Java調用DLL實現讀寫磁盤扇區

張美玲，張 剛

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

0 引 言

Java是一種面向對象的編程語言，它雖然具有語法簡單，面向對象，穩定，可移植性高等優點，但Java［1］以其跨平臺的目的，使得它不能像其它語言（如C和匯編）那樣更接近操作系統，和本地機器的各種內部聯系變得很少，也就不能和操作系統的底層打交道了。為了解決Java與底層的交互，本文引入JNI技術，通過Java對本地方法的調用，實現應用層對磁盤的直接操作。JNI的提出主要有以下幾個原因［2－3］：第一，當標準的java的類庫不支持程序所需特性時，可以用其它語言實現的接口。第二，需要用底層語言實現一個小型的時間敏感代碼時，考慮到java運行速度要比C／C＋＋慢，需要引入JNI。第三，已經有了一個用其他語言寫成的庫或程序時，可以用java直接來調用，減少工作量。本文是基于java的類庫不支持程序所需特性的原因，用C＋＋編寫讀寫扇區本地代碼并生成DLL［4］（WINDOWS平臺下是.DLL 文件，Linux平臺下是.SO 文件）文件。雖然在DOS環境下，通過中斷或IO［5］可以直接對硬盤進行操縱，因為BIOS和DOS系統為磁盤操作提供了INT13H 中斷，通過INT13H的讀寫功能可以實現磁盤的直接讀寫。但在Windows環境下，Win32系統禁止應用程序對硬盤直接操縱，禁止使用BIOS 中斷。所以，Windows操作系統下，在應用層直接讀取硬盤扇區變的困難。但并不意味著在windows環境下無法訪問硬盤。它在采取了“實保護”的同時，也提供了一些API函數，本文通過ReadFile（）和WriteFile（）函數，以扇區存取的方式在本地代碼中實現讀寫扇區，最后通過JNI方法實現了java對磁盤扇區的讀寫操作。

1 JNI技術原理及實現流程

1.1 JNI技術原理

目前java與dll交互的技術主要有3種：jni，jawin和jacob。JNI是sun公司提供的java與系統中的原生方法交互的技術（在windows＼linux 系統中，本文是基于windows平臺），它是JDK的一部分，提供了java與本地非java語言代碼的接口，通過使用JNI編寫的程序才能夠確保代碼移植到所有的平臺。該平臺相關代碼是通過JNI函數來訪問Java虛擬機功能的，而JNI函數需要通過第一個接口指針JINEnv＊［6］獲取。接口指針是指針的指針，它先指向一個JNI函數指針數組，而指針數組中每個元素又指向JNI接口函數。需要注意的是，本地方法將JNI接口指針當做參數來傳遞，所以在一個線程中對本地方法的多次調用，需要保證接口指針是相同的。但是，如果一個方法被不同的線程調用，需要不同的JNI接口指針。以下是JNI原理圖，如圖1所示。

圖1 JNI原理

1.2 實現步驟

JNI實現的最終目標是要通過編寫頭文件及本地程序，結合C／C＋＋文件生成動態庫文件，最后加載到java程序運行成功。具體實現步驟［7］如圖2所示。

圖2 JNI實現步驟

下面結合實例具體分析JNI調用過程。

2 應用實例

該實例結合結合java對dll文件調用方法，在VC＋＋中編寫本地代碼，并編譯生成.dll文件，通過并java 對.dll文件調用，實現了java對磁盤扇區的直接讀寫。以下是VC＋＋中實現讀寫扇區基本原理以及java實現讀寫扇區的基本步驟。

2.1 VC＋＋讀寫扇區實現原理［8］

首先，使用CreateFile函數打開磁盤驅動，指定所要操作磁盤并設置讀或寫操作，該函數參數設置如下：

打開的文件名參數設置：對于讀寫扇區，如果訪問的是具體某個邏輯分區，則文件名格式為“＼＼.＼X”，如果訪問的是第一個邏輯硬盤，則文件名格式為“＼＼.＼PHYSICALDRIVE0”；文件的操作屬性設置：允許讀設備操作設置為GENERIC＿READ，允許寫設備操作設置為GENERIC＿WRITE；文件共享屬性設置：FILE＿SHARE＿READ和FILE＿SHARE＿WRITE分別表示允許對設備進行讀共享訪問和寫共享訪問；文件操作設置為OPEN＿EXISTING，對于該設置文件必須已經存在，由設備提出要求，若該文件不存在，則函數調用失敗。

