JNI学习笔记（六）——局部和全局引用

曾经终败给现在 2022-07-13 20:29 324阅读 0赞

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JNI将实例、数组类型暴露为不透明的引用。native代码从不会直接检查一个不透明的引用指针的上下文，而是通过使用JNI函数来访问由不透明的引用所指向的数据结构。因为只处理不透明的引用，这样就不需要担心不同的java VM实现而导致的不同的内部对象的布局。然而，还是有必要了解一下JNI中不同种类的引用：

1）JNI 支持3中不透明的引用：局部引用、全局引用和弱全局引用。

2）局部和全局引用，有着各自不同的生命周期。局部引用能够被自动释放，而全局引用和若全局引用在被程序员释放之前，是一直有效的。

3）一个局部或者全局引用，使所提及的对象不能被垃圾回收。而弱全局引用，则允许提及的对象进行垃圾回收。

4）不是所有的引用都可以在所有上下文中使用的。例如：在一个创建返回引用native方法之后，使用一个局部引用，这是非法的。

##     ##

## 局部和全局引用 ##

那么到底什么是局部引用，什么事全局引用，它们有什么不同？

### 局部引用 ###

多数JNI函数都创建局部引用。例如JNI函数NewObject创建一个实例，并且返回一个指向该实例的局部引用。

局部引用只在创建它的native方法的动态上下文中有效，并且只在native方法的一次调用中有效。所有局部引用只在一个native方法的执行期间有效，在该方法返回时，它就被回收。

在native方法中使用一个静态变量来保存一个局部引用，以便在随后的调用中使用该局部引用，这种方式是行不通的。例如以下例子，误用了局部引用：

/* This code is illegal */
    jstring
    MyNewString(JNIEnv *env, jchar *chars, jint len)
    {
        static jclass stringClass = NULL;
        jmethodID cid;
        jcharArray elemArr;
        jstring result;
        if (stringClass == NULL) {
            stringClass = (*env)->FindClass(env, "java/lang/String");
            if (stringClass == NULL) {
                return NULL; /* exception thrown */
            }
        }
        /* It is wrong to use the cached stringClass here,
           because it may be invalid. */
        cid = (*env)->GetMethodID(env, stringClass, "<init>", "([C)V");
        ...
        elemArr = (*env)->NewCharArray(env, len);
        ...
        result = (*env)->NewObject(env, stringClass, cid, elemArr);
        (*env)->DeleteLocalRef(env, elemArr);
        return result;
    }

这种保存局部引用的方式是不正确的，因为FindClass()返回的是对java.lang.String的局部引用。这是因为，在native代码从MyNewString返回退出时，VM 会释放所有局部引用，包括存储在stringClass变量中的指向类对象的引用。这样当再次后继调用MyNewString时，可能会访问非法地址，导致内存被破坏，或者系统崩溃。

局部引用失效，有两种方式：‘

1）系统会自动释放局部变量。

2）程序员可以显示地管理局部引用的生命周期，例如调用DeleteLocalRef。

一个局部引用可能在被摧毁之前，被传给多个native方法。例如，MyNewString中，返回一个由NewObject创建的字符串引用，它将由NewObject的调用者来决定是否释放该引用。而在以下代码中：

JNIEXPORT jstring JNICALL Java_C_f(JNIEnv *env, jobject this) {
          char *c_str = ...       ... return MyNewString(c_str); }

在VM接收到来自Java\_C\_f的局部引用以后，将基础字符串对象传递给ava\_C\_f的调用者，然后摧毁原本由MyNewString中调用的JNI函数NewObject所创建的局部引用。

局部对象只属于创建它们的线程，只在该线程中有效。一个线程想要调用另一个线程创建的局部引用是不被允许的。将一个局部引用保存到全局变量中，然后在其它线程中使用它，这是一种错误的编程。

### 全局引用 ###

在一个native方法被多次调用之间，可以使用一个全局引用跨越它们。一个全局引用可以跨越多个线程，并且在被程序员释放之前，一致有效。和局部引用一样，全局引用保证了所引用的对象不会被垃圾回收。

和局部引用不一样（局部变量可以由多数JNI函数创建），全局引用只能由一个JNI函数创建（NewGlobalRef）。下面是一个使用全局引用版本的MyNewString：

