Java调用DLL实现读写磁盘扇区

张美玲，张 刚

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

0 引 言

Java是一种面向对象的编程语言，它虽然具有语法简单，面向对象，稳定，可移植性高等优点，但Java［1］以其跨平台的目的，使得它不能像其它语言（如C和汇编）那样更接近操作系统，和本地机器的各种内部联系变得很少，也就不能和操作系统的底层打交道了。为了解决Java与底层的交互，本文引入JNI技术，通过Java对本地方法的调用，实现应用层对磁盘的直接操作。JNI的提出主要有以下几个原因［2－3］：第一，当标准的java的类库不支持程序所需特性时，可以用其它语言实现的接口。第二，需要用底层语言实现一个小型的时间敏感代码时，考虑到java运行速度要比C／C＋＋慢，需要引入JNI。第三，已经有了一个用其他语言写成的库或程序时，可以用java直接来调用，减少工作量。本文是基于java的类库不支持程序所需特性的原因，用C＋＋编写读写扇区本地代码并生成DLL［4］（WINDOWS平台下是.DLL 文件，Linux平台下是.SO 文件）文件。虽然在DOS环境下，通过中断或IO［5］可以直接对硬盘进行操纵，因为BIOS和DOS系统为磁盘操作提供了INT13H 中断，通过INT13H的读写功能可以实现磁盘的直接读写。但在Windows环境下，Win32系统禁止应用程序对硬盘直接操纵，禁止使用BIOS 中断。所以，Windows操作系统下，在应用层直接读取硬盘扇区变的困难。但并不意味着在windows环境下无法访问硬盘。它在采取了“实保护”的同时，也提供了一些API函数，本文通过ReadFile（）和WriteFile（）函数，以扇区存取的方式在本地代码中实现读写扇区，最后通过JNI方法实现了java对磁盘扇区的读写操作。

1 JNI技术原理及实现流程

1.1 JNI技术原理

目前java与dll交互的技术主要有3种：jni，jawin和jacob。JNI是sun公司提供的java与系统中的原生方法交互的技术（在windows＼linux 系统中，本文是基于windows平台），它是JDK的一部分，提供了java与本地非java语言代码的接口，通过使用JNI编写的程序才能够确保代码移植到所有的平台。该平台相关代码是通过JNI函数来访问Java虚拟机功能的，而JNI函数需要通过第一个接口指针JINEnv＊［6］获取。接口指针是指针的指针，它先指向一个JNI函数指针数组，而指针数组中每个元素又指向JNI接口函数。需要注意的是，本地方法将JNI接口指针当做参数来传递，所以在一个线程中对本地方法的多次调用，需要保证接口指针是相同的。但是，如果一个方法被不同的线程调用，需要不同的JNI接口指针。以下是JNI原理图，如图1所示。

图1 JNI原理

1.2 实现步骤

JNI实现的最终目标是要通过编写头文件及本地程序，结合C／C＋＋文件生成动态库文件，最后加载到java程序运行成功。具体实现步骤［7］如图2所示。

图2 JNI实现步骤

下面结合实例具体分析JNI调用过程。

2 应用实例

该实例结合结合java对dll文件调用方法，在VC＋＋中编写本地代码，并编译生成.dll文件，通过并java 对.dll文件调用，实现了java对磁盘扇区的直接读写。以下是VC＋＋中实现读写扇区基本原理以及java实现读写扇区的基本步骤。

2.1 VC＋＋读写扇区实现原理［8］

首先，使用CreateFile函数打开磁盘驱动，指定所要操作磁盘并设置读或写操作，该函数参数设置如下：

打开的文件名参数设置：对于读写扇区，如果访问的是具体某个逻辑分区，则文件名格式为“＼＼.＼X”，如果访问的是第一个逻辑硬盘，则文件名格式为“＼＼.＼PHYSICALDRIVE0”；文件的操作属性设置：允许读设备操作设置为GENERIC＿READ，允许写设备操作设置为GENERIC＿WRITE；文件共享属性设置：FILE＿SHARE＿READ和FILE＿SHARE＿WRITE分别表示允许对设备进行读共享访问和写共享访问；文件操作设置为OPEN＿EXISTING，对于该设置文件必须已经存在，由设备提出要求，若该文件不存在，则函数调用失败。

其次，因为所要读的是磁盘中某个扇区，而打开的是整个磁盘，所以要通过SetFilePointer函数设置文件指针到磁盘中所要操作的某个扇区位置，CreateFile函数参数设置如下：

其中文件句柄是CreateFile函数所返回的句柄，如果该句柄值表示磁盘打开成功，则通过设置字节偏移量将指针指定到所要操作扇区，对于读写扇区操作，将字节偏移量设置为指针移动的字节数；文件定位设置为FILE＿BEGIN，即从文件开始为参考位置进行读写。

接着，就可以利用ReadFile和WriteFile从指定位置读写扇区，该函数由五个参数组成，参数设置如下：

第一个参数为文件句柄，同上。第二个参数为缓冲区，表示用于保存读／写入数据的一个缓冲区。第三个参数为要读或写入的字符数，此处设置为从文件中读或写入的数据字节数。第四个参数为从文件中实际读或写入的字节数的指针。第五个参数设为NULL。

最后，完成访问操作后，如果读或写扇区失败，显示错误信息；如果读或写扇区成功，则用CloseHandle（）函数关闭文件句柄，从而完成一次完整的磁盘扇区读写操作访问，具体操作流程如图3所示。

图3 流程

2.2 具体实现步骤

以上是在VC＋＋环境下实现读写扇区的方法，而要想在应用层实现底层磁盘的操作，需要通过java来对本地方法进行调用，下面以磁盘数据读写为例，先在磁盘中写入数据，再通过读扇区的方式读取磁盘信息，分析了dll文件的生成以及java对其的调用过程，具体流程如下［9－10］

