面會說到。
    if (cls_string == NULL) {
        cls_string = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String");
        if (cls_string == NULL) {
            return NULL;
        }
    }

    // 快取String的構造方法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);
    // 建立一個字元陣列
    elemArray = (*env)->NewCharArray(env, len);
    if (elemArray == NULL) {
        return NULL;
    }

    // 獲取陣列的指標引用，注意：不能直接將jcharArray作為SetCharArrayRegion函式最後一個引數
    chars = (*env)->GetCharArrayElements(env, j_char_arr,NULL);
    if (chars == NULL) {
        return NULL;
    }
    // 將Java字元陣列中的內容複製指定長度到新的字元陣列中
    (*env)->SetCharArrayRegion(env, elemArray, 0, len, chars);

    // 呼叫String物件的構造方法，建立一個指定字元陣列為內容的String物件
    j_str = (*env)->NewObject(env, cls_string, cid_string, elemArray);

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

    return j_str;
}

例1、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField函式中的第8行定義了一個靜態變數fid_str用於儲存欄位的ID，每次呼叫函式的時候，在第18行先判斷欄位ID是否已經快取，如果沒有先取出來存到fid_str中，下次再呼叫的時候該變數已經有值了，不用再去JVM中獲取，起到了快取的作用。

例2、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString函式中的53和54行定義了兩個變數cls_string和cid_string，分別用於儲存java.lang.String類的Class引用和String的構造方法ID。在56行和64行處，使用前會先判斷是否已經快取過，如果沒有則呼叫JNI的介面從JVM中獲取String的Class引用和構造方法ID儲存到靜態變數當中。下次再呼叫該函式時就可以直接使用，不需要再去找一次了，也達到了快取的效果，大家第一反映都會這麼認為。但是請注意：cls_string是一個區域性引用，與方法和欄位ID不一樣，區域性引用在函式結束後會被VM自動釋放掉，這時cls_string成為了一個野針對（指向的記憶體空間已被釋放，但變數的值仍然是被釋放後的記憶體地址，不為NULL），當下次再呼叫Java_com_xxxx_newString這個函式的時候，會試圖訪問一個無效的區域性引用，從而導致非法的記憶體訪問造成程式崩潰。所以在函式內用static快取區域性引用這種方式是錯誤的。下篇文章會介紹區域性引用和全域性引用，利用全域性引用來防止這種問題，請關注。

類靜態初始化快取

在呼叫一個類的方法或屬性之前，Java虛擬機器會先檢查該類是否已經載入到記憶體當中，如果沒有則會先載入，然後緊接著會呼叫該類的靜態初始化程式碼塊，所以在靜態初始化該類的過程當中計算並快取該類當中的欄位ID和方法ID也是個不錯的選擇。下面看一個示例：

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載入AccessCache.class到記憶體當中之後，會呼叫該類的靜態初始化程式碼塊，即static程式碼塊，先呼叫System.loadLibrary載入動態庫到JVM中，緊接著呼叫native方法initIDs，會呼叫用到本地函式Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs，在該函式中獲取需要快取的ID，然後存入全域性變數當中。下次需要用到這些ID的時候，直接使用全域性變數當中的即可，如18行當中呼叫Java的callback函式。

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

兩種快取方式比較

如果在寫JNI介面時，不能控制方法和欄位所在類的原始碼的話，用使用時快取比較合理。但比起類靜態初始化時快取來說，用使用時快取有一些缺點：

  1. 使用前，每次都需要檢查是否已經快取該ID或Class引用
  2. 如果在用使用時快取的ID，要注意只要原生代碼依賴於這個ID的值，那麼這個類就不會被unload。另外一方面，如果快取發生在靜態初始化時，當類被unload或reload時，ID會被重新計算。因為，儘量在類靜態初始化時就快取欄位ID、方法ID和類的Class引用。

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