/* This code is OK */
    jstring
    MyNewString(JNIEnv *env, jchar *chars, jint len)
    {
        static jclass stringClass = NULL;
        ...
        if (stringClass == NULL) {
            jclass localRefCls =
                (*env)->FindClass(env, "java/lang/String");
            if (localRefCls == NULL) {
                return NULL; /* exception thrown */
            }
            /* Create a global reference */
            stringClass = (*env)->NewGlobalRef(env, localRefCls);
            /* The local reference is no longer useful */
            (*env)->DeleteLocalRef(env, localRefCls);
            /* Is the global reference created successfully? */
            if (stringClass == NULL) {
                return NULL; /* out of memory exception thrown */
            }
        }
        ...
    }

### 弱全局引用 ###

弱全局引用是在java 2 SDK1.2才出现的。它由NewGolableWeakRef函数创建，并且被DeleteGloablWeakRef函数摧毁。和全局引用一样，它可以跨native方法调用，也可以跨越不同线程。但是和全局引用不同的是，它不阻止对基础对象的垃圾回收。下面是弱全局引用版的MyNewString：

JNIEXPORT void JNICALL
    Java_mypkg_MyCls_f(JNIEnv *env, jobject self)
    {
        static jclass myCls2 = NULL;
        if (myCls2 == NULL) {
            jclass myCls2Local =
                (*env)->FindClass(env, "mypkg/MyCls2");
            if (myCls2Local == NULL) {
                return; /* can’t find class */
            }
            myCls2 = NewWeakGlobalRef(env, myCls2Local);
            if (myCls2 == NULL) {
                return; /* out of memory */
            }
        }
        ... /* use myCls2 */
    }

弱全局引用在一个被native代码缓存着的引用不想阻止基础对象被垃圾回收时，非常有用。如以上例子，mypkg.MyCls.f需要缓存mypkg.MyCls2的引用。而通过将 mypkg.MyCls2缓存到弱引用中，能够实现MyCls2类依旧可以被卸载。

上面代码中，我们假设了MyCls类和MyCls2类的生命周期是相同的（例如，在同一个类中被加载、卸载）。所以没有考虑MyCls2被卸载了，然后在类MyCls和native方法的实现Java\_mypkg\_MyCls\_f还要被继续使用时，再被重新加载起来的情况。针对于这个MyCls2类可能被卸载再加载的情况，在使用时，需要检查该弱全局引用是否还有效。如何检查，这将在下面提到。

### 比较引用 ###

可以用JNI函数IsSameObject来检查给定的两个局部引用、全局引用或者弱全局引用，是否指向同一个对象。

(*env)->IsSameObject(env, obj1, obj2)

返回值为：

JNI\_TRUE，表示两个对象一致，是同一个对象。

JNI\_FALSE，表示两个对象不一致，不是同一个对象。

在java VM中NULL是null的引用。

如果一个对象obj是局部引用或者全局引用，则可以这样来检查它是否指向null对象：

(*env)->IsSameObject(env, obj, NULL)

或者：

NULL == obj

而对于弱全局引用，以上规则需要改变一下：

我们可以用这个函数来判断一个非0弱全局引用wobj所指向的对象是否仍旧存活着（依旧有效）。

(*env)->IsSameObject(env, wobj, NULL)

返回值：

JNI\_TRUE，表示对象已经被回收了。

JNI\_FALSE，表示wobj指向的对象，依旧有效。

## 释放引用 ##

除了引用的对象要占用内存，每个JNI引用本身也会消耗一定内存。作为一个JNI程序员，应该对在一段给定的时间里，程序会用到的引用的个数，做到心中有数。特别是，尽管程序所创建的局部引用最终会被VM会被自动地释放，仍旧需要知道在程序在执行期间的任何时刻，创建的局部引用的上限个数。创建过多的引用，即便他们是瞬间、短暂的，也会导致内存耗尽。

### 释放局部引用 ###

多数情况下，在执行一个native方法时，你不需要担心局部引用的释放，java VM会在native方法返回调用者的时候释放。然而有时候需要JNI程序员显示的释放局部引用，来避免过高的内存使用。那么什么时候需要显示的释放呢，且看一下情景：

1）在单个native方法调用中，创建了大量的局部引用。这可能会导致JNI局部引用表溢出。此时有必要及时地删除那些不再被使用的局部引用。例如以下代码，在该循环中，每次都有可能创建一个巨大的字符串数组。在每个迭代之后，native代码需要显示地释放指向字符串元素的局部引用：

for (i = 0; i < len; i++) {
        jstring jstr = (*env)->GetObjectArrayElement(env, arr, i);
        ... /* process jstr */
        (*env)->DeleteLocalRef(env, jstr);
    }

