JNI/NDK開發指南（九）——JNI調用性能測試及優化 · JNI/NDK開發指南

在前面幾章我們學習到了，在Java中聲明一個native方法，然后生成本地接口的函數原型聲明，再用C/C++實現這些函數，并生成對應平臺的動態共享庫放到Java程序的類路徑下，最后在Java程序中調用聲明的native方法就間接的調用到了C/C++編寫的函數了，在C/C++中寫的程序可以避開JVM的內存開銷過大的限制、處理高性能的計算、調用系統服務等功能。同時也學習到了在本地代碼中通過JNI提供的接口，調用Java程序中的任意方法和對象的屬性。這是JNI提供的一些優勢。但做過Java的童鞋應該都明白，Java程序是運行在JVM上的，所以在Java中調用C/C++或其它語言這種跨語言的接口時，或者說在C/C++代碼中通過JNI接口訪問Java中對象的方法或屬性時，相比Java調用自已的方法，性能是非常低的！！！網上有朋友針對**Java調用本地接口，Java調Java方法**做了一次詳細的測試，來充分說明在享受JNI給程序帶來優勢的同時，也要接受其所帶來的性能開銷，下面請看一組測試數據： ## Java調用JNI空函數與Java調用Java空方法性能測試測試環境：JDK1.4.2_19、JDK1.5.0_04和JDK1.6.0_14，測試的重復次數都是一億次。測試結果的絕對數值意義不大，僅供參考。因為根據JVM和機器性能的不同，測試所產生的數值也會不同，但不管什么機器和JVM應該都能反應同一個問題，Java調用native接口，要比Java調用Java方法性能要低很多。 **Java調用Java空方法的性能：** | JDK版本 | Java調Java耗時 | 平均每秒調用次數 | |-----|-----|-----| | 1.6 | 329ms | 303951367次 | | 1.5 | 312ms | 320512820次 | | 1.4 | 312ms | 27233115次 | **Java調用JNI空函數的性能：** | JDK版本 | Java調JNI耗時 | 平均每秒調用次數 | |-----|-----|-----| | 1.6 | 1531ms | 65316786次 | | 1.5 | 1891ms | 52882072次 | | 1.4 | 3672ms | 27233115次 | 從上述測試數據可以看出JDK版本越高，JNI調用的性能也越好。在JDK1.5中，僅僅是空方法調用，JNI的性能就要比Java內部調用慢將近5倍，而在JDK1.4下更是慢了十多倍。 ## JNI查找方法ID、字段ID、Class引用性能測試當我們在本地代碼中要訪問Java對象的字段或調用它們的方法時，本機代碼必須調用FindClass()、GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()。對于 GetFieldID()、GetStaticFieldID、GetMethodID() 和 GetStaticMethodID()，為特定類返回的 ID 不會在 JVM 進程的生存期內發生變化。但是，獲取字段或方法的調用有時會需要在 JVM 中完成大量工作，因為字段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。由于 ID 對于特定類是相同的，因此只需要查找一次，然后便可重復使用。同樣，查找類對象的開銷也很大，因此也應該緩存它們。下面對調用JNI接口FindClass查找Class、GetFieldID獲取類的字段ID和GetFieldValue獲取字段的值的性能做的一個測試。**緩存**表示只調用一次，**不緩存**就是每次都調用相應的JNI接口： **java.version = 1.6.0_14** JNI 字段讀取 (緩存Class=false ,緩存字段ID=false) 耗時 : 79172 ms 平均每秒 : 1263072 JNI 字段讀取 (緩存Class=true ,緩存字段ID=false) 耗時 : 25015 ms 平均每秒 : 3997601 JNI 字段讀取 (緩存Class=false ,緩存字段ID=true) 耗時 : 50765 ms 平均每秒 : 1969861 JNI 字段讀取 (緩存Class=true ,緩存字段ID=true) 耗時 : 2125 ms 平均每秒 : 47058823 **java.version = 1.5.0_04** JNI 字段讀取 (緩存Class=false ,緩存字段ID=false) 耗時 : 87109 ms 平均每秒 : 1147987 JNI 字段讀取 (緩存Class=true ,緩存字段ID=false) 耗時 : 32031 ms 平均每秒 : 3121975 JNI 字段讀取 (緩存Class=false ,緩存字段ID=true) 耗時 : 51657 ms 平均每秒 : 1935846 JNI 字段讀取 (緩存Class=true ,緩存字段ID=true) 耗時 : 2187 ms 平均每秒 : 45724737 **java.version = 1.4.2_19** JNI 字段讀取 (緩存Class=false ,緩存字段ID=false) 耗時 : 97500 ms 平均每秒 : 1025641 JNI 字段讀取 (緩存Class=true ,緩存字段ID=false) 耗時 : 38110 ms 平均每秒 : 2623983 JNI 字段讀取 (緩存Class=false ,緩存字段ID=true) 耗時 : 55204 ms 平均每秒 : 1811462 JNI 字段讀取 (緩存Class=true ,緩存字段ID=true) 耗時 : 4187 ms 平均每秒 : 23883448 根據上面的測試數據得知，查找class和ID(屬性和方法ID)消耗的時間比較大。只是讀取字段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找class和field的話，性能要下降高達**40倍**。讀取一個字段值的性能在百萬級上，在交互頻繁的JNI應用中是不能忍受的。消耗時間最多的就是查找class，因此在native里保存class和member id是很有必要的。class和member id在一定范圍內是穩定的，但在動態加載的class loader下，保存全局的class要么可能失效，要么可能造成無法卸載classloader,在諸如OSGI框架下的JNI應用還要特別注意這方面的問題。在讀取字段值和查找FieldID上，JDK1.4和1.5、1.6的差距是非常明顯的。但在最耗時的查找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，在調用JNI接口獲取方法ID、字段ID和Class引用時，如果沒用使用緩存的話，性能低至4倍。所以在JNI開發中，合理的使用緩存技術能給程序提高極大的性能。緩存有兩種，分別為使用時緩存和類靜態初始化時緩存，區別主要在于緩存發生的時刻。 ## 使用時緩存字段ID、方法ID和Class引用在函數當中使用的同時就緩存起來。