廣州輕工職業(yè)學(xué)校 劉魁元

廣州市機(jī)電高級(jí)技工學(xué)校 余楷鑫

一、目前JAVA與硬件設(shè)備通信的現(xiàn)狀及存在問題

JAVA跨平臺(tái)的特性深受JAVA程序員的喜愛，這是JAVA的優(yōu)越性，但是正是為了實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的目的，JAVA和本地系統(tǒng)的各種內(nèi)在聯(lián)系變得很少，這大大約束了它的功能，比如與一些硬件設(shè)備的通信，往往要花很大的精力去編寫動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)來管理設(shè)備端口，JDK從1.1版本開始提供了解決這個(gè)問題的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JNI標(biāo)準(zhǔn)；和許多解釋執(zhí)行的語(yǔ)言一樣，JAVA提供了調(diào)用原生函數(shù)的機(jī)制，以加強(qiáng)JAVA平臺(tái)的能力，JavaTMNative Interface（JNI)就是JAVA調(diào)用原生函數(shù)的機(jī)制。

事實(shí)上，很多JAVA核心代碼內(nèi)部就是使用JNI實(shí)現(xiàn)的，這些JAVA功能實(shí)際上是通過原生函數(shù)提供的。但是，使用JNI對(duì)于JAVA開發(fā)者來說簡(jiǎn)直是一場(chǎng)惡夢(mèng)；如果你已經(jīng)有了原生代碼，使用JNI，你必須用C語(yǔ)言重新編寫一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)，這個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)的唯一功能就是使用JAVA能理解的C代碼來調(diào)用目標(biāo)原生函數(shù)。一般情況下，設(shè)備廠商提供的硬件接口都已經(jīng)經(jīng)過一定的封裝和處理，不能直接使用JAVA程序通過端口和設(shè)備進(jìn)行通信，JAVA若想與設(shè)備進(jìn)行通信，就必須使用JNI的方式重新編寫動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)來調(diào)用硬件設(shè)備，而這種方法的繁冗程度也可想而知，開發(fā)效率也不高，因此，人們一直都視JNI為禁地，輕易不愿涉足。

二、解決JAVA與硬件設(shè)備通信的新方法

1.什么是JNA框架

JNA（Java Native Access）是一個(gè)開源的JAVA框架，由SUN公司主導(dǎo)開發(fā)的，建立在經(jīng)典的JNI基礎(chǔ)之上的一個(gè)框架，它提供一組JAVA工具類用于在運(yùn)行期動(dòng)態(tài)訪問系統(tǒng)本地庫(kù)（native library：如Window的dll）而不需要編寫任何Native/JNI代碼。開發(fā)人員只要在一個(gè)JAVA接口中描述目標(biāo)native library的函數(shù)與結(jié)構(gòu)，JNA將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)JAVA接口到native function的映射。[1]JNA的項(xiàng)目地址：https：//jna.dev.java.net/，JNA使JAVA調(diào)用原生函數(shù)就像.NET上的P／Invoke一樣方便快捷，極大的提高程序員編寫代碼的效率。JNA使JAVA平臺(tái)可以方便的調(diào)用原生函數(shù)，這大大擴(kuò)展了JAVA平臺(tái)的整合能力，簡(jiǎn)化了開發(fā)難度，又增強(qiáng)了JAVA與硬件設(shè)備通信的功能。

2.JNA框架的工作原理

JNA是建立在JNI技術(shù)基礎(chǔ)之上的一個(gè)JAVA類庫(kù)，它使編程人員可以方便地使用JAVA直接訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì).dll/.so文件的訪問。原來使用JNI，你必須手工用C寫一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在C語(yǔ)言中映射JAVA的數(shù)據(jù)類型，而編寫動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的唯一用途就是使用JAVA能夠理解的C代碼來調(diào)用目標(biāo)原生函數(shù)。同時(shí)編寫JAVA和C代碼的過程使開發(fā)的難度大大增加，而這個(gè)沒其他用途的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的編寫過程顯得相當(dāng)枯燥。JNI調(diào)用設(shè)備方法如圖1所示。

JNA中，它提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)的C語(yǔ)言編寫的轉(zhuǎn)發(fā)器，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)JAVA和C的數(shù)據(jù)類型映射。作為程序員，不再需要編寫C動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，極大地簡(jiǎn)化了JAVA調(diào)用原生函數(shù)的過程。當(dāng)然，這也意味著，使用JNA技術(shù)比使用JNI技術(shù)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)會(huì)對(duì)性能略有影響，如可能在速度上會(huì)降低幾倍，但影響并不大。從總體上來看，使用JNA是利遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊的。JNA打破了JAVA和原生代碼原本涇渭分明的界限，充分發(fā)揮各自擅長(zhǎng)領(lǐng)域的分工合作，提高程序員開發(fā)的效率。從某種意義上講，JNA從JNI中來，但卻青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，逐漸獲得了廣大開發(fā)人員的喜愛。其調(diào)用設(shè)備方法如圖2所示。

表1 JAVA與C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 JNI調(diào)用設(shè)備方法

圖2 JNA調(diào)用設(shè)備方法

3.JNA框架需要注意的細(xì)節(jié)及技術(shù)難點(diǎn)

（1)當(dāng)前路徑是在項(xiàng)目下，而不是bin輸出目錄下。JNA在搜索dll路徑的時(shí)候首先是從項(xiàng)目的根路徑開始查找，然后再搜索當(dāng)前操作系統(tǒng)的全局路徑，其次搜索path指定的路徑。

（2)JNA所使用的數(shù)據(jù)類型屬于JAVA的數(shù)據(jù)類型，而原生函數(shù)中的數(shù)據(jù)類型是由使用的編程語(yǔ)言決定的，有可能是C、Delphi等語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型。JAVA與C語(yǔ)言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

