一文解秘Rust如何与Java互操作

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使用场景

JAVA 与 Rust 互操作让 Rust 可以背靠 Java 大生态来做更多事情,而 Java 也可以享受 Rust 语言特性的内存安全,所有权机制,无畏并发。

互操作的典型场景包括:

  • 性能优化:利用 Rust 处理计算密集型任务,提高 Java 应用的整体性能。
  • 系统级编程:结合 Rust 的底层控制能力与 Java 的高级抽象,实现更高效的系统交互。
  • 跨平台开发:使用 Rust 编写核心逻辑,通过 JNI 在不同平台上与 Java 交互,实现高效跨平台开发。
  • 安全关键应用:在金融、医疗等领域,利用 Rust 处理敏感数据和核心功能,保证高度安全性。
  • 实时系统:在游戏引擎、音频处理等延迟敏感的应用中,使用 Rust 处理时间关键部分。

背景知识

JNI

image.png

  • 全称 Java Native Interface,它允许 Java 代码与其他语言(如 C 或 C++)编写的应用程序进行互操作。
  • JNI Specification:这是 JNI 的官方规范,详细描述了 JNI 的使用方法、接口和功能。

Java 虚拟机(JVM)

image 1.png

JNI 是 Java 虚拟机的一部分,JVM 在启动时为每个线程创建一个 JNI 环境。JNI 环境包括指向 JVM 内部数据结构的指针,这些数据结构用于存储 Java 对象、方法和字段的信息。

JNIEnv (JNI 环境)

image 2.png

  • JNIEnv是一个指向结构体的指针,代表当前线程的 JNI 环境。它包含所有 JNI 相关函数的指针,让你能在本地代码中使用这些函数。每个线程都有自己独立的JNIEnv,所以不能在不同线程间传递这个指针。
  • 可以将JNIEnv视为一个"翻译器"。当 Rust 代码需要与 Java 交互时,它通过这个"翻译器"发送请求,当调用 Java 方法或获取 Java 对象的属性。每个线程都拥有自己独立的"翻译器",这确保了各线程与 Java 交互时的独立性。

另外

  • 当 Java 代码调用本地方法时,JVM 会加载相应的本地库并创建一个JNIEnv指针。
  • 本地代码可以使用这个指针访问 JNI 提供的函数,进行 Java 对象的操作。
  • 每个线程有独立JNIEnv,保证线程安全。新线程需调用AttachCurrentThread获取对应JNIEnv
  • JNI 提供了数据类型转换机制,实现 Java 与 C/C++之间的数据传递。

在 Rust 生态中使用 jni 0.21.1 库可以实现与 Java 代码的交互。

JNI 0.21.1 简介

该项目为 Rust 提供了完整的 JNI 绑定,允许:

  • 使用 Rust 代码与 Java 库进行交互,调用 Java 方法和访问 Java 对象。

  • 从 Rust 代码中使用 Java 类和接口。

  • 实现跨语言的高效数据交换。

  • 利用 Rust 的性能优势和 Java 的成熟生态系统

跨平台 UI 框架 Flutter 源码中的 MethodChannel 实现了 Dart 与 Android 层的通信,其底层 C++也是通过 JNI 调用插件中的 onMethodCall 来实现的。这与上述 jni 0.21.1 采用了相同的思路,但存在以下不同点:

  • 语言特性和类型安全:
    Rust 的jni库提供了一种更安全的方式来处理 Java 对象和方法调用。它利用 Rust 的所有权系统来减少潜在的内存错误,使得在 Rust 中使用 JNI 时更易于管理资源和避免常见错误。
  • 多平台支持:jni 0.21.1 提供了更广泛的跨平台支持。

如何运行示例

示例源码请阅读原文,见原文底部源码获取

在 Windows 11 环境下运行示例时,笔者遇到了两个问题:

  1. Windows 自带的 PowerShell 无法直接执行 Makefile
  2. 由于 Rust 配置了特定目标平台,出现了不明原因的编译错误

以下是解决这些问题的方法:

