好用的网站,佛山微信网站开发,app制作开发公司,想学装修设计在哪里学真正的救赎#xff0c;并非厮杀后的胜利#xff0c;而是能在苦难之中#xff0c;找到生的力量和内心的安宁。 ——加缪Albert Camus 一、Rust Java #xff1f;
Java 和 Rust 是两种现代编程语言#xff0c;各自具有独特的优势#xff0c;适用于不同的应用场景。
1、… 真正的救赎并非厮杀后的胜利而是能在苦难之中找到生的力量和内心的安宁。 ——加缪Albert Camus 一、Rust Java
Java 和 Rust 是两种现代编程语言各自具有独特的优势适用于不同的应用场景。
1、Java 的优势
跨平台性Java 的“写一次运行到处”的理念使得它能够在各种操作系统上运行只要有 JVMJava Virtual Machine支持即可。丰富的生态系统Java 拥有庞大的标准库和第三方库生态系统涵盖了几乎所有的开发需求从 web 开发、数据库访问到大数据处理等。成熟的工具链Java 具有成熟的开发工具链包括 IDE如 IntelliJ IDEA、Eclipse、构建工具如 Maven、Gradle和调试工具这些工具极大地提高了开发效率。强大的社区支持Java 社区非常活跃有大量的开源项目、文档和教程可以帮助开发者快速解决问题。垃圾回收机制Java 的自动垃圾回收机制简化了内存管理减少了内存泄漏和其他内存相关错误的风险。企业级应用Java 在企业级应用开发中占据重要地位特别是在金融、电信和大型分布式系统中Java 被广泛使用。多线程支持Java 提供了强大的多线程支持方便开发并发和并行程序。
2、Rust 的优势
内存安全Rust 的所有权系统和借用检查器在编译时保证了内存安全防止了常见的内存错误如空指针引用、悬挂指针和缓冲区溢出。高性能Rust 生成的代码接近 C 和 C 的性能同时提供了更高的安全性和更少的运行时开销。无畏并发Rust 的所有权模型使得编写并发代码更加安全和简单避免了数据竞争和死锁等问题。现代语言特性Rust 支持模式匹配、闭包、泛型、trait 等现代编程语言特性使得代码更加简洁和可维护。强类型系统Rust 的强类型系统在编译时捕获更多的错误提高了代码的可靠性和可维护性。零成本抽象Rust 提供了高层次的抽象但这些抽象在编译后不会引入额外的运行时开销实现了所谓的“零成本抽象”。良好的文档和工具链Rust 提供了优秀的文档和工具链包括 Cargo包管理和构建工具、rustfmt代码格式化工具和 Clippy代码审查工具这些工具极大地提高了开发体验。嵌入式和系统编程Rust 非常适合嵌入式和系统级编程能够直接操作硬件同时保持高安全性和性能。
3、Rust Java 的应用思路
Java 和 Rust 各有其独特的优势适用于不同的应用场景
Java 适合需要跨平台兼容性、丰富生态系统和成熟工具链的企业级应用和大型分布式系统。Rust 则适合需要高性能、内存安全和并发控制的系统级编程、嵌入式开发以及对性能和安全性要求极高的应用。
通过结合 Java 和 Rust 的优势可以在实际项目中实现更高效、安全和功能强大的解决方案。例如可以使用 Java 实现业务逻辑和用户界面而使用 Rust 实现性能关键的底层模块和系统组件。
4、应用场景
性能关键模块在 Java 应用中某些性能关键的部分可以用 Rust 编写以提高执行效率。例如计算密集型算法、数据处理或图像处理等任务可以用 Rust 实现然后通过 JNIJava Native Interface调用这些 Rust 函数。内存安全和并发控制Rust 的所有权机制和借用检查器可以帮助避免内存泄漏和数据竞争问题。在需要严格内存管理和并发控制的场景下可以用 Rust 编写核心逻辑并通过 FFIForeign Function Interface与 Java 进行交互。系统级编程对于需要直接操作系统资源或硬件的功能例如文件系统操作、网络通信或设备驱动程序可以用 Rust 编写这些底层代码然后通过 JNI 或 JNAJava Native Access与 Java 应用进行交互。跨平台开发Rust 可以编译成多种平台的二进制文件而 Java 本身具有良好的跨平台特性。在需要支持多种操作系统的应用中可以利用 Rust 编写跨平台的库并通过 Java 调用这些库从而实现跨平台兼容性。安全性要求高的应用在金融、医疗等对安全性要求极高的领域可以用 Rust 编写关键的安全模块如加密算法、身份验证等然后通过 JNI 与 Java 应用集成以确保系统的整体安全性。微服务架构在微服务架构中不同的服务可以用不同的语言实现。如果某些微服务用 Rust 编写而其他服务用 Java 编写可以通过 RESTful API 或 gRPC 等方式进行通信实现互操作。游戏开发游戏引擎或性能要求高的游戏逻辑可以用 Rust 编写而游戏的业务逻辑、界面等可以用 Java 编写通过 JNI 调用 Rust 实现高效的游戏运行。
二、JNI实现 Rust 与 Java 互调的桥梁
1、如何理解 JNI Java Native InterfaceJNI是 Java 平台的一部分它允许 Java 代码与用其他编程语言如 C、C 编写的本地代码进行交互。JNI 的角色可以理解为桥梁或接口连接了 Java 虚拟机JVM和本地代码库使得两者能够相互调用和通信。
跨语言调用JNI 使得 Java 程序能够调用本地代码中的函数也使得本地代码能够调用 Java 方法。这种双向调用能力使得开发者可以在 Java 应用中利用其他语言的特性和性能优势。
性能优化在某些情况下Java 代码可能无法提供足够的性能例如在处理大量数据或执行复杂计算时。通过 JNI可以将这些性能关键的部分用更高效的语言如 C、C实现然后在 Java 中调用从而提升整体应用的性能。
