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一文解秘Rust如何与Java互操作

article 2024/11/8 7:02:01

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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

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：

Windows 自带的 PowerShell 无法直接执行 Makefile
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

确保已在 MinGW-w64 环境中安装 mingw32-make 工具（通常随 MinGW-w64 一起安装）
打开 MinGW-w64 命令行
导航至 Makefile 所在目录
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。

整体流程图说明：

Java 的 main()方法调用 asyncComputation()。
asyncComputation()通过 JNI 调用 Rust 的 Java_HelloWorld_asyncComputation()函数。
Rust 函数创建一个新线程来执行异步计算。
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。
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

JNIEnv 参数：详见上述相关概念中的解释。
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。
callback：Java 中新创建的 HelloWorld 对象实例。
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。
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。
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。
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。