2）你可能要创建一个工具函数，它会被未知的上下文调用。例如之前提到到MyNewString这个例子，它在每次返回调用者欠，都及时地将局部引用释放。

3）native方法，可能不会返回（例如，一个可能进入无限事件分发的循环中的方法）。此时在循环中释放局部引用，是至关重要的，这样才能不会无限期地累积，进而导致内存泄露。

4）native方法可能访问一个巨大的对象，因此，创建了一个指向该对象的局部引用。native方法在返回调用者之前，除访问对象之外，还执行了额外的计算。指向这个大对象的局部引用，将会包含该对象，以防被垃圾回收。这个现象会持续到native方法返回到调用者时，即便这个对象不会再被使用，也依旧会受保护。在以下例子中，由于在lengthyComputation()前，显示地调用了DeleteLocalRef，所以垃圾回收器有机会可以释放lref所指向的对象。

/* A native method implementation */
    JNIEXPORT void JNICALL
    Java_pkg_Cls_func(JNIEnv *env, jobject this)
    {
        lref = ...              /* a large Java object */
        ...                     /* last use of lref */
        (*env)->DeleteLocalRef(env, lref);
        lengthyComputation();   /* may take some time */
        return;                 /* all local refs are freed */
    }

这个情形的实质，就是允许程序在native方法执行期间，java的垃圾回收机制有机会回收native代码不在访问的对象。

### 在java 2 SDK1.2中管理局部引用 ###

不知道java 7怎么样了，应该更强大吧，有时间，去看看，这里且按照java2的特性来吧。

SDK1.2中提供了一组额外的函数来管理局部引用的生命周期。他们是EnsureLocalCapacity、NewLocalRef、PushLocalFram以及PopLocalFram。

JNI的规范要求VM可以自动确保每个native方法可以创建至少16个局部引用。经验显示，如果native方法中未包含和java VM的对象进行复杂的互相操作，这个容量对大多数native方法而言，已经足够了。如果，出现这还不够的情况，需要创建更多的局部引用，那么native方法可以调用EnsureLocalCapacity来保证这些局部引用有足够的空间。

/* The number of local references to be created is equal to
       the length of the array. */
    if ((*env)->EnsureLocalCapacity(env, len)) < 0) {
        ... /* out of memory */
    }
    for (i = 0; i < len; i++) {
        jstring jstr = (*env)->GetObjectArrayElement(env, arr, i);
        ... /* process jstr */
        /* DeleteLocalRef is no longer necessary */
    }

这样做，所消耗的内存，自然就有可能比之前的版本来的多。

另外，PushLocalFram\\PopLocalFram函数允许程序员创建嵌套作用域的局部引用。如下代码：

#define N_REFS ... /* the maximum number of local references
      used in each iteration */
    for (i = 0; i < len; i++) {
        if ((*env)->PushLocalFrame(env, N_REFS) < 0) {
            ... /* out of memory */
        }
        jstr = (*env)->GetObjectArrayElement(env, arr, i);
        ... /* process jstr */
        (*env)->PopLocalFrame(env, NULL);
    }

PushLocalFram为指定数目的局部引用，创建一个新的作用域，PopLocalFram摧毁最上层的作用域，并且释放该域中的所有局部引用。

使用这两个函数的好处是它们可以管理局部引用的生命周期，而不需关系在执行过程中可能被创建的每个单独局部引用。例子中，如果处理jstr的过程，创建了额外的局部引用，它们也会在PopLocalFram之后被立即释放。

NewLocalRef函数，在你写一个工具函数时，非常有用。这个会在下面章节——管理引用的规则，具体分析。

native代码可能会创建超出16个局部引用的范围，也可能将他们保存在PushLocalFram或者EnsureLocalCapacity调用，VM会为局部引用分配所需要的内存。然而，这些内存是否足够，是没有保证的。如果内存分配失败，虚拟机将会退出。