访问底层系统资源Java 本身是一个高级语言通常不直接提供对底层系统资源如硬件设备、操作系统 API的访问。通过 JNIJava 程序可以调用本地代码来访问这些底层资源实现系统级编程。
复用现有库和代码很多已有的库和代码是用其他语言编写的。通过 JNIJava 程序可以直接调用这些现有的库而无需重新实现从而节省开发时间和成本。
内存管理JNI 提供了一套机制来管理 Java 和本地代码之间的内存交互。虽然 Java 有自动垃圾回收机制但本地代码需要手动管理内存。JNI 提供了必要的工具和方法来确保内存安全和有效管理。
错误处理和调试JNI 提供了一些工具和方法来处理和调试 Java 与本地代码之间的交互问题。例如通过 JNI 可以捕获和处理本地代码中的异常并将其转换为 Java 异常从而在 Java 层面进行处理。
平台独立性尽管 JNI 允许调用本地代码这些本地代码往往是平台相关的。然而JNI 本身作为一个标准接口使得开发者可以编写跨平台的 Java 代码同时针对不同的平台编写相应的本地代码库从而实现一定程度的跨平台兼容性。
总结来说JNI 的角色是充当 Java 和本地代码之间的桥梁提供了一种机制使得 Java 应用能够利用其他语言的特性和性能优势同时保持一定的灵活性和扩展性。JNI 既然是 C 语言接口那么理论上支持 C ABI 的语言都可以和 Java 语言互相调用Rust 就是其中之一。 关于 JNI 的历史背景以及更详细的介绍可以参考 官方文档 2、JNI 相关概念
Java 本地方法在 Java 中声明但由本地代码实现的方法。
JNI 环境指针 (JNIEnv *)用于访问 JNI 提供的函数和 Java 虚拟机JVM的接口。
本地库包含本地方法实现的共享库或动态链接库如 .dll、.so 文件。 Java 本地方法Native Method、JNI 环境指针JNIEnv *和本地库在一起工作时通常遵循以下流程 声明本地方法 在 Java 代码中你需要声明一个本地方法。这个方法使用 native 关键字并且没有方法体。例如 public class MyClass {public native void myNativeMethod();static {System.loadLibrary(MyNativeLib);}
} System.loadLibrary(MyNativeLib) 用于加载包含本地方法实现的本地库。 生成头文件 使用 javac 编译 Java 文件然后使用 javah 工具生成对应的 C/C 头文件。例如 javac MyClass.java
javah -jni MyClass 这会生成一个名为 MyClass.h 的头文件其中包含 JNI 函数签名。 实现本地方法 在生成的头文件基础上用 C 或 C 实现本地方法。例如 #include jni.h
#include MyClass.hJNIEXPORT void JNICALL Java_MyClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj) {// 本地方法的实现
} 编译本地库 将实现本地方法的 C/C 代码编译成共享库或动态链接库。例如在 Linux 上可以使用 gcc gcc -shared -o libMyNativeLib.so -I${JAVA_HOME}/include -I${JAVA_HOME}/include/linux MyClass.c 在 Windows 上可以使用类似的命令生成 .dll 文件。 加载本地库 当 Java 程序运行并调用 System.loadLibrary(MyNativeLib) 时JVM 会加载指定的本地库。 调用本地方法 当 Java 代码调用 myNativeMethod() 时JVM 通过 JNI 调用对应的本地方法实现。此时JNI 环境指针 (JNIEnv *) 被传递给本地方法允许它访问 JNI 提供的函数和 JVM 的接口。 执行本地代码 本地方法在本地库中执行可以进行各种操作包括调用底层系统 API、处理硬件设备、执行高性能计算等。 返回结果 如果本地方法有返回值它会将结果返回给 Java 层。如果发生异常本地方法可以通过 JNIEnv * 抛出 Java 异常。
整个流程如下图所示
Java 层:MyClass.java (声明本地方法)|v编译 - MyClass.class|v生成头文件 - MyClass.h|v
C/C 层:MyClass.c (实现本地方法)|v编译 - libMyNativeLib.so / MyNativeLib.dll|v
Java 层:System.loadLibrary(MyNativeLib)|v调用本地方法 - JNI 调用 - 执行本地代码|v返回结果 / 抛出异常
通过这种方式Java 程序可以与本地代码进行交互实现更底层的功能或优化性能。
3、JNI 的 Rust 绑定
在 Rust 中和 Java 互相调用可以使用原始的 JNI 接口也就是自己声明 JNI 的 C 函数原型在Rust 里按照 C 的方式去调用但这样写起来会很繁琐而且都是 unsafe 的操作。不过 Rust 社区里已经有人基于原始的 JNI 接口封装好了一套 safe 的接口crate 的名字就叫 jni 用这个库来开发就方便多了。 三、互调示例
Step1、定义一个异步耗时操作 CostTimeOption
Step2、Java 端调用 Rust 端由 Rust 端执行一个异步耗时操作 CostTimeOption
Step3、Rust 端调用 Java 端报告操作已消耗时长和进度
Step 1、创建一个 Maven 项目
import java.time.Duration;
