Java 19 引入了全新的外部函數(shù)與內(nèi)存 API（Foreign Function & Memory API），這是一個(gè)預(yù)覽功能，旨在為開(kāi)發(fā)者提供更低層次的編程能力，使得 Java 程序可以更加高效地與本地代碼（native code）和非堆內(nèi)存（off-heap memory）交互。該 API 是 Project Panama 的一部分，其目標(biāo)是消除 Java 與本地庫(kù)之間的隔閡，讓開(kāi)發(fā)者可以安全且高效地調(diào)用本地函數(shù)和操作本地內(nèi)存。

在傳統(tǒng)的 Java 開(kāi)發(fā)中，通過(guò) JNI（Java Native Interface）調(diào)用本地代碼是一種常見(jiàn)方式，但 JNI 存在復(fù)雜性、安全性和性能上的局限。Java 19 的外部函數(shù)與內(nèi)存 API 致力于提供一種更為現(xiàn)代化、簡(jiǎn)化的替代方案，允許 Java 直接與本地代碼和內(nèi)存交互。

一、外部函數(shù)與內(nèi)存 API 簡(jiǎn)介

外部函數(shù)與內(nèi)存 API 的核心目標(biāo)是提供一種更簡(jiǎn)便、安全的方式來(lái)訪問(wèn)外部（即非 Java 的本地）資源。這包括：

• 調(diào)用外部函數(shù)：允許 Java 代碼調(diào)用使用 C、C++ 等語(yǔ)言編寫(xiě)的本地庫(kù)中的函數(shù)，而無(wú)需通過(guò) JNI。
• 訪問(wèn)本地內(nèi)存：提供對(duì)本地內(nèi)存的直接訪問(wèn)能力，使得 Java 可以操作堆外內(nèi)存，從而提高性能，特別是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)。

這兩個(gè)功能的結(jié)合，極大地提升了 Java 在高性能計(jì)算和系統(tǒng)編程領(lǐng)域的潛力。

二、外部函數(shù) API

外部函數(shù) API 主要提供了調(diào)用本地函數(shù)的能力。通過(guò)此 API，Java 程序員可以在無(wú)需手動(dòng)編寫(xiě)復(fù)雜的 JNI 代碼的情況下，輕松調(diào)用本地庫(kù)中的 C 函數(shù)。這個(gè) API 使用 MethodHandle 來(lái)動(dòng)態(tài)地處理外部函數(shù)調(diào)用，極大簡(jiǎn)化了與本地代碼的交互。

基本調(diào)用流程：

• 定義函數(shù)簽名：通過(guò) API 聲明要調(diào)用的本地函數(shù)的參數(shù)和返回類(lèi)型。
• 加載庫(kù)：通過(guò) System.loadLibrary 等方式加載本地庫(kù)。
• 調(diào)用函數(shù)：使用 MethodHandle 來(lái)執(zhí)行函數(shù)調(diào)用。

示例代碼：調(diào)用 C 的 strlen 函數(shù)

假設(shè)我們想調(diào)用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的 strlen 函數(shù)：

import java.lang.foreign.MemorySegment;
import java.lang.foreign.SymbolLookup;
import java.lang.invoke.MethodHandle;
import java.lang.invoke.MethodType;

public class ForeignFunctionExample {
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        // 查找并加載 C 庫(kù)中的符號(hào) "strlen"
        SymbolLookup stdlib = SymbolLookup.loaderLookup();
        MethodHandle strlen = stdlib.find("strlen").get().asHandle(MethodType.methodType(long.class, MemorySegment.class));

        // 使用 MemorySegment 表示字符串
        MemorySegment cString = MemorySegment.allocateNative(10); // 分配 10 個(gè)字節(jié)的本地內(nèi)存
        cString.asByteBuffer().put("Hello".getBytes());           // 將 "Hello" 寫(xiě)入本地內(nèi)存

        // 調(diào)用 strlen 函數(shù)，計(jì)算字符串的長(zhǎng)度
        long length = (long) strlen.invoke(cString);
        System.out.println("String length: " + length); // 輸出: 5
    }
}

解釋：

• SymbolLookup 類(lèi)用于查找 C 庫(kù)中的函數(shù)。strlen 是 C 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的函數(shù)，返回字符串的長(zhǎng)度。
• MemorySegment 用于在 Java 中表示本地內(nèi)存區(qū)域，類(lèi)似于 C 的指針。
• MethodHandle 表示函數(shù)句柄，Java 可以通過(guò)它來(lái)調(diào)用外部函數(shù)。

三、內(nèi)存 API

內(nèi)存 API 允許 Java 程序操作本地內(nèi)存（即堆外內(nèi)存），不再局限于 JVM 管理的堆內(nèi)存。這對(duì)于高性能計(jì)算應(yīng)用非常重要，尤其是處理大數(shù)據(jù)量或需要避免 GC（垃圾收集）對(duì)性能影響的場(chǎng)景。

內(nèi)存 API 提供了以下核心功能：

• 內(nèi)存分配：通過(guò) MemorySegment 在本地分配內(nèi)存。
• 內(nèi)存操作：支持對(duì)本地內(nèi)存的讀寫(xiě)操作，類(lèi)似于 C 中的指針操作。
• 內(nèi)存安全：API 內(nèi)置了內(nèi)存訪問(wèn)的邊界檢查，避免了常見(jiàn)的內(nèi)存溢出和越界問(wèn)題。

內(nèi)存 API 示例：本地內(nèi)存分配與操作

import java.lang.foreign.MemorySegment;
import java.nio.ByteBuffer;

public class MemoryApiExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 分配本地內(nèi)存（10 字節(jié)）
        MemorySegment segment = MemorySegment.allocateNative(10);

