Java Native Calls. Einbinden von C Bibliotheken in Java Klassen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff

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1 Java Native Calls Einbinden von C Bibliotheken in Java Klassen Prof. Dr. Nikolaus Wulff

2 GUI und Model Die GUI des DeviceEditors ist in Java implementiert. Die Anwendung ist allerdings ohne eine fachliche Logik ein reines Malwerkzeug. Die fachliche Logik der elektrischen Bauteile besitzt bislang lediglich eine C Implementierung. Was fehlt ist eine Erweiterung der graphischen Klassen um die fachliche Logik. Hierzu bietet es sich an die graphischen Bauteile als Adapter zu verwenden, die an die fachliche Implementierung delegiert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 2

3 MVC beim DeviceEditor View JComponent (from Painter (from manages 0..* <<Interface>> Paintable (from painter) DevicePainter (from v iew) /manage 0..* DeviceGUI (from vie w) delegates peer 1 Device (from DeviceController (from controller) <<Interface>> MouseListener (from jav a.awt) ResistorGUI (from view) /delegates 1 Resistor (from model) CrossWire (from MouseAdapter (from jav a.awt) CapacitorGUI (from view) /delegates 1 Capacitor (from model) Controller View Adapter Model Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 3

4 Einbinden von C in Java Die Scheinwiderstände der Devices wurden am Anfang des Semesters mit Hilfe von C Methoden realisiert. Wie lässt sich diese Implementierung wieder verwenden? Neu- bzw. Nachimplementierung in Java C Routinen in Java Code einbinden Welcher Ansatz verwendet wird richtet sich nach dem Aufwand und Nutzen... Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 4

5 Shapes kanonische Form Die Aufteilung in Methoden und Attribute erfolgt in zwei Structs XXX_Instance und XXX_Class: typedef struct Shape_Instance_struct* Shape; typedef struct Shape_Class_struct { void (*draw) (Shape ashape); void (*erase) (Shape ashape); void (*moveto) (Shape ashape, int x,int y); } ShapeClass; typedef struct Shape_Instance_struct { ShapeClass *class; int pos_x; int pos_y; <<Data>> } ShapInstance; ShapeInstance ShapeClass pos_x pos_y 1 <<Methods>> ShapeClass moveto() moveby() Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 5

6 Widerstand ADT /** * Resistor.h * Definition of Resistor ADT * $Id: Resistor.h,v /10/26 10:07:27 nwulff Exp $ */ #ifndef RESISTOR_H_ #define RESISTOR_H_ #include "Device.h" typedef struct resistor_struct* Resistor; struct resistor_struct { Impedance impedance; Conductance conductance; double resistance; char type; char* name; }; extern Device createresistor(double resistance); #endif /* RESISTOR_H_ defined */ Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 6

7 Native Code Java bietet die Möglichkeit Klassen mit Methoden zu schreiben, die in C realisiert werden. Hierzu werden die Methoden mit dem Schlüsselwort native markiert, ohne das eine Implementierung in Java erfolgt. public class Resistor extends Device { } /* (non-javadoc) model.device#getconductance(double) public native Complex getconductance(double omega); Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 7

8 C Header-Dateien generieren Nach dem Übersetzen von Resistor.java wird mit dem Tool javah ein C Header-Datei Resistor.h generiert. In dieser stehen die Deklarationen der fehlenden zu implementierenden nativen C/Java Funktionen. Eine entsprechende Implementierung Resistor.c wird dann zu einer Bibliothek gebunden. Resistor.java Resistor.h Resistor.c libresistor.so Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 8

9 Resistor.h /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */ #include <jni.h> /* Header for class model_resistor */ #ifndef _Included_model_Resistor #define _Included_model_Resistor #ifdef cplusplus extern "C" { #endif Complex getconductance(double omega); /* * Class: model_resistor * Method: getconductance * Signature: (D)Lmath/Complex; */ JNIEXPORT jobject JNICALL Java_model_Resistor_getConductance (JNIEnv *, jobject, jdouble); #ifdef cplusplus } #endif #endif JVM Resistor Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 9

10 Resistor.c howto? Wie kann jetzt die C Methode implementiert werden? Benötigt wird nicht nur der Wert omega, sondern auch der Widerstand (bzw. die Kapazität etc) des jeweiligen Bauteils. Ausserdem muss ein neues Java Objekt vom Typ Complex zurückgegeben werden. Dies kann kein einfacher C-struct sein... Es lassen sich nicht nur von Java aus C Routinen rufen, sondern diese können auch ihrerseits wieder auf Java Klassen, Objekten und Methoden zurückgreifen! Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 10

