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如何解决JNA中的回调问题?

简介什么是callback呢?简单点说callback就是回调通知,当我们需要在某个方法完成之后,或者某个事件触发之后,来通知进行某些特定的任务就需要用到callback了。最有可能看到callback的语言就是javascript了,基本上在javascript中,callback无处不在。为了解决callback导致的回调地狱的问题,ES6中特意引入了promise来解决这个问题。为了方便和native方法进行交互,JNA中同样提供了Callback用来进行回调。JNA中回调的本质是一个指向nativ

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      简介

      什么是callback呢?简单点说callback就是回调通知,当我们需要在某个方法完成之后,或者某个事件触发之后,来通知进行某些特定的任务就需要用到callback了。

      最有可能看到callback的语言就是javascript了,基本上在javascript中,callback无处不在。为了解决callback导致的回调地狱的问题,ES6中特意引入了promise来解决这个问题。

      为了方便和native方法进行交互,JNA中同样提供了Callback用来进行回调。JNA中回调的本质是一个指向native函数的指针,通过这个指针可以调用native函数中的方法,一起来看看吧。

      JNA中的Callback

      先看下JNA中Callback的定义:

      public interface Callback {
          interface UncaughtExceptionHandler {
              void uncaughtException(Callback c, Throwable e);
          }
          String METHOD_NAME = "callback";
      
          List FORBIDDEN_NAMES = Collections.unmodifiableList(
                  Arrays.asList("hashCode", "equals", "toString"));
      }

      所有的Callback方法都需要实现这个Callback接口。Callback接口很简单,里面定义了一个interface和两个属性。

      先来看这个interface,interface名字叫做UncaughtExceptionHandler,里面有一个uncaughtException方法。这个interface主要用于处理JAVA的callback代码中没有捕获的异常。

      注意,在uncaughtException方法中,不能抛出异常,任何从这个方法抛出的异常都会被忽略。

      METHOD_NAME这个字段指定了Callback要调用的方法。

      如果Callback类中只定义了一个public的方法,那么默认callback方法就是这个方法。如果Callback类中定义了多个public方法,那么会选择METHOD_NAME = "callback"的这个方法作为callback。

      最后一个属性就是FORBIDDEN_NAMES。表示在这个列表里面的名字是不能作为callback方法使用的。

      目前看来是有三个方法名不能够被使用,分别是:“hashCode”, “equals”, “toString”。

      Callback还有一个同胞兄弟叫做DLLCallback,我们来看下DLLCallback的定义:

      public interface DLLCallback extends Callback {
          @java.lang.annotation.Native
          int DLL_FPTRS = 16;
      }

      DLLCallback主要是用在Windows API的访问中。

      对于callback对象来说,需要我们自行负责对callback对象的释放工作。如果native代码尝试访问一个被回收的callback,那么有可能会导致VM崩溃。

      callback的应用

      callback的定义

      因为JNA中的callback实际上映射的是native中指向函数的指针。首先看一下在struct中定义的函数指针:

      struct _functions {
        int (*open)(const char*,int);
        int (*close)(int);
      };

      在这个结构体中,定义了两个函数指针,分别带两个参数和一个参数。

      对应的JNA的callback定义如下:

      public class Functions extends Structure {
        public static interface OpenFunc extends Callback {
          int invoke(String name, int options);
        }
        public static interface CloseFunc extends Callback {
          int invoke(int fd);
        }
        public OpenFunc open;
        public CloseFunc close;
      }

      我们在Structure里面定义两个接口继承自Callback,对应的接口中定义了相应的invoke方法。

      然后看一下具体的调用方式:

      Functions funcs = new Functions();
      lib.init(funcs);
      int fd = funcs.open.invoke("myfile", 0);
      funcs.close.invoke(fd);

      另外Callback还可以作为函数的返回值,如下所示:

      typedef void (*sig_t)(int);
      sig_t signal(int signal, sig_t sigfunc);

      对于这种单独存在的函数指针,我们需要自定义一个Library,并在其中定义对应的Callback,如下所示:

      public interface CLibrary extends Library {
          public interface SignalFunction extends Callback {
              void invoke(int signal);
          }
          SignalFunction signal(int signal, SignalFunction func);
      }

      callback的获取和应用

      如果callback是定义在Structure中的,那么可以在Structure进行初始化的时候自动实例化,然后只需要从Structure中访问对应的属性即可。

      如果callback定义是在一个普通的Library中的话,如下所示:

      public static interface TestLibrary extends Library {
              interface VoidCallback extends Callback {
                  void callback();
              }
              interface ByteCallback extends Callback {
                  byte callback(byte arg, byte arg2);
              }
              void callVoidCallback(VoidCallback c);
              byte callInt8Callback(ByteCallback c, byte arg, byte arg2);
          }

      上例中,我们在一个Library中定义了两个callback,一个是无返回值的callback,一个是返回byte的callback。

      JNA提供了一个简单的工具类来帮助我们获取Callback,这个工具类就是CallbackReference,对应的方法是CallbackReference.getCallback,如下所示:

      Pointer p = new Pointer("MultiplyMappedCallback".hashCode());
      Callback cbV1 = CallbackReference.getCallback(TestLibrary.VoidCallback.class, p);
      Callback cbB1 = CallbackReference.getCallback(TestLibrary.ByteCallback.class, p);
      log.info("cbV1:{}",cbV1);
      log.info("cbB1:{}",cbB1);

      输出结果如下:

      INFO com.flydean.CallbackUsage - cbV1:Proxy interface to native function@0xffffffffc46eeefc (com.flydean.CallbackUsage$TestLibrary$VoidCallback)
      INFO com.flydean.CallbackUsage - cbB1:Proxy interface to native function@0xffffffffc46eeefc (com.flydean.CallbackUsage$TestLibrary$ByteCallback)

      可以看出,这两个Callback实际上是对native方法的代理。如果详细看getCallback的实现逻辑:

      private static Callback getCallback(Class type, Pointer p, boolean direct) {
              if (p == null) {
                  return null;
              }
              if (!type.isInterface())
                  throw new IllegalArgumentException("Callback type must be an interface");
              Map map = direct ? directCallbackMap : callbackMap;
              synchronized(pointerCallbackMap) {
                  Reference[] array = pointerCallbackMap.get(p);
                  Callback cb = getTypeAssignableCallback(type, array);
                  if (cb != null) {
                      return cb;
                  }
                  cb = createCallback(type, p);
                  pointerCallbackMap.put(p, addCallbackToArray(cb,array));
                  // No CallbackReference for this callback
                  map.remove(cb);
                  return cb;
              }
          }

      可以看到它的实现逻辑是首先判断type是否是interface,如果不是interface则会报错。然后判断是否是direct mapping。实际上当前JNA的实现都是interface mapping,所以接下来的逻辑就是从pointerCallbackMap中获取函数指针对应的callback。然后按照传入的类型来查找具体的Callback。

      如果没有查找到,则创建一个新的callback,最后将这个新创建的存入pointerCallbackMap中。

      大家要注意, 这里有一个关键的参数叫做Pointer,实际使用的时候,需要传入指向真实naitve函数的指针。上面的例子中,为了简便起见,我们是自定义了一个Pointer,这个Pointer并没有太大的实际意义。

      如果真的要想在JNA中调用在TestLibrary中创建的两个call方法:callVoidCallback和callInt8Callback,首先需要加载对应的Library:

      TestLibrary lib = Native.load("testlib", TestLibrary.class);

      然后分别创建TestLibrary.VoidCallback和TestLibrary.ByteCallback的实例如下,首先看一下VoidCallback:

      final boolean[] voidCalled = { false };
              TestLibrary.VoidCallback cb1 = new TestLibrary.VoidCallback() {
                  @Override
                  public void callback() {
                      voidCalled[0] = true;
                  }
              };
              lib.callVoidCallback(cb1);
              assertTrue("Callback not called", voidCalled[0]);

      这里我们在callback中将voidCalled的值回写为true表示已经调用了callback方法。

      再看看带返回值的ByteCallback:

      final boolean[] int8Called = {false};
              final byte[] cbArgs = { 0, 0 };
              TestLibrary.ByteCallback cb2 = new TestLibrary.ByteCallback() {
                  @Override
                  public byte callback(byte arg, byte arg2) {
                      int8Called[0] = true;
                      cbArgs[0] = arg;
                      cbArgs[1] = arg2;
                      return (byte)(arg + arg2);
                  }
              };
      
      final byte MAGIC = 0x11;
      byte value = lib.callInt8Callback(cb2, MAGIC, (byte)(MAGIC*2));

      我们直接在callback方法中返回要返回的byte值即可。

      在多线程环境中使用callback

      默认情况下, callback方法是在当前的线程中执行的。如果希望callback方法是在另外的线程中执行,则可以创建一个CallbackThreadInitializer,指定daemon,detach,name,和threadGroup属性:

       final String tname = "VoidCallbackThreaded";
              ThreadGroup testGroup = new ThreadGroup("Thread group for callVoidCallbackThreaded");
              CallbackThreadInitializer init = new CallbackThreadInitializer(true, false, tname, testGroup);

      然后创建callback的实例:

      TestLibrary.VoidCallback cb = new TestLibrary.VoidCallback() {
                  @Override
                  public void callback() {
                      Thread thread = Thread.currentThread();
                      daemon[0] = thread.isDaemon();
                      name[0] = thread.getName();
                      group[0] = thread.getThreadGroup();
                      t[0] = thread;
                      if (thread.isAlive()) {
                          alive[0] = true;
                      }
                      ++called[0];
                      if (THREAD_DETACH_BUG && called[0] == 2) {
                          Native.detach(true);
                      }
                  }
              };

      然后调用:

      Native.setCallbackThreadInitializer(cb, init);

      将callback和CallbackThreadInitializer进行关联。

      最后调用callback方法即可:

      lib.callVoidCallbackThreaded(cb, 2, 2000, "callVoidCallbackThreaded", 0);
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