其次，因為所要讀的是磁盤中某個扇區，而打開的是整個磁盤，所以要通過SetFilePointer函數設置文件指針到磁盤中所要操作的某個扇區位置，CreateFile函數參數設置如下：

其中文件句柄是CreateFile函數所返回的句柄，如果該句柄值表示磁盤打開成功，則通過設置字節偏移量將指針指定到所要操作扇區，對于讀寫扇區操作，將字節偏移量設置為指針移動的字節數；文件定位設置為FILE＿BEGIN，即從文件開始為參考位置進行讀寫。

接著，就可以利用ReadFile和WriteFile從指定位置讀寫扇區，該函數由五個參數組成，參數設置如下：

第一個參數為文件句柄，同上。第二個參數為緩沖區，表示用于保存讀／寫入數據的一個緩沖區。第三個參數為要讀或寫入的字符數，此處設置為從文件中讀或寫入的數據字節數。第四個參數為從文件中實際讀或寫入的字節數的指針。第五個參數設為NULL。

最后，完成訪問操作后，如果讀或寫扇區失敗，顯示錯誤信息；如果讀或寫扇區成功，則用CloseHandle（）函數關閉文件句柄，從而完成一次完整的磁盤扇區讀寫操作訪問，具體操作流程如圖3所示。

圖3 流程

2.2 具體實現步驟

以上是在VC＋＋環境下實現讀寫扇區的方法，而要想在應用層實現底層磁盤的操作，需要通過java來對本地方法進行調用，下面以磁盤數據讀寫為例，先在磁盤中寫入數據，再通過讀扇區的方式讀取磁盤信息，分析了dll文件的生成以及java對其的調用過程，具體流程如下［9－10］

（1）建立Java工程writesector和readsector，分別在Writesector.java和Readsector.java中聲明本地方法。

public native boolean writeSector（long StartSector，int data）；

public native boolean readSector（long StartSector）；

定義了方法writeSector和readSector，參數StartSector，類型為long，表示所讀或寫扇區號，這里是邏輯扇區號，此參數用來在設置文件指針位置時指定到所要讀或寫的扇區。data表示寫入扇區中數據。返回參數類型均為布爾類型。由于Java和C的編碼方式不同，所以JNI技術最關鍵部分就是參數的傳遞，即將本地代碼中的參數轉換為java可調用的參數類型，JNI數據類型映射見表1。

表1 JNI數據類型映射

native關鍵字作用：聲明本地化方法。它告訴Java 編譯器，方法是用Java類之外的本機代碼實現的，不需要用Java代碼具體實現，但其聲明卻在Java中。

（2）加載動態庫

Writesector.java和Readsector.java中分別加載write－sector1和readsector1文件。Load關鍵字：聲明的本地方法沒有實現，但是我們在下面就直接使用了，所以必須在使用之前對它進行初始化。這里一般是以static塊進行加載的。其中“writesector1”和“readsector1”是動態庫的名字，Java通過調用這個中介Dll中的writeSector和readSector方法，間接調用真正的第三方Dll。

（3）編譯生成Writesector.class和Readsector.class文件。

（4）運用.class文件生成.h頭文件。

（5）用VC6.0編寫生成dll文件。下面以讀文件為例分析生成dll文件過程。

第1步：在VC＋＋下新建一個Win32Dynamic－Link Library類型的工程，取名readsector1，其中readsector1就是將來要生成的dll文件名，這樣命名方便java 對其直接調用。

第2步：將頭文件readsector＿Readsector.h、jni.h和jni＿md.h 添加到工程中去，其中jni.h和jni＿md.h這兩個文件可以在jdk1.6的include目錄下找到。

第3步：編寫readsector.cpp實現readSector函數。

JNIEXPORT jboolean JNICALL Java＿readsector＿Readsector＿readSector（JNIEnv＊env，jobject obj，jlong StartSector）

