Java 21 外部函数与内存 (FFM) API 简介

Java 21 引入了外部函数和内存（FFM）API，这是一项全新的功能，允许 Java 程序与 Java 运行时之外的代码和数据进行互操作。Java 通常运行在被称为 Java 虚拟机（JVM）的托管环境中，JVM 作为执行 Java 代码与底层硬件和操作系统之间的抽象层。JVM 的核心设计原则之一是为 Java 应用程序提供一个安全且隔离的运行环境。这种隔离带来了诸多优势，例如增强安全性和稳定性，降低了未经授权访问系统资源或内存损坏的风险，从而避免了缓冲区溢出等漏洞。

为什么需要 FFM API？

尽管 JVM 的隔离特性提供了许多好处，但当 Java 应用程序需要与其他编程语言编写的系统级资源或库交互时，这种隔离可能会成为一种限制。例如：

性能需求：某些性能关键的应用程序可能需要调用用 C 或 C++ 编写的本机库，以充分利用其速度优势。
硬件交互：某些应用场景需要直接与硬件设备通信，而这通常需要通过本机库实现。

在过去，Java 程序通常通过 Java 本机接口（JNI）来完成这些任务。尽管 JNI 功能强大，但它也存在复杂性和潜在风险，例如内存泄漏和崩溃，这可能会破坏 Java 应用程序的稳定性。

FFM API 的优势

Java 21 引入的 FFM API 为解决上述问题提供了一种更安全、更高效的解决方案。与 JNI 不同，FFM API 通过简化的方式实现了对本机库的调用和本机数据的操作。它的设计目标是提供一种直接且安全的方式来实现 Java 与外部代码和数据的互操作，同时保留 JVM 隔离环境的安全性和稳定性。

以下是 FFM API 的主要优势：

简化代码：减少了 JNI 中常见的样板代码，降低了出错的可能性。
增强安全性：通过更安全的内存管理机制，降低了内存泄漏和崩溃的风险。
提高效率：提供了更高效的方式来调用本机函数和操作本机数据。

使用示例：调用 C 的 `strlen` 函数

以下代码展示了如何使用 FFM API 调用 C 的 strlen 函数来计算传递的 Java 字符串的长度：

public static void main(String[] args) throws Throwable {
    // 创建一个 SymbolLookup 对象，用于在 C 库路径中查找本机符号
    SymbolLookup stdlib = Linker.nativeLinker().defaultLookup();

    // 创建一个 MethodHandle 对象，包含调用本机函数所需的信息
    MethodHandle strlen = Linker.nativeLinker().downcallHandle(
        stdlib.find("strlen").orElseThrow(),
        FunctionDescriptor.of(JAVA_LONG, ADDRESS)
    );    // 创建一个 Arena 对象，用于分配堆外内存
    try (Arena offHeap = Arena.ofConfined()) {
        // 分配堆外内存来存储字符串
        MemorySegment str = offHeap.allocateUtf8String("Java 21 rocks!");        // 调用 strlen 函数计算字符串长度
        long len = (long) strlen.invoke(str);
        System.out.println("len = " + len);
    }
}

示例解析

加载本机库：通过 SymbolLookup 对象查找本机符号。
获取函数指针：使用 MethodHandle 对象封装本机函数的调用信息。
分配内存：通过 Arena 对象分配堆外内存。
调用本机函数：调用 strlen 函数并获取结果。

以上代码展示了如何加载本机库、获取函数指针、分配内存、设置函数参数、调用本机函数并获取结果。

FFM API 的其他功能

FFM API 不仅支持简单的函数调用，还提供了许多其他功能，例如：

支持复杂参数类型：可以调用带有字符串、数组等复杂参数类型的外部函数。
高效内存管理：通过 Arena 提供安全的堆外内存分配和释放机制。

适用场景

FFM API 是 JNI 的一个安全、高效且易于使用的替代方案，适用于以下场景：

调用本机函数：当需要访问仅在本机库中可用的功能时，FFM API 提供了一种安全有效的调用方式。
与本机代码交互：例如，访问用 C 或 C++ 编写的机器学习库。
硬件交互：开发需要直接与硬件设备通信的应用程序。

如果您正在编写一个需要与本机代码交互的 Java 程序，FFM API 是一个理想的选择。它提供了一种安全、高效且可移植的方式来调用本机函数和访问本机数据。

总结

Java 21 的 FFM API 为 Java 程序与外部代码和数据的互操作提供了一个强大的工具。通过简化代码、增强安全性和提高效率，FFM API 成为 JNI 的理想替代方案。无论是调用本机函数、访问本机库，还是与硬件设备交互，FFM API 都能为开发者提供一种安全、高效且易于使用的解决方案。

原文链接: https://blog.payara.fish/java-21-foreign-function-and-memory-api

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