4.JNA編程過程

Dll是C函數(shù)的集合、容器，這正和接口的概念吻合。JNA把一個(gè)dll/.so文件看做是一個(gè)JAVA接口，JNA通過調(diào)用接口來實(shí)現(xiàn)與第三方dll的通信。下面我們將以一個(gè)例子來說明如何調(diào)用dll中的函數(shù)。

（1）首先我們定義這樣一個(gè)接口

（2）分析過程如下所示

如果dll是以stdcall方式輸出函數(shù)，那么就繼承StdCallLibrary。否則就繼承默認(rèn)的Library接口。接口內(nèi)部需要一個(gè)公共靜態(tài)常量：sdtapi。

通過這個(gè)常量，就可以獲得這個(gè)接口的實(shí)例，從而使用接口的方法。也就是調(diào)用外部dll的函數(shù)！注意：1) Native.loadLibrary（)函數(shù)有2個(gè)參數(shù)：第一個(gè)參數(shù)是dll或者.so文件的名字，但不帶后綴名。這符合JNI的規(guī)范，因?yàn)閹Я撕缶Y名就不可以跨操作系統(tǒng)平臺(tái)了。第二個(gè)參數(shù)是本接口的Class類型。JNA通過這個(gè)Class類型，根據(jù)指定的dll/.so文件，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建接口的實(shí)例。2)接口中你只需要定義你需要的函數(shù)或者公共變量，不需要的可以不定義。

boolean USB_DevInit（int port);

參數(shù)和返回值的類型，應(yīng)該和dll中的C函數(shù)的類型一致。這是JNA，甚至所有跨平臺(tái)調(diào)用的難點(diǎn)。這里，C語(yǔ)言的函數(shù)參數(shù)是：int port；JNA中對(duì)應(yīng)的JAVA類型也是int，所以我們?cè)谧隹缙脚_(tái)的時(shí)候，在數(shù)據(jù)類型上的選擇應(yīng)該盡量做到簡(jiǎn)單，這有利于跨平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。

5.JNA的不足與補(bǔ)充

我們已經(jīng)見識(shí)了JNA的強(qiáng)大。但是，有些需求還是必須求助于JNI。JNA是建立在JNI技術(shù)基礎(chǔ)之上的一個(gè)框架。使用JNI技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)JAVA訪問C函數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言調(diào)用JAVA代碼。而JNA只能實(shí)現(xiàn)JAVA訪問C函數(shù)，作為一個(gè)JAVA框架，自然不能實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言調(diào)用JAVA代碼。此時(shí)，你還是需要使用JNI技術(shù)。JNI是JNA的基礎(chǔ)，是JAVA和C互操作的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、如何利用JNA框架實(shí)現(xiàn)與讀寫器的通信

目前市場(chǎng)上的大多硬件廠商提供的開發(fā)包是原生函數(shù)，比如讀寫設(shè)備就是這個(gè)情況，一般設(shè)備廠商會(huì)提供兩種類型的類庫(kù)文件，windows系統(tǒng)的會(huì)包含.dll/.h/.lib文件，而linux會(huì)包含.so/.a文件，這里只討論windows系統(tǒng)下的c/c++編譯的dll文件調(diào)用方法。

現(xiàn)在來討論這樣一個(gè)問題，我們現(xiàn)要為JAVA項(xiàng)目添加IC卡讀寫器功能，設(shè)備廠商提供了一個(gè)fkc60.dll動(dòng)態(tài)庫(kù)，下面以其中的二個(gè)函數(shù)為例：

1.打開串口函數(shù)

1)bool USB_DevInit（int port)；

2)用途及說明：調(diào)用其它函數(shù)前先打開串口，成功返回true，失敗返回false；

3)參數(shù)：port表示串行口，1為端口1，2為端口2，以此類推。

2.控制讀寫器發(fā)聲函數(shù)

1)bool USB_BeepEx（int port,int ptype)；

2)用途及說明：控制讀寫器發(fā)聲；成功返回true，失敗返回false；

3)參數(shù)：port表示串口號(hào)，1為端口1，2為端口2，以此類推，ptype表示發(fā)聲類型0發(fā)短聲，1發(fā)長(zhǎng)聲。

首先，你需要下載一個(gè)jna.jar包，就可以方便地調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的C函數(shù)了，在JAVA項(xiàng)目中引入jna.jar包，本例是把fkc60放在項(xiàng)目的lib目錄下引入的。

最后執(zhí)行可以看到控制臺(tái)中打印串行口打開成功信息，并聽到讀寫器發(fā)出了短聲。

四、結(jié)束語(yǔ)

JNA技術(shù)相對(duì)于JNI技術(shù)確實(shí)提高了開發(fā)的效率，并且擴(kuò)展了JAVA的功能，但它仍存在著一個(gè)缺陷，即破壞了JAVA程序的最重要優(yōu)點(diǎn)：平臺(tái)無關(guān)性，所以除非必須（不得不）使用JNA技術(shù)，一般還是提倡寫100%純JAVA程序，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和查閱的一些資料，把可以使用JNA的情況羅列如下：

1.需要直接操作物理設(shè)備，而沒有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序；

2.用JAVA會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)難以支付的開銷，如需要大量網(wǎng)絡(luò)鏈接的場(chǎng)合；

3.存在大量可重用的C/C++代碼，通過JNA可以減少開發(fā)工作量，避免重復(fù)開發(fā)。

[1]沈東良.深入淺出JNA—快速調(diào)用原生函數(shù)[J].程序員,2009,3.

[2]匿名.JNA—JNI終結(jié)者.