        // 獲取 ByteBuffer 進(jìn)行操作
        ByteBuffer byteBuffer = segment.asByteBuffer();
        byteBuffer.putInt(42); // 將整數(shù) 42 寫(xiě)入本地內(nèi)存

        // 讀取本地內(nèi)存中的整數(shù)
        byteBuffer.flip(); // 切換為讀取模式
        int value = byteBuffer.getInt();
        System.out.println("Value from native memory: " + value); // 輸出: 42

        // 釋放內(nèi)存
        segment.close();
    }
}

解釋：

• MemorySegment.allocateNative 用于分配堆外內(nèi)存，這段內(nèi)存不受 JVM 垃圾收集器的管理。
• 使用 ByteBuffer 操作內(nèi)存內(nèi)容，類(lèi)似于 Java 堆內(nèi)存中的 ByteBuffer，但它操作的是本地內(nèi)存。
• MemorySegment.close 用于手動(dòng)釋放分配的內(nèi)存，確保不發(fā)生內(nèi)存泄漏。

四、外部函數(shù)與內(nèi)存 API 的優(yōu)勢(shì)

相比傳統(tǒng)的 JNI，Java 19 的外部函數(shù)與內(nèi)存 API 提供了諸多優(yōu)勢(shì)：

• 簡(jiǎn)化本地代碼調(diào)用：傳統(tǒng)的 JNI 需要編寫(xiě)復(fù)雜的 C/C++ 代碼和頭文件，而新 API 允許開(kāi)發(fā)者通過(guò) Java 的 API 直接與本地庫(kù)交互，簡(jiǎn)化了調(diào)用流程。

• 安全性提升：JNI 中容易出現(xiàn)的內(nèi)存管理問(wèn)題（如內(nèi)存泄漏或訪問(wèn)越界）在新 API 中通過(guò)內(nèi)置的內(nèi)存安全機(jī)制得到了有效解決。API 提供了明確的內(nèi)存生命周期管理功能，防止開(kāi)發(fā)者誤操作導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

• 性能提升：通過(guò)直接操作本地內(nèi)存和調(diào)用本地函數(shù)，Java 程序可以繞過(guò) JVM 的一些性能瓶頸，尤其是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。相比于傳統(tǒng) JNI，這種調(diào)用方式更輕量，也減少了上下文切換帶來(lái)的性能損失。

• 跨平臺(tái)支持：該 API 使得 Java 能夠在不同平臺(tái)上更輕松地與本地代碼庫(kù)交互，尤其是當(dāng)應(yīng)用程序需要調(diào)用操作系統(tǒng)特定的庫(kù)時(shí)（如 Windows 的 DLL，Linux 的 SO 文件）。

五、使用場(chǎng)景

外部函數(shù)與內(nèi)存 API 尤其適合以下場(chǎng)景：

• 與本地庫(kù)交互：
     當(dāng) Java 程序需要與系統(tǒng)庫(kù)（如圖形處理庫(kù)、加密庫(kù)等）交互時(shí)，這個(gè) API 提供了一種比 JNI 更簡(jiǎn)單、性能更高的方式。例如，Java 應(yīng)用可以直接調(diào)用 OpenGL 或者 OpenSSL 這樣的底層庫(kù)。

• 高性能計(jì)算：
     在科學(xué)計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等場(chǎng)景下，Java 應(yīng)用可以通過(guò)操作堆外內(nèi)存來(lái)避免垃圾收集器的開(kāi)銷(xiāo)，從而提高性能。比如在處理大量的圖片、視頻或其他需要大量?jī)?nèi)存的任務(wù)時(shí)，可以通過(guò)本地內(nèi)存加速。

• 系統(tǒng)編程：
     某些場(chǎng)景下，Java 應(yīng)用需要直接操作系統(tǒng)資源，比如內(nèi)存映射文件、網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)等。通過(guò)新的內(nèi)存 API，Java 可以更方便地實(shí)現(xiàn)這些低級(jí)操作，接近系統(tǒng)編程語(yǔ)言（如 C）的能力。

六、與 JNI 的比較

七、未來(lái)展望

Java 19

的外部函數(shù)與內(nèi)存 API 是作為預(yù)覽功能發(fā)布的，隨著 Java 語(yǔ)言的發(fā)展，這一功能將在未來(lái)的版本中得到進(jìn)一步優(yōu)化和完善。Project Panama 的目標(biāo)是讓 Java 在跨語(yǔ)言編程和高性能計(jì)算方面更具競(jìng)爭(zhēng)力，外部函數(shù)與內(nèi)存 API 是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要里程碑。

開(kāi)發(fā)者可以在實(shí)際項(xiàng)目中嘗試這一 API，以評(píng)估其對(duì)性能的提升和編程的便利性。未來(lái)版本中，隨著 API 的穩(wěn)定和正式發(fā)布，它將會(huì)成為 Java 處理本地代碼與內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)工具。

八、總結(jié)

Java 19 的外部函數(shù)與內(nèi)存 API 為開(kāi)發(fā)者提供了更強(qiáng)大的本地代碼調(diào)用和內(nèi)存操作能力。通過(guò)簡(jiǎn)化的接口設(shè)計(jì)和內(nèi)置的安全機(jī)制，開(kāi)發(fā)者可以更輕松地調(diào)用 C/C++ 函數(shù)并操作堆外內(nèi)存，從而提高應(yīng)用性能。相比傳統(tǒng)的 JNI，新 API 提供了更易用、更安全的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)，并且特別適合需要高性能和本地庫(kù)集成的場(chǎng)景。

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