外部函数与内存API（FFM）- ERR404博客

随着JDK 22和JEP 424的发布，Java引入了一个全新的特性：外部函数与内存API（Foreign Function and Memory API，简称 FFM）。本文将详细介绍该API的设计初衷、核心组件以及使用方法，帮助开发者更好地理解和应用这一技术。

外部函数与内存API的设计初衷

Java平台提供了丰富的工具、库和驱动（如JDBC、HTTP、NIO、套接字等），但在某些场景下，开发者仍需与JVM之外的资源进行交互。FFM API的诞生正是为了解决这一问题，它通过高效调用外部函数和安全访问外部内存，使Java程序能够与原生库和数据进行互操作，同时避免了JNI（Java Native Interface）的复杂性和潜在风险。

FFM API主要位于java.base模块的java.lang.foreign包中。通过该API，开发者可以分配、访问和管理外部内存，从而实现与JVM外部资源的通信。

核心组件概览

FFM API的核心组件包括以下几个部分：

MemorySegment：表示一段连续的内存区域。
MemoryAddress：提供指向内存段中特定位置的指针。
SegmentAllocator：用于分配具有特定特征（如大小和对齐方式）的内存段。
Linker、FunctionDescriptor 和 SymbolLookup：用于调用外部函数。

这些组件共同构成了FFM API的基础，开发者可以利用它们高效、安全地操作外部内存和调用外部函数。

使用指南

链接器（Linker）

链接器是实现Java程序与JVM外部通信的核心组件。开发者通常使用针对操作系统和处理器架构优化的nativeLinker()方法，以确保与原生库和函数交互时的兼容性和效率。如果项目有特殊需求，也可以选择第三方原生链接器，但需综合考虑以下因素：

平台兼容性
性能
易用性
社区支持
可靠性

从原生库查找符号

符号是指需要从Java代码访问的外部库中定义的函数或变量。实现步骤如下：

获取一个或多个库中符号的地址。
通过FunctionDescriptor接口指定待调用函数的签名和调用约定，包括参数类型、返回类型等特征。
获取符号地址并定义描述符后，使用MethodHandles API将其转换为MethodHandle。

以下是一个示例：将接收两个整数参数并返回double类型的函数转换为MethodHandle，以便在Java代码中调用。

// 定义参数类型和返回类型
FunctionDescriptor descriptor = FunctionDescriptor.of(CLinker.C_DOUBLE, CLinker.C_INT, CLinker.C_INT);
MethodHandle handle = linker.downcallHandle(symbol, descriptor);

分配内存区域

在与需要手动内存管理的外部库交互时，FFM允许开发者在Java堆外分配和管理内存。这种方式确保底层函数能够读取参数，因为Java运行时中可能不存在必要的内存空间。

需要注意的是，实际开发中存储的通常是数据指针而非数据本身。例如，在处理链表等复杂数据结构时，开发者需要逐个分配列表项的内存，这可能会显得繁琐。

调用外部函数

通过包含参数的内存区域调用外部函数。借助MethodHandle，开发者可以轻松实现函数调用。例如，假设外部库中定义了一个接收两个整数参数并返回double的函数myFunction，可以通过以下方式调用：

double result = (double) handle.invokeExact(10, 20);

读取堆内存区域结果

对于像radixsort这样直接修改输入数据且无返回值的函数，需要在同一内存区域重新读取数据。以下是一个示例：

MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(100);
radixsort(segment);
byte[] result = segment.toArray(ValueLayout.JAVA_BYTE);

FFM API的优势

FFM相比传统的JNI具有以下显著优势：

模板代码更少：减少了重复性代码的编写。
API更简洁：提高了代码的可读性和维护性。
内存管理更轻量：开发者可以更高效地管理堆外内存。
类型安全：避免了JNI中常见的类型转换错误。

实际应用与反馈

目前，FFM API已在多个项目中得到了测试和应用。例如，RocksDB团队在测试FFM时发现，它在性能提升、代码精简和互操作性增强方面表现突出，为增强RocksDB的Java API及开拓新机遇提供了可靠的技术支持。

更多关于RocksDB团队的测试反馈，请参考：RocksDB博客。

总结

外部函数与内存API（FFM）为Java开发者提供了一个高效、安全的工具，用于与JVM外部资源进行交互。通过FFM，开发者可以更轻松地调用原生库、管理外部内存，并避免JNI的复杂性和风险。

希望本文对您了解FFM及其应用有所帮助。如有任何问题或建议，欢迎交流！更多关于JRE和内存区域的深入探讨，敬请期待后续内容。

原文链接: https://sebastienallemand.fr/posts/jep424-ffm/