張美玲，張 剛

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引 言

Java是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，它雖然具有語(yǔ)法簡(jiǎn)單，面向?qū)ο?，穩(wěn)定，可移植性高等優(yōu)點(diǎn)，但Java［1］以其跨平臺(tái)的目的，使得它不能像其它語(yǔ)言（如C和匯編）那樣更接近操作系統(tǒng)，和本地機(jī)器的各種內(nèi)部聯(lián)系變得很少，也就不能和操作系統(tǒng)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(shù)，通過(guò)Java對(duì)本地方法的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)磁盤(pán)的直接操作。JNI的提出主要有以下幾個(gè)原因［2－3］：第一，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的java的類庫(kù)不支持程序所需特性時(shí)，可以用其它語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的接口。第二，需要用底層語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的時(shí)間敏感代碼時(shí)，考慮到j(luò)ava運(yùn)行速度要比C／C＋＋慢，需要引入JNI。第三，已經(jīng)有了一個(gè)用其他語(yǔ)言寫(xiě)成的庫(kù)或程序時(shí)，可以用java直接來(lái)調(diào)用，減少工作量。本文是基于java的類庫(kù)不支持程序所需特性的原因，用C＋＋編寫(xiě)讀寫(xiě)扇區(qū)本地代碼并生成DLL［4］（WINDOWS平臺(tái)下是.DLL 文件，Linux平臺(tái)下是.SO 文件）文件。雖然在DOS環(huán)境下，通過(guò)中斷或IO［5］可以直接對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行操縱，因?yàn)锽IOS和DOS系統(tǒng)為磁盤(pán)操作提供了INT13H 中斷，通過(guò)INT13H的讀寫(xiě)功能可以實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)的直接讀寫(xiě)。但在Windows環(huán)境下，Win32系統(tǒng)禁止應(yīng)用程序?qū)τ脖P(pán)直接操縱，禁止使用BIOS 中斷。所以，Windows操作系統(tǒng)下，在應(yīng)用層直接讀取硬盤(pán)扇區(qū)變的困難。但并不意味著在windows環(huán)境下無(wú)法訪問(wèn)硬盤(pán)。它在采取了“實(shí)保護(hù)”的同時(shí)，也提供了一些API函數(shù)，本文通過(guò)ReadFile（）和WriteFile（）函數(shù)，以扇區(qū)存取的方式在本地代碼中實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)扇區(qū)，最后通過(guò)JNI方法實(shí)現(xiàn)了java對(duì)磁盤(pán)扇區(qū)的讀寫(xiě)操作。

1 JNI技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)流程

1.1 JNI技術(shù)原理

目前java與dll交互的技術(shù)主要有3種：jni，jawin和jacob。JNI是sun公司提供的java與系統(tǒng)中的原生方法交互的技術(shù)（在windows＼linux 系統(tǒng)中，本文是基于windows平臺(tái)），它是JDK的一部分，提供了java與本地非java語(yǔ)言代碼的接口，通過(guò)使用JNI編寫(xiě)的程序才能夠確保代碼移植到所有的平臺(tái)。該平臺(tái)相關(guān)代碼是通過(guò)JNI函數(shù)來(lái)訪問(wèn)Java虛擬機(jī)功能的，而JNI函數(shù)需要通過(guò)第一個(gè)接口指針JINEnv＊［6］獲取。接口指針是指針的指針，它先指向一個(gè)JNI函數(shù)指針數(shù)組，而指針數(shù)組中每個(gè)元素又指向JNI接口函數(shù)。需要注意的是，本地方法將JNI接口指針當(dāng)做參數(shù)來(lái)傳遞，所以在一個(gè)線程中對(duì)本地方法的多次調(diào)用，需要保證接口指針是相同的。但是，如果一個(gè)方法被不同的線程調(diào)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(shí)現(xiàn)步驟

JNI實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)是要通過(guò)編寫(xiě)頭文件及本地程序，結(jié)合C／C＋＋文件生成動(dòng)態(tài)庫(kù)文件，最后加載到j(luò)ava程序運(yùn)行成功。具體實(shí)現(xiàn)步驟［7］如圖2所示。

圖2 JNI實(shí)現(xiàn)步驟

下面結(jié)合實(shí)例具體分析JNI調(diào)用過(guò)程。

2 應(yīng)用實(shí)例

該實(shí)例結(jié)合結(jié)合java對(duì)dll文件調(diào)用方法，在VC＋＋中編寫(xiě)本地代碼，并編譯生成.dll文件，通過(guò)并java 對(duì).dll文件調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了java對(duì)磁盤(pán)扇區(qū)的直接讀寫(xiě)。以下是VC＋＋中實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)扇區(qū)基本原理以及java實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)扇區(qū)的基本步驟。

2.1 VC＋＋讀寫(xiě)扇區(qū)實(shí)現(xiàn)原理［8］

首先，使用CreateFile函數(shù)打開(kāi)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)，指定所要操作磁盤(pán)并設(shè)置讀或?qū)懖僮鳎摵瘮?shù)參數(shù)設(shè)置如下：