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成員變量 public native String newString(char[] chars, int len); // 根據字符數組和指定長度創建String對象 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生成的頭文件：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 ~~~ **實現頭文件中的函數：AccessCache.c** ~~~ // AccessCache.c #include "com_study_jnilearn_AccessCache.h" JNIEXPORT void JNICALL Java_com_study_jnilearn_AccessCache_accessField (JNIEnv *env, jobject obj) { // 第一次訪問時將字段存到內存數據區，直到程序結束才會釋放，可以起到緩存的作用 static jfieldID fid_str = NULL; jclass cls_AccessCache; jstring j_str; const char *c_str; cls_AccessCache = (*env)->GetObjectClass(env, obj); // 獲取該對象的Class引用 if (cls_AccessCache == NULL) { return; } // 先判斷字段ID之前是否已經緩存過，如果已經緩存過則不進行查找 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字段 if (fid_str == NULL) { return; } } j_str = (*env)->GetObjectField(env, obj, fid_str); // 獲取字段的值 c_str = (*env)->GetStringUTFChars(env, j_str, NULL); if (c_str == NULL) { return; // 內存不夠 } printf("In C:\n str = \"%s\"\n", c_str); (*env)->ReleaseStringUTFChars(env, j_str, c_str); // 釋放從從JVM新分配字符串的內存空間 // 修改字段的值 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：這里緩存局引用的做法是錯誤，這里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; } } // 緩存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); // 創建一個字符數組 elemArray = (*env)->NewCharArray(env, len); if (elemArray == NULL) { return NULL; } // 獲取數組的指針引用，注意：不能直接將jcharArray作為SetCharArrayRegion函數最后一個參數 chars = (*env)->GetCharArrayElements(env, j_char_arr,NULL); if (chars == NULL) { return NULL; } // 將Java字符數組中的內容復制指定長度到新的字符數組中 (*env)->SetCharArrayRegion(env, elemArray, 0, len, chars); // 調用String對象的構造方法，創建一個指定字符數組為內容的String對象 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函數中的第8行定義了一個靜態變量fid_str用于存儲字段的ID，每次調用函數的時候，在第18行先判斷字段ID是否已經緩存，如果沒有先取出來存到fid_str中，下次再調用的時候該變量已經有值了，不用再去JVM中獲取，起到了緩存的作用。例2、在Java_com_study_jnilearn_AccessCache_newString函數中的53和54行定義了兩個變量cls_string和cid_string，分別用于存儲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緩存過，如果沒有則調用JNI的接口從JVM中獲取String的Class引用和構造方法ID存儲到靜態變量當中。下次再調用該函數時就可以直接使用，不需要再去找一次了，也達到了緩存的效果，大家第一反映都會這么認為。但是請注意：cls_string是一個局部引用，與方法和字段ID不一樣，局部引用在函數結束后會被VM自動釋放掉，這時cls_string成為了一個野針對（指向的內存空間已被釋放，但變量的值仍然是被釋放后的內存地址，不為NULL），當下次再調用Java_com_xxxx_newString這個函數的時候，會試圖訪問一個無效的局部引用，從而導致非法的內存訪問造成程序崩潰。所以在函數內用static緩存局部引用這種方式是錯誤的。下篇文章會介紹局部引用和全局引用，利用全局引用來防止這種問題，請關注。 ## 類靜態初始化緩存在調用一個類的方法或屬性之前，Java虛擬機會先檢查該類是否已經加載到內存當中，如果沒有則會先加載，然后緊接著會調用該類的靜態初始化代碼塊，所以在靜態初始化該類的過程當中計算并緩存該類當中的字段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加載AccessCache.class到內存當中之后，會調用該類的靜態初始化代碼塊，即static代碼塊，先調用System.loadLibrary加載動態庫到JVM中，緊接著調用native方法initIDs，會調用用到本地函數Java_com_study_jnilearn_AccessCache_initIDs，在該函數中獲取需要緩存的ID，然后存入全局變量當中。下次需要用到這些ID的時候，直接使用全局變量當中的即可，如18行當中調用Java的callback函數。 ~~~ (*env)->CallVoidMethod(env, obj, MID_AccessCache_callback); ~~~ ## 兩種緩存方式比較如果在寫JNI接口時，不能控制方法和字段所在類的源碼的話，用使用時緩存比較合理。但比起類靜態初始化時緩存來說，用使用時緩存有一些缺點： 1. 使用前，每次都需要檢查是否已經緩存該ID或Class引用 2. 如果在用使用時緩存的ID，要注意只要本地代碼依賴于這個ID的值，那么這個類就不會被unload。另外一方面，如果緩存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，盡量在類靜態初始化時就緩存字段ID、方法ID和類的Class引用。