其中JNIEnv＊ 是一個指向函數指針表的指針，這些函數提供各種用來在C＋＋中操作Java數據的能力。jobject是指向在此Java代碼中實例化的Java 對象的一個句柄。jlong和jboolean分別對應Java 中輸入函數類型和輸出類型。

JNIEXPORT和JNICALL 都是JNI的關鍵字JNIEXPORT 表示函數的鏈接方式，當程序執行時從本地庫文件中找函數，JNICALL 表示調用約定，說明調用的是本地方法。

以下是readSector函數中的主要部分：

第4步：使用VC＋＋編譯器編譯.cpp，生成readsector1.dll文件。

3 代碼測試及結果輸出

（1）在Writesector.java中輸入測試代碼：

Writesector sample＝new Writesector（）；

boolean bool＝sample.writeSector（2149033，0xBB）；

System.out.println（"writeSector："＋bool）；

為了方便測試，在邏輯扇區號為2149033的扇區中輸入同一個數值0xbb。

在Readsector.java中輸入測試代碼：

Readsector sample＝new Readsector（）；

boolean bool＝sample.readSector（2149033）；

System.out.println（"readSector："＋bool）；

為了檢驗寫扇區的正確性，檢驗邏輯扇區號為2149033的扇區值是否正確。

（2）將readsector1.dll拷貝到Readsector.java所在的目錄下，將writesector1.dll拷貝到Writesector.java 所在的目錄下。

（3）運行Writesector.java，實現寫扇區，輸出結果如圖4所示。

圖4 讀扇區

再運行Readsector.java，讀取所寫入扇區值。輸出結果如圖5所示。

圖5 寫扇區

4 Java調用本地方法準則及缺點

4.1 Java調用本地方法的準則

Java所調用的本地方法是指包含在特定平臺下的可執行文件中，就本文示例而言，本地方法即包含在windows平臺下的動態鏈接庫DLL中。在java對本地方法的實際調用過程中，需考慮一下兩個準則：

（1）當本地代碼有多個方法時，可以將這些本地方法都封裝到單個類中，這個類只需要調用一個DLL，即可實現對本地代碼的調用。對于每種目標操作系統，只需要修改基于該平臺的本地代碼來替換DLL，這就將本地代碼的影響減小對最小，也有助于不同平臺下的一直問題。

（2）本地方法要簡單。目的要使第三方運行時對DLL依賴程度減到最小，從而使本地方法更加獨立，減小加載DLL和應用程序的開銷。

4.2 Java調用本地方法的缺點

（1）Java作為一種面向對象的編程語言，雖然具有跨平臺等優點，但JNI方法在實現java與本地代碼交互的同時也限制了java語言的一個優點：程序的可移植性。java調用本地方法時，需要本地代碼為其提供動態鏈接庫，而鏈接庫本身是與平臺相關的。

（2）JNI方法使程序的安全性降低。JVM 給Java代碼提供了完善的安全機制使得Java代碼不會導致程序崩潰、濫用數據等，一旦使用了JNI，這種安全機制就無能力了。

（3）必須確保本地代碼的穩定性，因為本地代碼運行時可能會造成錯誤指針帶來的間接錯誤，這樣本地代碼帶來的絲毫錯誤都可能導致java虛擬機的崩潰［11］。

5 結束語

本文分析了基于windows平臺下用VC＋＋實現磁盤扇區的讀寫方法之后，通過JNI技術實現了java對VC＋＋下生成的dll文件的調用，從而完成應用層對磁盤的直接訪問，實現了java對系統底層的直接操作。由于java標準的類庫無法支持與硬件的交互，這就受限了JNI方法的使用。而JNI方法在

實現java與本地代碼雙向交互的同時，使得程序本身喪失了跨平臺的優點。所以，在使用JNI方法之前，一定要審查是否有更好的方法結合到java中。本文是在windows平臺實現了對系統底層的一些操作，如果想要跨平臺實現，這就要求在不同的操作系統下重新編譯本地代碼，通過使用JNI技術可以實現更為廣泛的應用層與底層之間的交互，有待進一步研究。

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