基于JNA框架实现JAVA与读写器通信的研究

广州轻工职业学校 刘魁元

广州市机电高级技工学校 余楷鑫

一、目前JAVA与硬件设备通信的现状及存在问题

JAVA跨平台的特性深受JAVA程序员的喜爱，这是JAVA的优越性，但是正是为了实现跨平台的目的，JAVA和本地系统的各种内在联系变得很少，这大大约束了它的功能，比如与一些硬件设备的通信，往往要花很大的精力去编写动态函数库来管理设备端口，JDK从1.1版本开始提供了解决这个问题的技术标准：JNI标准；和许多解释执行的语言一样，JAVA提供了调用原生函数的机制，以加强JAVA平台的能力，JavaTMNative Interface（JNI)就是JAVA调用原生函数的机制。

事实上，很多JAVA核心代码内部就是使用JNI实现的，这些JAVA功能实际上是通过原生函数提供的。但是，使用JNI对于JAVA开发者来说简直是一场恶梦；如果你已经有了原生代码，使用JNI，你必须用C语言重新编写一个动态库，这个动态库的唯一功能就是使用JAVA能理解的C代码来调用目标原生函数。一般情况下，设备厂商提供的硬件接口都已经经过一定的封装和处理，不能直接使用JAVA程序通过端口和设备进行通信，JAVA若想与设备进行通信，就必须使用JNI的方式重新编写动态函数库来调用硬件设备，而这种方法的繁冗程度也可想而知，开发效率也不高，因此，人们一直都视JNI为禁地，轻易不愿涉足。

二、解决JAVA与硬件设备通信的新方法

1.什么是JNA框架

JNA（Java Native Access）是一个开源的JAVA框架，由SUN公司主导开发的，建立在经典的JNI基础之上的一个框架，它提供一组JAVA工具类用于在运行期动态访问系统本地库（native library：如Window的dll）而不需要编写任何Native/JNI代码。开发人员只要在一个JAVA接口中描述目标native library的函数与结构，JNA将自动实现JAVA接口到native function的映射。[1]JNA的项目地址：https：//jna.dev.java.net/，JNA使JAVA调用原生函数就像.NET上的P／Invoke一样方便快捷，极大的提高程序员编写代码的效率。JNA使JAVA平台可以方便的调用原生函数，这大大扩展了JAVA平台的整合能力，简化了开发难度，又增强了JAVA与硬件设备通信的功能。

2.JNA框架的工作原理

JNA是建立在JNI技术基础之上的一个JAVA类库，它使编程人员可以方便地使用JAVA直接访问动态链接库中的函数，从而实现对.dll/.so文件的访问。原来使用JNI，你必须手工用C写一个动态链接库，在C语言中映射JAVA的数据类型，而编写动态链接库的唯一用途就是使用JAVA能够理解的C代码来调用目标原生函数。同时编写JAVA和C代码的过程使开发的难度大大增加，而这个没其他用途的动态链接库的编写过程显得相当枯燥。JNI调用设备方法如图1所示。

JNA中，它提供了一个动态的C语言编写的转发器，可以自动实现JAVA和C的数据类型映射。作为程序员，不再需要编写C动态链接库，极大地简化了JAVA调用原生函数的过程。当然，这也意味着，使用JNA技术比使用JNI技术调用动态链接库会对性能略有影响，如可能在速度上会降低几倍，但影响并不大。从总体上来看，使用JNA是利远远大于弊的。JNA打破了JAVA和原生代码原本泾渭分明的界限，充分发挥各自擅长领域的分工合作，提高程序员开发的效率。从某种意义上讲，JNA从JNI中来，但却青出于蓝而胜于蓝，逐渐获得了广大开发人员的喜爱。其调用设备方法如图2所示。

表1 JAVA与C语言数据结构的对应关系

图1 JNI调用设备方法

图2 JNA调用设备方法

3.JNA框架需要注意的细节及技术难点

（1)当前路径是在项目下，而不是bin输出目录下。JNA在搜索dll路径的时候首先是从项目的根路径开始查找，然后再搜索当前操作系统的全局路径，其次搜索path指定的路径。