在 MinGW-w64 中执行 Makefile

  1. 确保已在 MinGW-w64 环境中安装 mingw32-make 工具(通常随 MinGW-w64 一起安装)
  2. 打开 MinGW-w64 命令行
  3. 导航至 Makefile 所在目录
  4. 执行以下命令
//当前示例中是makefile,直接执行mingw32-make -f makefile即可
mingw32-make -f YourMakefileName

确认当前 Rust 环境

举例来说,笔者在 C:\Users\xxx.cargo 目录下配置了 config.toml 文件:

[build]
target = "aarch64-linux-android"

这导致在 Windows 上使用 mingw32-make 来编译针对 Android 平台的 Rust .so 文件,造成了混乱并引发了莫名其妙的编译错误。解决方法是删除不必要的 config.toml 文件,确保当前运行环境与目标平台(如 Windows)一致。

输出结果:

Hello, josh!
[B@2f92e0f4
factCallback: res = 720
counterCallback: count = 1
counterCallback: count = 2
counterCallback: count = 3
counterCallback: count = 4
counterCallback: count = 5
Invoking asyncComputation (thread id = 1)
asyncCallback: thread id = 23, progress = 0%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 10%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 20%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 30%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 40%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 50%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 60%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 70%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 80%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 90%
asyncCallback: thread id = 23, progress = 100%

示例简析

让我们深入分析示例中 asyncComputation 的流程。其核心目的是在 Rust 端执行一个异步计算,同时 Rust 端会调用 Java 端来报告计算进度。

image.png

整体流程图说明:

  1. Java 的 main()方法调用 asyncComputation()。
  2. asyncComputation()通过 JNI 调用 Rust 的 Java_HelloWorld_asyncComputation()函数。
  3. Rust 函数创建一个新线程来执行异步计算。
  4. 在新线程中,Rust 执行计算并周期性地调用 Java 的 asyncCallback()方法报告进度。
  5. 当 Rust 完成计算后,控制权返回到 Java 的主线程。

这个过程展示了 Java 调用 Rust(步骤 1)和 Rust 回调 Java(步骤 4)的双向交互。

源码如下

image 3.png

#1 将一个 HelloWorld 类实例传递给 Rust 端,这对应下方 Rust 侧实现中 #3 处的 callback 对象

image 4.png

Rust 实现说明

  1. JNIEnv 参数:详见上述相关概念中的解释。
  2. JClass:代表调用此本地方法的 Java 类引用,主要用于访问类级别的静态方法和字段。
  3. callback:Java 中新创建的 HelloWorld 对象实例。
  4. 获取 JVM 对象:因为 env 对象不支持线程间传递和共享(仅实现了 Send),而 JVM 支持。通过 JVM 对象可在线程间传递,并最终获得 env
  5. 创建全局引用:获取 HelloWorld() 实例对象的全局引用,防止被垃圾回收。
  6. 线程安全:每个线程都有自己的 JNIEnv,确保线程安全。在新线程中需调用 AttachCurrentThread 获取对应的 JNIEnv
  7. 反向调用 Java:通过 env 反向调用 Java 代码。调用对象是新创建的 HelloWorld 实例,回调方法是其中的 asyncCallback。在 JNI 中,"(I)V" 是方法签名,描述了 Java 方法的参数和返回类型。"(I)V" 表示接受一个整数参数并返回 void 的方法。在这里,asyncCallback 方法接收一个整数(progress)作为参数,无返回值。

总结

  1. Java 与 Rust 互操作让两种语言优势互补,提高性能和安全性,适用于多种场景如性能优化、系统级编程和跨平台开发。
  2. JNI(Java Native Interface)是实现 Java 与 Rust 互操作的关键技术,允许 Java 代码与其他语言编写的应用程序进行交互。
  3. 通过示例分析,我们了解了 Java 调用 Rust 函数和 Rust 回调 Java 方法的双向交互过程,展示了两种语言之间的无缝协作。

参考链接

https://github.com/jni-rs/jni-rs

JNI APIs and Developer Guides

Leveraging Rust in our high-performance Java database

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