基于JNA框架實現JAVA與讀寫器通信的研究

廣州輕工職業學校 劉魁元

廣州市機電高級技工學校 余楷鑫

一、目前JAVA與硬件設備通信的現狀及存在問題

JAVA跨平臺的特性深受JAVA程序員的喜愛，這是JAVA的優越性，但是正是為了實現跨平臺的目的，JAVA和本地系統的各種內在聯系變得很少，這大大約束了它的功能，比如與一些硬件設備的通信，往往要花很大的精力去編寫動態函數庫來管理設備端口，JDK從1.1版本開始提供了解決這個問題的技術標準：JNI標準；和許多解釋執行的語言一樣，JAVA提供了調用原生函數的機制，以加強JAVA平臺的能力，JavaTMNative Interface（JNI)就是JAVA調用原生函數的機制。

事實上，很多JAVA核心代碼內部就是使用JNI實現的，這些JAVA功能實際上是通過原生函數提供的。但是，使用JNI對于JAVA開發者來說簡直是一場惡夢；如果你已經有了原生代碼，使用JNI，你必須用C語言重新編寫一個動態庫，這個動態庫的唯一功能就是使用JAVA能理解的C代碼來調用目標原生函數。一般情況下，設備廠商提供的硬件接口都已經經過一定的封裝和處理，不能直接使用JAVA程序通過端口和設備進行通信，JAVA若想與設備進行通信，就必須使用JNI的方式重新編寫動態函數庫來調用硬件設備，而這種方法的繁冗程度也可想而知，開發效率也不高，因此，人們一直都視JNI為禁地，輕易不愿涉足。

二、解決JAVA與硬件設備通信的新方法

1.什么是JNA框架

JNA（Java Native Access）是一個開源的JAVA框架，由SUN公司主導開發的，建立在經典的JNI基礎之上的一個框架，它提供一組JAVA工具類用于在運行期動態訪問系統本地庫（native library：如Window的dll）而不需要編寫任何Native/JNI代碼。開發人員只要在一個JAVA接口中描述目標native library的函數與結構，JNA將自動實現JAVA接口到native function的映射。[1]JNA的項目地址：https：//jna.dev.java.net/，JNA使JAVA調用原生函數就像.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平臺可以方便的調用原生函數，這大大擴展了JAVA平臺的整合能力，簡化了開發難度，又增強了JAVA與硬件設備通信的功能。

2.JNA框架的工作原理

JNA是建立在JNI技術基礎之上的一個JAVA類庫，它使編程人員可以方便地使用JAVA直接訪問動態鏈接庫中的函數，從而實現對.dll/.so文件的訪問。原來使用JNI，你必須手工用C寫一個動態鏈接庫，在C語言中映射JAVA的數據類型，而編寫動態鏈接庫的唯一用途就是使用JAVA能夠理解的C代碼來調用目標原生函數。同時編寫JAVA和C代碼的過程使開發的難度大大增加，而這個沒其他用途的動態鏈接庫的編寫過程顯得相當枯燥。JNI調用設備方法如圖1所示。

JNA中，它提供了一個動態的C語言編寫的轉發器，可以自動實現JAVA和C的數據類型映射。作為程序員，不再需要編寫C動態鏈接庫，極大地簡化了JAVA調用原生函數的過程。當然，這也意味著，使用JNA技術比使用JNI技術調用動態鏈接庫會對性能略有影響，如可能在速度上會降低幾倍，但影響并不大。從總體上來看，使用JNA是利遠遠大于弊的。JNA打破了JAVA和原生代碼原本涇渭分明的界限，充分發揮各自擅長領域的分工合作，提高程序員開發的效率。從某種意義上講，JNA從JNI中來，但卻青出于藍而勝于藍，逐漸獲得了廣大開發人員的喜愛。其調用設備方法如圖2所示。

