淺談JNI技術(shù)在嵌入式軟件開發(fā)中的應(yīng)用

淺談JNI技術(shù)在嵌入式軟件開發(fā)中的應(yīng)用

引言嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式軟件的基本體系結(jié)構(gòu)包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(RealTimeoperatingSysterrl)、嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式應(yīng)用程序編程接口(中間件)和嵌入式應(yīng)用程序。現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)用以及納米微電子技術(shù)的突破，正有力推動(dòng)著21世紀(jì)的工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動(dòng)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和家庭生活等領(lǐng)域自動(dòng)化和信息化進(jìn)程。全過程自動(dòng)化產(chǎn)品制造、大范圍電子商務(wù)活動(dòng)、高度協(xié)同科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)代化家居生活，為嵌入式產(chǎn)品造就了嶄新而巨大的商機(jī)。除了溝通信息高速公路的交換機(jī)、路由器和調(diào)制解調(diào)器，構(gòu)建計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)所需的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)DCS(DataCommunicationSystem)和機(jī)器人以及規(guī)模較大的家用汽車電子系統(tǒng)，最有產(chǎn)量效益和時(shí)代特征的嵌入式產(chǎn)品應(yīng)數(shù)因特網(wǎng)上的信息家電(informationappliances），如網(wǎng)絡(luò)可視電話、網(wǎng)絡(luò)游戲機(jī)、電子商務(wù)、商務(wù)通(PDA)、移動(dòng)電話以及多媒體產(chǎn)品(如電視機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)、電子閱讀機(jī))。眾所周知，“一次編程，到處使用”的Java軟件概念原本就是針對(duì)網(wǎng)上嵌入式小設(shè)備提出的，幾經(jīng)周折，目前SUN公司已推出了J2ME(Java2P1atformMicroEdition)針對(duì)信息家電的Java版本，其技術(shù)日趨成熟，開始投入使用。SUN公司Java虛擬機(jī)(JVM)技術(shù)的有序開放，使得Java軟件真正實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)運(yùn)行，即Java應(yīng)用小程序能夠在帶有JVM的任何硬軟件系統(tǒng)上執(zhí)行。加上Java語言本身所具有的安全性、可靠性和可移植性等特點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)瘦身上網(wǎng)的信息家電等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備十分有利，同時(shí)對(duì)嵌入式設(shè)備特別是上網(wǎng)設(shè)備軟件編程技術(shù)產(chǎn)生了很大的影響。1Java的性能問題及幾種解決方案Java程序也有其本身的缺陷，那就是其效率問題。由于Java是一種介于解釋型和編譯型之間的語言，其對(duì)內(nèi)存的管理是通過JVM虛擬機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，同樣的程序，如果用編譯型語言C來實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)行速度一般要比Java快得多。因此，提高Java的性能就顯得十分重要。迄今為止，人們?yōu)樘岣逬ava的運(yùn)行速度而做出的許多努力，主要集中在程序設(shè)計(jì)的方法和模式選擇方面。但是由于算法和設(shè)計(jì)模式的優(yōu)化是通用的，對(duì)Java有效的優(yōu)化算法和設(shè)計(jì)模式，對(duì)其他編譯語言也基本適用，因此不能從根本上改變Java程序與編譯型語言在執(zhí)行效率方面的差異。另外，JIT(JustInTime，及時(shí)編譯)技術(shù)也是一個(gè)比較好的思想。它的基本原理是，首先，通過Java編譯器把Java源代碼編譯成與平臺(tái)無關(guān)的二進(jìn)制字節(jié)碼。然后，在Java程序真正執(zhí)行之前，系統(tǒng)通過JIT編譯器把Java的字節(jié)碼編譯為本地化機(jī)器碼。最后，系統(tǒng)執(zhí)行本地化機(jī)器碼，不用對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行解釋。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，大大提高了Java程序的性能，縮短了加載程序的時(shí)間；同時(shí)，由于編譯的結(jié)果并不在程序運(yùn)行期間保存，因此也節(jié)約了存儲(chǔ)空間。缺點(diǎn)是，由于JIT編譯器對(duì)所有的代碼都想優(yōu)化，因此同樣也占用了很多時(shí)間。