import java.time.LocalDateTime;/*** version: V1.0* author: 余衫马* description: MyJobAgent* data: 2024-11-12 15:58**/
public class MyJobAgent {/*** 声明一个本地方法* 将 MyJobAgent 实例作为参数传递给 Rust 端*/private static native void runCostTimeFuncAsync(MyJobAgent callback);/*** 开始执行时间*/private static LocalDateTime startDatetime;// 用于加载包含本地方法实现的本地库。static {System.loadLibrary(rust_jni_bingding_demo);}public static void main(String[] args) {startDatetime LocalDateTime.now();runCostTimeFuncAsync(new MyJobAgent());}/*** 回调方法由 Rust 端回调 progress 进度*/public void asyncCallback(float progress) {// 计算两个时间点之间的 DurationDuration duration Duration.between(startDatetime, LocalDateTime.now());// 获取分钟、秒和毫秒long minutes duration.toMinutes();long seconds duration.getSeconds();long millis duration.toMillis();System.out.printf(当前进度%f已耗时%d 分 %d 秒 %d 毫秒\n, progress, minutes, seconds, millis);}
} 我们创建了一个 MyJobAgent 代理工作类声明了一个本地方法 runCostTimeFuncAsync 参数是 MyJobAgent 实例是为了让 Rust 端能调用该实例的回调方法 asyncCallback
private static native void runCostTimeFuncAsync(MyJobAgent callback); 而回调方法 asyncCallback 需要接收一个参数 progress 输出进度并计算目前已耗时多久 /*** 回调方法由 Rust 端回调 progress 进度*/public void asyncCallback(float progress) {// 计算两个时间点之间的 DurationDuration duration Duration.between(startDatetime, LocalDateTime.now());// 获取分钟、秒和毫秒long minutes duration.toMinutes();long seconds duration.getSeconds();long millis duration.toMillis();System.out.printf(当前进度%f已耗时%d 分 %d 秒 %d 毫秒, progress, minutes, seconds, millis);}
Linux 下的动态库 librust_jni_bingding_demo.so 只需要填 rust_jni_bingding_demo // 用于加载包含本地方法实现的本地库。static {System.loadLibrary(rust_jni_bingding_demo);}
Step 2、创建一个 Rust 项目
cargo new rust_jni_bingding_demo --lib
修改 Cargo.toml添加 Rust jni 绑定库并且设置 crate_type [cdylib]
[dependencies]
jni 0.21.1[lib]
crate_type [cdylib]
修改 lib.rs
use std::sync::mpsc; // 引入多生产者单消费者通道模块
use std::thread::{self}; // 引入线程模块
use std::time::Duration; // 引入时间模块use jni::objects::*; // 引入JNI对象模块
use jni::sys::jfloat; // 引入JNI浮点数类型
use jni::JNIEnv; // 引入JNI环境模块// 定义一个外部函数供Java调用
#[no_mangle]
pub extern system fn Java_MyJobAgent_runCostTimeFuncAsynclocal(mut env: JNIEnvlocal, // JNI环境参数_class: JClasslocal, // 调用该方法的Java类callback: JObjectlocal, // 回调对象
) {// 获取当前Java虚拟机实例let jvm env.get_java_vm().unwrap();// 创建全局引用以便在其他线程中使用回调对象let mycallback env.new_global_ref(callback).unwrap();// 创建一个多生产者单消费者通道let (tx, rx) mpsc::channel();// 启动一个新线程let _ thread::spawn(move || {// 在线程中发送一个信号表示线程已经启动tx.send(()).unwrap();// 将当前线程附加到JVMlet mut myenv jvm.attach_current_thread().unwrap();// 模拟一个耗时操作并定期调用回调函数报告进度for i in 0..100 {let progress i as jfloat; // 将进度转换为JNI浮点数类型// 调用回调方法将进度传递给Java层 // 函数签名为floatvoidmyenv.call_method(mycallback, asyncCallback, (F)V, [progress.into()]).unwrap();// 休眠100毫秒模拟耗时操作thread::sleep(Duration::from_millis(100));}});// 接收线程启动信号确保线程已成功启动rx.recv().unwrap();