打開(kāi)的文件名參數(shù)設(shè)置：對(duì)于讀寫(xiě)扇區(qū)，如果訪問(wèn)的是具體某個(gè)邏輯分區(qū)，則文件名格式為“＼＼.＼X”，如果訪問(wèn)的是第一個(gè)邏輯硬盤(pán)，則文件名格式為“＼＼.＼PHYSICALDRIVE0”；文件的操作屬性設(shè)置：允許讀設(shè)備操作設(shè)置為GENERIC＿READ，允許寫(xiě)設(shè)備操作設(shè)置為GENERIC＿WRITE；文件共享屬性設(shè)置：FILE＿SHARE＿READ和FILE＿SHARE＿WRITE分別表示允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀共享訪問(wèn)和寫(xiě)共享訪問(wèn)；文件操作設(shè)置為OPEN＿EXISTING，對(duì)于該設(shè)置文件必須已經(jīng)存在，由設(shè)備提出要求，若該文件不存在，則函數(shù)調(diào)用失敗。

其次，因?yàn)樗x的是磁盤(pán)中某個(gè)扇區(qū)，而打開(kāi)的是整個(gè)磁盤(pán)，所以要通過(guò)SetFilePointer函數(shù)設(shè)置文件指針到磁盤(pán)中所要操作的某個(gè)扇區(qū)位置，CreateFile函數(shù)參數(shù)設(shè)置如下：

其中文件句柄是CreateFile函數(shù)所返回的句柄，如果該句柄值表示磁盤(pán)打開(kāi)成功，則通過(guò)設(shè)置字節(jié)偏移量將指針指定到所要操作扇區(qū)，對(duì)于讀寫(xiě)扇區(qū)操作，將字節(jié)偏移量設(shè)置為指針移動(dòng)的字節(jié)數(shù)；文件定位設(shè)置為FILE＿BEGIN，即從文件開(kāi)始為參考位置進(jìn)行讀寫(xiě)。

接著，就可以利用ReadFile和WriteFile從指定位置讀寫(xiě)扇區(qū)，該函數(shù)由五個(gè)參數(shù)組成，參數(shù)設(shè)置如下：

第一個(gè)參數(shù)為文件句柄，同上。第二個(gè)參數(shù)為緩沖區(qū)，表示用于保存讀／寫(xiě)入數(shù)據(jù)的一個(gè)緩沖區(qū)。第三個(gè)參數(shù)為要讀或?qū)懭氲淖址麛?shù)，此處設(shè)置為從文件中讀或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。第四個(gè)參數(shù)為從文件中實(shí)際讀或?qū)懭氲淖止?jié)數(shù)的指針。第五個(gè)參數(shù)設(shè)為NULL。

最后，完成訪問(wèn)操作后，如果讀或?qū)懮葏^(qū)失敗，顯示錯(cuò)誤信息；如果讀或?qū)懮葏^(qū)成功，則用CloseHandle（）函數(shù)關(guān)閉文件句柄，從而完成一次完整的磁盤(pán)扇區(qū)讀寫(xiě)操作訪問(wèn)，具體操作流程如圖3所示。

圖3 流程

2.2 具體實(shí)現(xiàn)步驟

以上是在VC＋＋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)扇區(qū)的方法，而要想在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)底層磁盤(pán)的操作，需要通過(guò)java來(lái)對(duì)本地方法進(jìn)行調(diào)用，下面以磁盤(pán)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)為例，先在磁盤(pán)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，再通過(guò)讀扇區(qū)的方式讀取磁盤(pán)信息，分析了dll文件的生成以及java對(duì)其的調(diào)用過(guò)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(shù)StartSector，類型為long，表示所讀或?qū)懮葏^(qū)號(hào)，這里是邏輯扇區(qū)號(hào)，此參數(shù)用來(lái)在設(shè)置文件指針位置時(shí)指定到所要讀或?qū)懙纳葏^(qū)。data表示寫(xiě)入扇區(qū)中數(shù)據(jù)。返回參數(shù)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(shù)最關(guān)鍵部分就是參數(shù)的傳遞，即將本地代碼中的參數(shù)轉(zhuǎn)換為java可調(diào)用的參數(shù)類型，JNI數(shù)據(jù)類型映射見(jiàn)表1。

表1 JNI數(shù)據(jù)類型映射

native關(guān)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(jī)代碼實(shí)現(xiàn)的，不需要用Java代碼具體實(shí)現(xiàn)，但其聲明卻在Java中。

（2）加載動(dòng)態(tài)庫(kù)

Writesector.java和Readsector.java中分別加載write－sector1和readsector1文件。Load關(guān)鍵字：聲明的本地方法沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但是我們?cè)谙旅婢椭苯邮褂昧?，所以必須在使用之前?duì)它進(jìn)行初始化。這里一般是以static塊進(jìn)行加載的。其中“writesector1”和“readsector1”是動(dòng)態(tài)庫(kù)的名字，Java通過(guò)調(diào)用這個(gè)中介Dll中的writeSector和readSector方法，間接調(diào)用真正的第三方Dll。