11 Java Reflection Jedem Java Objekt ist eineindeutig ein Class Objekt zugeordnet. Class c = obj.getclass() Dieses Class Objekt enthält Metainformationen und bietet Java FunctionPointer : Method m = c.getdeclaredmethod(name,...) Field f = c.getdeclaredfield(name) Diese FunctionPointer erlauben das Objekt zu manipulieren: double x = f.getdouble(obj) m.invoke(obj,...) Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 11

12 Java Reflection API Object Class 1 Package name : MyClass myat tribute mymethod() <<Interface>> Member Constructor (from Field (from Method (from Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 12

13 Native Code API Alle C Methoden erhalten eine Referenz auf die JVM Umgebung und das entsprechende Java Objekt, dessen native Methode entwickelt wird. Dieses Umgebungsobjekt ist eine C Struktur, die verschieden FunctionPointer anbietet, um Methoden und Felder beliebiger Objekt zu addressieren. Ermitteln des Class Objekts von obj: jclass clazz = (*env)->getobjectclass(env, obj); Ermitteln der Methode double getvalue() : Signatur jmethodid method = (*env)->getmethodid(env, clazz, "getvalue", "()D"); Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 13

14 Zugriff auf Felder Felder können direkt aus C addressiert werden. Es wird keine Rücksicht auf private genommen! jfieldid field; field = (*env)->getfieldid(env, clazz, "x", "D"); (*env)->setdoublefield(env, complex, field, 1.0); Die zu verwendenen C Methoden sind in der Datei <jni.h> deklariert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 14

15 Aufruf von Funktionen Aufruf der Methode getvalue : double x; x = (*env)->calldoublemethod(env, obj, method); Gegenstück setvalue : method = (*env)->getmethodid(env, clazz, "setvalue", "(D)V"); (*env)->callvoidmethod(env, obj, method, x); Die Signatur dient dazu überladene Methoden eindeutig zu identifizieren. Wie kann effizient die genaue Signatur der Methode ermittelt werden? Signatur Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 15

16 Java Disassembler Der Java Disassembler javap gestattet es in das Innere von Java Klassen zu schauen. Mit den Parametern -p -s liefert javap die Signatur Informationen: ~/workspace/jdevices/bin> javap -s -p model.resistor Compiled from "Resistor.java" public class model.resistor extends model.device{ public model.resistor(); Signature: ()V private native void calculateimpedance(math.complex, double); Signature: (Lmath/Complex;D)V public math.complex getimpedance(double); Signature: (D)Lmath/Complex; public native math.complex getconductance(double); Signature: (D)Lmath/Complex; } Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 16

17 Objekterzeugung Primitive Datentypen können dirket zurückgegeben werden. Objekte müssen erst erzeugt werden: jclass clazz; jobject complex = NULL; clazz = (*env)->findclass(env, "math/complex"); assert(clazz!= NULL); complex = (*env)->allocobject(env,clazz); assert(complex!= NULL); return complex; Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 17

18 Einbinden der C Bibliothek Vor dem Verwenden von native Klassen muß die zugehörige C Bibliothek geladen werden. Diese hat immer den generischen Namen libxxx.so für Unixe libxxx.dll für Windows Geladen wird sie am Besten beim Start der Anwendung mit dem Aufruf: System.loadLibrary("XXX"); gesucht wird dann im java.library.path. Oder mit expliziter Pfadangabe (Achtung nicht portabel!): System.load("/pfad/libXXX.so"); Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 18

19 Warnungen Mit dem C Code ist es möglich auf jedes Feld und jede Methode der JVM zuzugreifen. Sogar eigene Semaphore, Mutexe und critical Sections können geschrieben werden. Es ist möglich die gesamte JVM lahmzulegen. Es ist daher Vorsicht angebracht. Am Besten keine eigenen Synchronisationsmechanismen in C! Kein malloc und free etc. Keine globalen Referenzen auf Objekte! Objekte mit Java Mitteln erzeugen, damit der Garbage Collector den Speicher verwaltet. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 19

20 Java und C ein gutes Gespann Mit Hilfe der Java Native API bleiben keine Wünsche mehr offen. Ein guter Programmier kann bis auf Betriebssystemebene gehen, sogar Assembler ist möglich. Die Eclipse ist ein gutes Beispiel für Java und C. Eclipse verwendet weder AWT noch Swing für die GUI sondern das selbstentwickelte SWT. SWT ist eine Bibliothek, die aus graphischen Klassen besteht, die vollkommen in C implementiert sind und direkt delegieren an die Widgets des jeweiligen Betriebsystems. Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 20

21 Frohe Weihnachten und einen guten Start in das neue Jahr 2007! Prof. Dr. Nikolaus Wulff Angewandte Informatik 21