表1 JAVA與C語言數據結構的對應關系

圖1 JNI調用設備方法

圖2 JNA調用設備方法

3.JNA框架需要注意的細節及技術難點

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

（2)JNA所使用的數據類型屬于JAVA的數據類型，而原生函數中的數據類型是由使用的編程語言決定的，有可能是C、Delphi等語言的數據類型。JAVA與C語言數據結構的對應關系如表1所示。

4.JNA編程過程

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

（1）首先我們定義這樣一個接口

（2）分析過程如下所示

如果dll是以stdcall方式輸出函數，那么就繼承StdCallLibrary。否則就繼承默認的Library接口。接口內部需要一個公共靜態常量：sdtapi。

通過這個常量，就可以獲得這個接口的實例，從而使用接口的方法。也就是調用外部dll的函數！注意：1) Native.loadLibrary（)函數有2個參數：第一個參數是dll或者.so文件的名字，但不帶后綴名。這符合JNI的規范，因為帶了后綴名就不可以跨操作系統平臺了。第二個參數是本接口的Class類型。JNA通過這個Class類型，根據指定的dll/.so文件，動態創建接口的實例。2)接口中你只需要定義你需要的函數或者公共變量，不需要的可以不定義。

boolean USB_DevInit（int port);

參數和返回值的類型，應該和dll中的C函數的類型一致。這是JNA，甚至所有跨平臺調用的難點。這里，C語言的函數參數是：int port；JNA中對應的JAVA類型也是int，所以我們在做跨平臺的時候，在數據類型上的選擇應該盡量做到簡單，這有利于跨平臺的實現。

5.JNA的不足與補充

我們已經見識了JNA的強大。但是，有些需求還是必須求助于JNI。JNA是建立在JNI技術基礎之上的一個框架。使用JNI技術，不僅可以實現JAVA訪問C函數，也可以實現C語言調用JAVA代碼。而JNA只能實現JAVA訪問C函數，作為一個JAVA框架，自然不能實現C語言調用JAVA代碼。此時，你還是需要使用JNI技術。JNI是JNA的基礎，是JAVA和C互操作的技術基礎。

三、如何利用JNA框架實現與讀寫器的通信

目前市場上的大多硬件廠商提供的開發包是原生函數，比如讀寫設備就是這個情況，一般設備廠商會提供兩種類型的類庫文件，windows系統的會包含.dll/.h/.lib文件，而linux會包含.so/.a文件，這里只討論windows系統下的c/c++編譯的dll文件調用方法。

現在來討論這樣一個問題，我們現要為JAVA項目添加IC卡讀寫器功能，設備廠商提供了一個fkc60.dll動態庫，下面以其中的二個函數為例：

1.打開串口函數

1)bool USB_DevInit（int port)；

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

3)參數：port表示串行口，1為端口1，2為端口2，以此類推。

2.控制讀寫器發聲函數

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

2)用途及說明：控制讀寫器發聲；成功返回true，失敗返回false；

3)參數：port表示串口號，1為端口1，2為端口2，以此類推，ptype表示發聲類型0發短聲，1發長聲。

首先，你需要下載一個jna.jar包，就可以方便地調用動態鏈接庫中的C函數了，在JAVA項目中引入jna.jar包，本例是把fkc60放在項目的lib目錄下引入的。

最后執行可以看到控制臺中打印串行口打開成功信息，并聽到讀寫器發出了短聲。

四、結束語

JNA技術相對于JNI技術確實提高了開發的效率，并且擴展了JAVA的功能，但它仍存在著一個缺陷，即破壞了JAVA程序的最重要優點：平臺無關性，所以除非必須（不得不）使用JNA技術，一般還是提倡寫100%純JAVA程序，根據自己的經驗和查閱的一些資料，把可以使用JNA的情況羅列如下：

1.需要直接操作物理設備，而沒有相關的驅動程序；

2.用JAVA會產生系統難以支付的開銷，如需要大量網絡鏈接的場合；

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

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

[2]匿名.JNA—JNI終結者.