淺談JNI技術在嵌入式軟件開發中的應用

引言嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式軟件的基本體系結構包括嵌入式實時操作系統RTOS(RealTimeoperatingSysterrl)、嵌入式設備驅動程序、嵌入式應用程序編程接口(中間件)和嵌入式應用程序?，F階段，計算機應用的普及、互聯網技術的實用以及納米微電子技術的突破，正有力推動著21世紀的工業生產、商業活動、科學實驗和家庭生活等領域自動化和信息化進程。全過程自動化產品制造、大范圍電子商務活動、高度協同科學實驗以及現代化家居生活，為嵌入式產品造就了嶄新而巨大的商機。除了溝通信息高速公路的交換機、路由器和調制解調器，構建計算機集成制造系統(CIMS)所需的數據傳輸系統DCS(DataCommunicationSystem)和機器人以及規模較大的家用汽車電子系統，最有產量效益和時代特征的嵌入式產品應數因特網上的信息家電(informationappliances），如網絡可視電話、網絡游戲機、電子商務、商務通(PDA)、移動電話以及多媒體產品(如電視機頂盒、DVD播放機、電子閱讀機)。眾所周知，“一次編程，到處使用”的Java軟件概念原本就是針對網上嵌入式小設備提出的，幾經周折，目前SUN公司已推出了J2ME(Java2P1atformMicroEdition)針對信息家電的Java版本，其技術日趨成熟，開始投入使用。SUN公司Java虛擬機(JVM)技術的有序開放，使得Java軟件真正實現跨平臺運行，即Java應用小程序能夠在帶有JVM的任何硬軟件系統上執行。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，對實現瘦身上網的信息家電等網絡設備十分有利，同時對嵌入式設備特別是上網設備軟件編程技術產生了很大的影響。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，其對內存的管理是通過JVM虛擬機來實現的，同樣的程序，如果用編譯型語言C來實現，其運行速度一般要比Java快得多。因此，提高Java的性能就顯得十分重要。迄今為止，人們為提高Java的運行速度而做出的許多努力，主要集中在程序設計的方法和模式選擇方面。但是由于算法和設計模式的優化是通用的，對Java有效的優化算法和設計模式，對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行效率方面的差異。另外，JIT(JustInTime，及時編譯)技術也是一個比較好的思想。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無關的二進制字節碼。然后，在Java程序真正執行之前，系統通過JIT編譯器把Java的字節碼編譯為本地化機器碼。最后，系統執行本地化機器碼，不用對字節碼進行解釋。這樣做的優點是，大大提高了Java程序的性能，縮短了加載程序的時間；同時，由于編譯的結果并不在程序運行期間保存，因此也節約了存儲空間。缺點是，由于JIT編譯器對所有的代碼都想優化，因此同樣也占用了很多時間。動態優化技術即提前編譯為機器碼的技術(dynamicopttmization，aheadoftimetechnology)是提高Java性能的另一個嘗試。動態優化技術充分利用了Java源碼編譯、字節碼編譯、動態編譯和靜態編譯的技術。其輸入是Java的源碼或字節碼。而輸出是經過高度優化的可執行代碼和動態庫(WindoW中是．dil文件，UNIX中是共享庫.a.so文件)。其優點是能大大提高程序的性能，缺點是破壞了Java的可移植性，也對Java的安全帶來了一定的隱患。2JNI技術實際上，有一種通常被忽視的技術可以在很大程度上解決這個難題，那就是JNI(JavaNativeInterface，Java本地化方法)。圖l是JNI技術實現的一般步驟。（1）編寫Java類代碼其中，需要JNI實現的方法應當用native關鍵字聲明。在該類中，用System．1oadLibrary()方法加載需要的動態鏈接庫。關鍵代碼如下：／／Compute.javapublicclassCompute{publicnativedoublecomp(doubleparams);static{／／調用動態鏈接庫System．loadLibrary(“mathlib”)；}(2)編譯成字節代碼在這個過程中，由于采用了native關鍵字聲明，Java編譯器會忽視沒有代碼體的JNI方法部分。(3)生成相關JNI方法的頭文件這個過程的實現一般是通過利用jlavah-jni*class生成的，也可以手工生成該文件；但是由于Java虛擬機是根據一定的命名規范完成對JNI方法的調用，所以手工編寫頭文件需要特別小心。3基于JNI的嵌入式手機軟件開發實例下面通過一個實例來描述運用JNI技術在手機上操縱攝像頭，捕捉視頻并存儲圖片的過程。(1)活動／狀態圖圖2為捕捉視頻并存儲圖片的活動／狀態圖根據圖2的活動／狀態，具體的對應步驟如下：①發起該流程。②發起流程后，建立文件用于存儲圖片。③用指針獲得分配的緩沖器，用于存儲獲得的幀。④將指針壓棧(序列化緩沖器)。由于手機的內存較小，為了防止內存泄漏，Symbian操作系統有一個Cleanupstack的要求，即在使用指針時，用PushL把指針壓入棧中，使用完后再用Pop彈出棧．如果在中間調用導致崩潰的函數時果真出現了問題，那么Cleanupstack可以通過調用該指針的析構函數回收占用的空間。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將攝像頭內的圖像流存入緩沖器內，并將緩沖器內的流轉化為文件流，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當接收到停止視頻捕捉的信號后，關閉文件。⑨流程結束。(2)運用JNI技術的視頻捕捉子功能捕捉視頻的實現是由操縱攝像頭、視頻播放(解碼器準備)以及建立攝像頭和手機之間的連接會話三個活動組成的。其中操縱攝像頭是通過調用底層設備的驅動來實現的，需要利用JNI來實現，完成的方法包括準備、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++代碼來實現的，除了準備、建立、刪除、銷毀解碼器外，還有開始、暫停、停止解碼等。建立攝像頭和手機之間的連接類似建立客戶端和服務器連接，視頻流從攝像頭傳到手機界面是通過多媒體會話來完成的。多媒體會話的建立、關閉、摧毀以及會話建立后的發送、取消、讀取數據等也是JNI的應用范疇。結語主張采用純Java的人們通常反對本地化代碼的使用，認為JNI技術會影響程序的可移植性和安全性。還有一些人認為，在Java程序執行的過程中調用c／c++程序只是對過去混合編程技術的簡單擴展，其實際目的是為了充分利用大量原有的c程序庫。其實，不必拘泥于嚴格的平臺獨立性限制，因為采用JNI技術只是針對一些嚴重影響Java性能的代碼段。該部分可能只占源程序的極少部分，所