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

（4）運(yùn)用.class文件生成.h頭文件。

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

第1步：在VC＋＋下新建一個(gè)Win32Dynamic－Link Library類型的工程，取名readsector1，其中readsector1就是將來(lái)要生成的dll文件名，這樣命名方便java 對(duì)其直接調(diào)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(gè)文件可以在jdk1.6的include目錄下找到。

第3步：編寫(xiě)readsector.cpp實(shí)現(xiàn)readSector函數(shù)。

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

其中JNIEnv＊ 是一個(gè)指向函數(shù)指針表的指針，這些函數(shù)提供各種用來(lái)在C＋＋中操作Java數(shù)據(jù)的能力。jobject是指向在此Java代碼中實(shí)例化的Java 對(duì)象的一個(gè)句柄。jlong和jboolean分別對(duì)應(yīng)Java 中輸入函數(shù)類型和輸出類型。

JNIEXPORT和JNICALL 都是JNI的關(guān)鍵字JNIEXPORT 表示函數(shù)的鏈接方式，當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)從本地庫(kù)文件中找函數(shù)，JNICALL 表示調(diào)用約定，說(shuō)明調(diào)用的是本地方法。

以下是readSector函數(shù)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(cè)試及結(jié)果輸出

（1）在Writesector.java中輸入測(cè)試代碼：

Writesector sample＝new Writesector（）；

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

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

為了方便測(cè)試，在邏輯扇區(qū)號(hào)為2149033的扇區(qū)中輸入同一個(gè)數(shù)值0xbb。

在Readsector.java中輸入測(cè)試代碼：

Readsector sample＝new Readsector（）；

boolean bool＝sample.readSector（2149033）；

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

為了檢驗(yàn)寫(xiě)扇區(qū)的正確性，檢驗(yàn)邏輯扇區(qū)號(hào)為2149033的扇區(qū)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(yùn)行Writesector.java，實(shí)現(xiàn)寫(xiě)扇區(qū)，輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 讀扇區(qū)

再運(yùn)行Readsector.java，讀取所寫(xiě)入扇區(qū)值。輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 寫(xiě)扇區(qū)

4 Java調(diào)用本地方法準(zhǔn)則及缺點(diǎn)

4.1 Java調(diào)用本地方法的準(zhǔn)則

Java所調(diào)用的本地方法是指包含在特定平臺(tái)下的可執(zhí)行文件中，就本文示例而言，本地方法即包含在windows平臺(tái)下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL中。在java對(duì)本地方法的實(shí)際調(diào)用過(guò)程中，需考慮一下兩個(gè)準(zhǔn)則：

（1）當(dāng)本地代碼有多個(gè)方法時(shí)，可以將這些本地方法都封裝到單個(gè)類中，這個(gè)類只需要調(diào)用一個(gè)DLL，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)本地代碼的調(diào)用。對(duì)于每種目標(biāo)操作系統(tǒng)，只需要修改基于該平臺(tái)的本地代碼來(lái)替換DLL，這就將本地代碼的影響減小對(duì)最小，也有助于不同平臺(tái)下的一直問(wèn)題。

（2）本地方法要簡(jiǎn)單。目的要使第三方運(yùn)行時(shí)對(duì)DLL依賴程度減到最小，從而使本地方法更加獨(dú)立，減小加載DLL和應(yīng)用程序的開(kāi)銷。

4.2 Java調(diào)用本地方法的缺點(diǎn)

（1）Java作為一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，雖然具有跨平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)，但JNI方法在實(shí)現(xiàn)java與本地代碼交互的同時(shí)也限制了java語(yǔ)言的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：程序的可移植性。java調(diào)用本地方法時(shí)，需要本地代碼為其提供動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，而鏈接庫(kù)本身是與平臺(tái)相關(guān)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(jī)制使得Java代碼不會(huì)導(dǎo)致程序崩潰、濫用數(shù)據(jù)等，一旦使用了JNI，這種安全機(jī)制就無(wú)能力了。

（3）必須確保本地代碼的穩(wěn)定性，因?yàn)楸镜卮a運(yùn)行時(shí)可能會(huì)造成錯(cuò)誤指針帶來(lái)的間接錯(cuò)誤，這樣本地代碼帶來(lái)的絲毫錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致java虛擬機(jī)的崩潰［11］。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于windows平臺(tái)下用VC＋＋實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)扇區(qū)的讀寫(xiě)方法之后，通過(guò)JNI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了java對(duì)VC＋＋下生成的dll文件的調(diào)用，從而完成應(yīng)用層對(duì)磁盤(pán)的直接訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了java對(duì)系統(tǒng)底層的直接操作。由于java標(biāo)準(zhǔn)的類庫(kù)無(wú)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(shí)現(xiàn)java與本地代碼雙向交互的同時(shí)，使得程序本身喪失了跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。所以，在使用JNI方法之前，一定要審查是否有更好的方法結(jié)合到j(luò)ava中。本文是在windows平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)底層的一些操作，如果想要跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，這就要求在不同的操作系統(tǒng)下重新編譯本地代碼，通過(guò)使用JNI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更為廣泛的應(yīng)用層與底層之間的交互，有待進(jìn)一步研究。

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