（2)JNA所使用的数据类型属于JAVA的数据类型，而原生函数中的数据类型是由使用的编程语言决定的，有可能是C、Delphi等语言的数据类型。JAVA与C语言数据结构的对应关系如表1所示。

4.JNA编程过程

Dll是C函数的集合、容器，这正和接口的概念吻合。JNA把一个dll/.so文件看做是一个JAVA接口，JNA通过调用接口来实现与第三方dll的通信。下面我们将以一个例子来说明如何调用dll中的函数。

（1）首先我们定义这样一个接口

（2）分析过程如下所示

如果dll是以stdcall方式输出函数，那么就继承StdCallLibrary。否则就继承默认的Library接口。接口内部需要一个公共静态常量：sdtapi。

通过这个常量，就可以获得这个接口的实例，从而使用接口的方法。也就是调用外部dll的函数！注意：1) Native.loadLibrary（)函数有2个参数：第一个参数是dll或者.so文件的名字，但不带后缀名。这符合JNI的规范，因为带了后缀名就不可以跨操作系统平台了。第二个参数是本接口的Class类型。JNA通过这个Class类型，根据指定的dll/.so文件，动态创建接口的实例。2)接口中你只需要定义你需要的函数或者公共变量，不需要的可以不定义。

boolean USB_DevInit（int port);

参数和返回值的类型，应该和dll中的C函数的类型一致。这是JNA，甚至所有跨平台调用的难点。这里，C语言的函数参数是：int port；JNA中对应的JAVA类型也是int，所以我们在做跨平台的时候，在数据类型上的选择应该尽量做到简单，这有利于跨平台的实现。

5.JNA的不足与补充

我们已经见识了JNA的强大。但是，有些需求还是必须求助于JNI。JNA是建立在JNI技术基础之上的一个框架。使用JNI技术，不仅可以实现JAVA访问C函数，也可以实现C语言调用JAVA代码。而JNA只能实现JAVA访问C函数，作为一个JAVA框架，自然不能实现C语言调用JAVA代码。此时，你还是需要使用JNI技术。JNI是JNA的基础，是JAVA和C互操作的技术基础。

三、如何利用JNA框架实现与读写器的通信

目前市场上的大多硬件厂商提供的开发包是原生函数，比如读写设备就是这个情况，一般设备厂商会提供两种类型的类库文件，windows系统的会包含.dll/.h/.lib文件，而linux会包含.so/.a文件，这里只讨论windows系统下的c/c++编译的dll文件调用方法。

现在来讨论这样一个问题，我们现要为JAVA项目添加IC卡读写器功能，设备厂商提供了一个fkc60.dll动态库，下面以其中的二个函数为例：

1.打开串口函数

1)bool USB_DevInit（int port)；

2)用途及说明：调用其它函数前先打开串口，成功返回true，失败返回false；

3)参数：port表示串行口，1为端口1，2为端口2，以此类推。

2.控制读写器发声函数

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

2)用途及说明：控制读写器发声；成功返回true，失败返回false；

3)参数：port表示串口号，1为端口1，2为端口2，以此类推，ptype表示发声类型0发短声，1发长声。

首先，你需要下载一个jna.jar包，就可以方便地调用动态链接库中的C函数了，在JAVA项目中引入jna.jar包，本例是把fkc60放在项目的lib目录下引入的。

最后执行可以看到控制台中打印串行口打开成功信息，并听到读写器发出了短声。

四、结束语

JNA技术相对于JNI技术确实提高了开发的效率，并且扩展了JAVA的功能，但它仍存在着一个缺陷，即破坏了JAVA程序的最重要优点：平台无关性，所以除非必须（不得不）使用JNA技术，一般还是提倡写100%纯JAVA程序，根据自己的经验和查阅的一些资料，把可以使用JNA的情况罗列如下：

1.需要直接操作物理设备，而没有相关的驱动程序；

2.用JAVA会产生系统难以支付的开销，如需要大量网络链接的场合；

3.存在大量可重用的C/C++代码，通过JNA可以减少开发工作量，避免重复开发。

[1]沈东良.深入浅出JNA—快速调用原生函数[J].程序员,2009,3.

[2]匿名.JNA—JNI终结者.