} 代码解析
引入必要的模块首先引入了标准库中的mpsc、thread和time模块以及JNI相关的模块。定义外部函数定义了一个外部函数Java_MyJobAgent_runCostTimeFuncAsync这个函数将被Java代码调用。获取JVM实例通过env.get_java_vm()获取当前的Java虚拟机实例。创建全局引用将回调对象创建为全局引用以便在线程中使用。创建通道创建一个多生产者单消费者通道用于线程间通信。启动新线程启动一个新线程在新线程中执行耗时操作。附加线程到JVM将新线程附加到JVM以便在新线程中调用Java方法。模拟耗时操作在循环中模拟一个耗时操作每次循环都会调用一次回调方法将当前进度传递给Java层并休眠100毫秒。接收线程启动信号主线程等待接收子线程发送的启动信号确保子线程已成功启动。
这样通过上述步骤我们实现了一个异步任务并在任务执行过程中定期向Java层报告进度。
Step 3、编译代码
编译 Rust 库
cargo build 我这里用的 linux 系统动态库文件名为 librust_jni_bingding_demo.so如果是 Windows 系统文件名为 librust_jni_bingding_demo.dll
编译 Java 代码
修改 pom.xml在构建配置文件中指定主类
buildpluginsplugingroupIdorg.apache.maven.plugins/groupIdartifactIdmaven-jar-plugin/artifactIdversion3.2.0/versionconfigurationarchivemanifestaddDefaultImplementationEntriestrue/addDefaultImplementationEntriesmainClassMyJobAgent/mainClass/manifest/archive/configuration/plugin/plugins/build 然后执行 maven 打包指令
mvn package 在 target 目录下生成 classes 字节码文件与 RustJniDemo-1.0-SNAPSHOT.jar 。
Step 4、运行效果
这里使用的是 Open JDK8
(base) samsam-PC:~/AwesomeWorkSpace/RustStudy/jni/rust_jni_bingding_demo$ java -version
openjdk version 1.8.0_212
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_212-8u212-b01-1~deb9u1-b01)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.212-b01, mixed mode)
# 临时添加环境变量否则会报错找不到库文件
# export PATH$PATH:~/AwesomeWorkSpace/RustStudy/rust_jni_binding_demo/target/debug
java -Djava.library.pathtarget/debug -classpath target/classes MyJobAgent
# 或者直接跑 jar 包
java -Djava.library.pathtarget/debug -jar target/RustJniDemo-1.0-SNAPSHOT.jar -Djava.library.pathtarget/debug这是一个系统属性设置-D选项用于定义系统属性。在这里java.library.path属性被设置为target/debug这通常是用来指定本地库如JNI库的搜索路径。 -classpath target/classes这是指定类路径的选项-classpath或-cp用于告诉JVM在哪里可以找到用户定义的类和包。在这个例子中类路径被设置为target/classes这意味着JVM会在target/classes目录下查找需要的类文件。 MyJobAgent这是要运行的主类的名称。这个类应该包含一个public static void main(String[] args)方法这是Java应用程序的入口点。 四、总结
通过以上示例我们成功实现了 Rust 与 Java 的互调。利用 JNI 技术可以充分发挥 Rust 的性能优势同时保持 Java 的跨平台特性。这种技术组合适用于对性能要求较高的应用场景如图像处理、数据分析和系统级编程等。
参考资料
Rust与Java交互-JNI模块编写-实践总结 - Rust语言中文社区
Leveraging Rust in our high-performance Java database
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/jni/
jni - Rust
https://github.com/jni-rs/jni-rs