### 释放全局引用 ###

在native代码不再需要访问一个全局引用的时候，应该调用DeleteGlobalRef来释放它。如果调用这个函数失败，Java VM将不会回收对应的对象。

在native代码不在需要访问一个弱全局引用的时候，应该调用DeleteWeakGlobalRef来释放它。如果调用这个函数失败了，java VM 仍旧将会回收对应的底层对象，但是，不会回收这个弱引用本身所消耗掉的内存。

## 管理引用的规则 ##

管理引用的目的是为了清除不需要的内存占用和对象保留。

总体来说，只有两种类型的native代码：直接实现native方法的函数，在二进制上下文中被使用的工具函数。

在写native方法的实现的时候，需要当心在循环中过度创建局部引用，以及在native方法中被创建的，却不返回给调用者的局部引用。在native方法方法返回后还留有16个局部引用在使用中，将它们交给java VM来释放，这是可以接受的。但是native方法的调用，不应该引起全局引用和弱全局引用的累积。应为这些引用不会在native方法返后被自动地释放。

在写工具函数的时候，必须要注意不能泄露任何局部引用或者超出该函数之外的执行。因为一个工具函数，可能在意料之外的上下文中，被不停的重复调用。任何不需要的引用创建都有可能导致内存泄露。

1）当一个返回一个基础类型的工具函数被调用，它必须应该没有局部引用、若全局引用的累积。

2）当一个返回一个引用类型的工具函数被调用，它必须应该没有局部、全局或若全局引用的累积，除了要被作为返回值的引用。

一个工具函数以捕获为目的创建一些全局或者弱全局引用，这是可接受的，因为只有在最开始的时候，才会创建这些引用。

如果一个工具函数返回一个引用，你应该使返回的引用的类型(例如局部引用、全局引用）作为函数规范的一部分。它应该始终如一，而不是有时候返回一个局部引用，有时候却返回一个全局引用。调用者需要知道工具函数返回的引用的类型，以便正确地管理自己的JNI引用。以下代码重复地调用一个工具工具函数（GetInfoString）。我们需要知道GetInfoString返回的引用的类型，以便释放该引用：

while (JNI_TRUE) {
        jstring infoString = GetInfoString(info);
        ... /* process infoString */
        ??? /* we need to call DeleteLocalRef, DeleteGlobalRef,
      or DeleteWeakGlobalRef depending on the type of
      reference returned by GetInfoString. */
    }

在java2 SDK1.2中，NewLocalRef函数可以用来保证一个工具函数一直返回一个局部引用。为了说明这个问题，我们对MyNewString做一些改动,它缓存了一个被频繁请求的字符串（“CommonString”）到全局引用：

jstring
    MyNewString(JNIEnv *env, jchar *chars, jint len)
    {
        static jstring result;
        /* wstrncmp compares two Unicode strings */
        if (wstrncmp("CommonString", chars, len) == 0) {
            /* refers to the global ref caching "CommonString" */
            static jstring cachedString = NULL;
            if (cachedString == NULL) {
                /* create cachedString for the first time */
                jstring cachedStringLocal = ... ;
                /* cache the result in a global reference */
                cachedString =
                    (*env)->NewGlobalRef(env, cachedStringLocal);
            }
            return (*env)->NewLocalRef(env, cachedString);
        }
        ... /* create the string as a local reference and store in
      result as a local reference */
        return result;
    }

正常的流程返回的时候局部引用。就像之前解释的那样，我们必须将缓存字符保存到一个全局引用中，这样就可以在多个线程中调用native方法时，都能访问它。

return (*env)->NewLocalRef(env, cachedString);

这条语句，创建了一个局部引用，它指向了缓存在全局引用的指向的统一对象。作为和调用者的约定的一部分，MyNewString总是返回一个局部引用。

PushLocalFram、PopLocalFram函数用来管理局部引用的生命周期特别得方便。只需要在native函数的入口调用PushLocalFram，在函数退出时调用PopLocalFram，局部变量就会被释放。

jobject f(JNIEnv *env, ...)
    {
        jobject result;
        if ((*env)->PushLocalFrame(env, 10) < 0) {
            /* frame not pushed, no PopLocalFrame needed */
            return NULL;
        }
        ...
        result = ...;
        if (...) {
            /* remember to pop local frame before return */
            result = (*env)->PopLocalFrame(env, result);
            return result;
        }
        ...
        result = (*env)->PopLocalFrame(env, result);
        /* normal return */
        return result;
    }

PopLocalFram函数调用失败时，可能会导致未定义的行为，例如VM崩溃。