動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)即提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(dynamicopttmization，aheadoftimetechnology)是提高Java性能的另一個(gè)嘗試。動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)充分利用了Java源碼編譯、字節(jié)碼編譯、動(dòng)態(tài)編譯和靜態(tài)編譯的技術(shù)。其輸入是Java的源碼或字節(jié)碼。而輸出是經(jīng)過高度優(yōu)化的可執(zhí)行代碼和動(dòng)態(tài)庫(WindoW中是．dil文件，UNIX中是共享庫.a.so文件)。其優(yōu)點(diǎn)是能大大提高程序的性能，缺點(diǎn)是破壞了Java的可移植性，也對(duì)Java的安全帶來了一定的隱患。2JNI技術(shù)實(shí)際上，有一種通常被忽視的技術(shù)可以在很大程度上解決這個(gè)難題，那就是JNI(JavaNativeInterface，Java本地化方法)。圖l是JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一般步驟。（1）編寫Java類代碼其中，需要JNI實(shí)現(xiàn)的方法應(yīng)當(dāng)用native關(guān)鍵字聲明。在該類中，用System．1oadLibrary()方法加載需要的動(dòng)態(tài)鏈接庫。關(guān)鍵代碼如下：／／Compute.javapublicclassCompute{publicnativedoublecomp(doubleparams);static{／／調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫System．loadLibrary(“mathlib”)；}(2)編譯成字節(jié)代碼在這個(gè)過程中，由于采用了native關(guān)鍵字聲明，Java編譯器會(huì)忽視沒有代碼體的JNI方法部分。(3)生成相關(guān)JNI方法的頭文件這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)一般是通過利用jlavah-jni*class生成的，也可以手工生成該文件；但是由于Java虛擬機(jī)是根據(jù)一定的命名規(guī)范完成對(duì)JNI方法的調(diào)用，所以手工編寫頭文件需要特別小心。3基于JNI的嵌入式手機(jī)軟件開發(fā)實(shí)例下面通過一個(gè)實(shí)例來描述運(yùn)用JNI技術(shù)在手機(jī)上操縱攝像頭，捕捉視頻并存儲(chǔ)圖片的過程。(1)活動(dòng)／狀態(tài)圖圖2為捕捉視頻并存儲(chǔ)圖片的活動(dòng)／狀態(tài)圖根據(jù)圖2的活動(dòng)／狀態(tài)，具體的對(duì)應(yīng)步驟如下：①發(fā)起該流程。②發(fā)起流程后，建立文件用于存儲(chǔ)圖片。③用指針獲得分配的緩沖器，用于存儲(chǔ)獲得的幀。④將指針壓棧(序列化緩沖器)。由于手機(jī)的內(nèi)存較小，為了防止內(nèi)存泄漏，Symbian操作系統(tǒng)有一個(gè)Cleanupstack的要求，即在使用指針時(shí)，用PushL把指針壓入棧中，使用完后再用Pop彈出棧．如果在中間調(diào)用導(dǎo)致崩潰的函數(shù)時(shí)果真出現(xiàn)了問題，那么Cleanupstack可以通過調(diào)用該指針的析構(gòu)函數(shù)回收占用的空間。⑤操縱攝像頭，捕捉視頻，并將圖像流從攝像頭端傳到緩沖器。⑥將攝像頭內(nèi)的圖像流存入緩沖器內(nèi)，并將緩沖器內(nèi)的流轉(zhuǎn)化為文件流，存為jpg格式的文件，將指向緩沖器的指針彈棧。⑦在過程⑥中，如果使用完了序列化的緩沖器，則要重新序列化緩沖器，以備后面使用。⑧當(dāng)接收到停止視頻捕捉的信號(hào)后，關(guān)閉文件。⑨流程結(jié)束。(2)運(yùn)用JNI技術(shù)的視頻捕捉子功能捕捉視頻的實(shí)現(xiàn)是由操縱攝像頭、視頻播放(解碼器準(zhǔn)備)以及建立攝像頭和手機(jī)之間的連接會(huì)話三個(gè)活動(dòng)組成的。其中操縱攝像頭是通過調(diào)用底層設(shè)備的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，需要利用JNI來實(shí)現(xiàn)，完成的方法包括準(zhǔn)備、建立、刪除、銷毀攝像頭等。視頻播放的一系列過程也是通過c++代碼來實(shí)現(xiàn)的，除了準(zhǔn)備、建立、刪除、銷毀解碼器外，還有開始、暫停、停止解碼等。建立攝像頭和手機(jī)之間的連接類似建立客戶端和服務(wù)器連接，視頻流從攝像頭傳到手機(jī)界面是通過多媒體會(huì)話來完成的。多媒體會(huì)話的建立、關(guān)閉、摧毀以及會(huì)話建立后的發(fā)送、取消、讀取數(shù)據(jù)等也是JNI的應(yīng)用范疇。結(jié)語主張采用純Java的人們通常反對(duì)本地化代碼的使用，認(rèn)為JNI技術(shù)會(huì)影響程序的可移植性和安全性。還有一些人認(rèn)為，在Java程序執(zhí)行的過程中調(diào)用c／c++程序只是對(duì)過去混合編程技術(shù)的簡(jiǎn)單擴(kuò)展，其實(shí)際目的是為了充分利用大量原有的c程序庫。其實(shí)，不必拘泥于嚴(yán)格的平臺(tái)獨(dú)立性限制，因?yàn)椴捎肑NI技術(shù)只是針對(duì)一些嚴(yán)重影響Java性能的代碼段。該部分可能只占源程序的極少部分，所