（1）建立Java工程writesector和readsector，分别在Writesector.java和Readsector.java中声明本地方法。

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

public native boolean readSector（long StartSector）；

定义了方法writeSector和readSector，参数StartSector，类型为long，表示所读或写扇区号，这里是逻辑扇区号，此参数用来在设置文件指针位置时指定到所要读或写的扇区。data表示写入扇区中数据。返回参数类型均为布尔类型。由于Java和C的编码方式不同，所以JNI技术最关键部分就是参数的传递，即将本地代码中的参数转换为java可调用的参数类型，JNI数据类型映射见表1。

表1 JNI数据类型映射

native关键字作用：声明本地化方法。它告诉Java 编译器，方法是用Java类之外的本机代码实现的，不需要用Java代码具体实现，但其声明却在Java中。

（2）加载动态库

Writesector.java和Readsector.java中分别加载write－sector1和readsector1文件。Load关键字：声明的本地方法没有实现，但是我们在下面就直接使用了，所以必须在使用之前对它进行初始化。这里一般是以static块进行加载的。其中“writesector1”和“readsector1”是动态库的名字，Java通过调用这个中介Dll中的writeSector和readSector方法，间接调用真正的第三方Dll。

（3）编译生成Writesector.class和Readsector.class文件。

（4）运用.class文件生成.h头文件。

（5）用VC6.0编写生成dll文件。下面以读文件为例分析生成dll文件过程。

第1步：在VC＋＋下新建一个Win32Dynamic－Link Library类型的工程，取名readsector1，其中readsector1就是将来要生成的dll文件名，这样命名方便java 对其直接调用。

第2步：将头文件readsector＿Readsector.h、jni.h和jni＿md.h 添加到工程中去，其中jni.h和jni＿md.h这两个文件可以在jdk1.6的include目录下找到。

第3步：编写readsector.cpp实现readSector函数。

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

其中JNIEnv＊ 是一个指向函数指针表的指针，这些函数提供各种用来在C＋＋中操作Java数据的能力。jobject是指向在此Java代码中实例化的Java 对象的一个句柄。jlong和jboolean分别对应Java 中输入函数类型和输出类型。

JNIEXPORT和JNICALL 都是JNI的关键字JNIEXPORT 表示函数的链接方式，当程序执行时从本地库文件中找函数，JNICALL 表示调用约定，说明调用的是本地方法。

以下是readSector函数中的主要部分：

第4步：使用VC＋＋编译器编译.cpp，生成readsector1.dll文件。

3 代码测试及结果输出

（1）在Writesector.java中输入测试代码：

Writesector sample＝new Writesector（）；

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

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

为了方便测试，在逻辑扇区号为2149033的扇区中输入同一个数值0xbb。

在Readsector.java中输入测试代码：

Readsector sample＝new Readsector（）；

boolean bool＝sample.readSector（2149033）；

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

为了检验写扇区的正确性，检验逻辑扇区号为2149033的扇区值是否正确。

（2）将readsector1.dll拷贝到Readsector.java所在的目录下，将writesector1.dll拷贝到Writesector.java 所在的目录下。

（3）运行Writesector.java，实现写扇区，输出结果如图4所示。

图4 读扇区

再运行Readsector.java，读取所写入扇区值。输出结果如图5所示。

图5 写扇区

4 Java调用本地方法准则及缺点

4.1 Java调用本地方法的准则

Java所调用的本地方法是指包含在特定平台下的可执行文件中，就本文示例而言，本地方法即包含在windows平台下的动态链接库DLL中。在java对本地方法的实际调用过程中，需考虑一下两个准则：

（1）当本地代码有多个方法时，可以将这些本地方法都封装到单个类中，这个类只需要调用一个DLL，即可实现对本地代码的调用。对于每种目标操作系统，只需要修改基于该平台的本地代码来替换DLL，这就将本地代码的影响减小对最小，也有助于不同平台下的一直问题。

（2）本地方法要简单。目的要使第三方运行时对DLL依赖程度减到最小，从而使本地方法更加独立，减小加载DLL和应用程序的开销。

4.2 Java调用本地方法的缺点

（1）Java作为一种面向对象的编程语言，虽然具有跨平台等优点，但JNI方法在实现java与本地代码交互的同时也限制了java语言的一个优点：程序的可移植性。java调用本地方法时，需要本地代码为其提供动态链接库，而链接库本身是与平台相关的。

（2）JNI方法使程序的安全性降低。JVM 给Java代码提供了完善的安全机制使得Java代码不会导致程序崩溃、滥用数据等，一旦使用了JNI，这种安全机制就无能力了。

（3）必须确保本地代码的稳定性，因为本地代码运行时可能会造成错误指针带来的间接错误，这样本地代码带来的丝毫错误都可能导致java虚拟机的崩溃［11］。

5 结束语

本文分析了基于windows平台下用VC＋＋实现磁盘扇区的读写方法之后，通过JNI技术实现了java对VC＋＋下生成的dll文件的调用，从而完成应用层对磁盘的直接访问，实现了java对系统底层的直接操作。由于java标准的类库无法支持与硬件的交互，这就受限了JNI方法的使用。而JNI方法在

实现java与本地代码双向交互的同时，使得程序本身丧失了跨平台的优点。所以，在使用JNI方法之前，一定要审查是否有更好的方法结合到java中。本文是在windows平台实现了对系统底层的一些操作，如果想要跨平台实现，这就要求在不同的操作系统下重新编译本地代码，通过使用JNI技术可以实现更为广泛的应用层与底层之间的交互，有待进一步研究。

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