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Javaにおける
ネイティブコード連携の
各種手法の紹介
NTTレゾナント・テクノロジー(株)
久納 孝治(ひさのう こうじ)
hisano
自己紹介
 久納 孝治 (ひさのう こうじ)
 NTTレゾナント・テクノロジーでRemote TestKitを作っています。
「今まで作ったもの」
 世界初のケータイJava向けGameBoyエミュレータ (2002年のJavaOneで発表)
http://www.itmedia.co.jp/mobile/0209/26/n_game.html
 Skype社の公認のオフィシャルAPIに選定されたSkype4Java
http://www.itmedia.co.jp/enterprise/articles/0710/05/news132.html
 Pure JavaによるDalvik VMインタープリタ
http://code.google.com/p/android-dalvik-vm-on-java/
 MIDP→iアプリ変換ツール (Opera Miniのiアプリ版で採用)
http://www.itmedia.co.jp/mobile/articles/1106/15/news106.html
など
Pure JavaによるDalvik VMインタープリタ
 AndroidのDalvik VMの仕様書から実装
 Java ME上で動作するインタープリタ
(知る限りではクリーンルーム実装では世界初)
 サポートしている機能
Dalvik VMの全命令
Java ME CLDCのAPI群
wait・notify等を含むマルチスレッド関連(グリーンスレッドで実現)
MIDPアプリ→iアプリ変換ツール
 Java MEのMIDPアプリのjarをiアプリのjarに静的変換するツール + MIDP APIのランタイム
から構成
 静的変換ツールはjavassistライブラリを用いて実装
・javax.microeditionのクラス参照をtv.hisano.doja.runtime.midpパッケージに変換
・System#getProperty呼び出しを独自のクラスメソッド呼び出しに変換
・Class#getResourceAsStream呼び出しを独自のクラスメソッド呼び出しに変換
・などなど
 MIDP APIのランタイムをクリーンルーム実装
・ピュアJavaのPNGデコーダを組み込み
・OpenGLを用いた高速な画面描画コンポーネントを組み込み
 Opera社とOpera miniのiアプリ版としてリリース(現在は公開終了)
本編
Javaでネイティブコードを使う意義
 Javaで書かれていない豊富な各種ライブラリの利用
例: TensorFlow、Bonanza
弊社での利用例: コンピュータビジョンライブラリ(OpenCV)、iOS端末管理
(libimobiledevice)、ChromeのPDFエンジン(Pdfium)
 OS特有の機能の利用
例: Windowsのジャンプ・リスト、OS Xの通知センター
弊社での利用例: プロセス情報取得(winp)、UNIXドメインソケット(junixsocket)
 GPU・CPUをフルに使った高速化
例: DirectX、WebRTC
弊社での利用例: 音声・ビデオコーデック(OpenH264)
 既存資産のポーティングの手間の軽減
ネイティブコードを組み込む方法
開発工数 品質 できること
① ラップした既存ライブラリを利用 ◎ ? △
② Javaのみでネイティブ連携を行えるライブラリ
を利用
○ ○ ○
③ JNIを利用 △ △ ◎
ラップした既存ライブラリを利用
GitHubで既存ライブラリを検索
 アドバンスド検索
https://github.com/search/advanced
 プレフィックスを用いた絞り込み
https://help.github.com/categories/search/
他の応用例:
jnrとjnaどちらが使われているか?
jna filename:pom.xml fork:false→3263件
jnr-ffi filename:pom.xml fork:false→47件
利用例: JavaCV
 JavaからOpenCVを使えるライブラリ
 OpenCVにも本家Javaライブラリがあるものの、セットアップの容易さからJavaCV
がオススメ
 Apacheライセンス or クラスパス例外ありのGPLのデュアルライセンス
類似領域検索での利用例
利用例: winp
 JavaからWindowsのプロセス管理を行うためのライブラリ
 Jenkinsを作られている川口さん作でMITライセンス
 サポートしている機能
 プロセス情報の取得
 プロセスの強制終了
 プロセスの優先順位変更
 OSからのログオフ・リブート
など
プロセス一覧を表示するコード
Javaのみでネイティブ連携コードを
書けるライブラリを利用
この手法のメリット
 JNIで連携コードを別途書く必要なし
 OSごとのネイティブライブラリの準備が不要
 Javaのデバッガを用いての開発が可能
com4j
 COMコンポーネントをJavaから使えるようにするライブラリ
 Jenkinsを作られている川口さん作
 BSDライセンス
ライブラリを生成
ライブラリを利用
SWTのinternal API
 EclipseのGUIライブラリのSWTの下回り(org.eclipse.swt.internal)には大量のOS特
有コード
 Windows: Win32/Win64
 OS X: Cocoa
Skype4Javaでの利用例
JNA
 JavaインターフェイスでC関数を定義するとバインドしてくれるライブラリ
 Apacheライセンス or LGPLのデュアルライセンス
 似たライブラリとしてJNRあり
① JavaインターフェイスでC関数を定義
② インターフェイス定義からプロキシを生成
③ 実際の処理で利用
JNAのnativeメソッド定義による利用
 nativeメソッドを定義したクラスをNative#registerメソッドに渡すだけで、JNIラ
イブラリを用意したように呼び出すことが可能に
pdfium4jでのnativeメソッド定義による利用例
JNAでのJavaリスナーの登録
 Javaのリスナーを、Cの関数ポインタのようにコールバックとして登録可能
JNAでのAPI差分の吸収
 JNAの各種処理をフックしてAPI差分を吸収することが可能
・Javaのインスタンス→ネイティブオブジェクトの対応関係変更(TypeMapper)
・Javaのメソッド→C関数名の対応関係変更(FunctionMapper)
・C関数の呼び出し処理の前後に処理を追加(InvocationMapper)
C関数名の変更を吸収する例
JNAerator
 ヘッダーファイルからJNAを用いたコードを生成してくれるツール
 JNAだけでなく、BridJ・Rococoa・node.js向けのコード出力も可能
JavaCPP
 Javaクラス + アノテーションでC++クラスを定義すると、クラス定義を元にJNI
コードを生成して使えるようにしてくれるライブラリ
 JavaCVの下支えのライブラリ
 Apacheライセンス or GPLのデュアルライセンス
 javacpp-presetsリポジトリに豊富な定義が存在(CUDA、FFmpeg等)
 TensorFlowの定義も追加!
おそらく次のバージョンで楽に使えるように。
https://github.com/bytedeco/javacpp-
presets/blob/master/tensorflow/src/main/java/org/bytedeco/javacpp/tensorflo
w.java
今まで紹介した手法の問題点
 不正なポインタを利用するとプロセスごと落ちてしまう問題あり
 各OS・CPUアーキテクチャごとにネイティブライブラリを用意する必要あり
LLVMを調査している時にいい手法を思いついたので、
j2js2nc(Java to JavaScript to Native Code)ライブラリ
を作ってみました!
LLVMの紹介
 コンパイラ開発に必要な各種コンポーネントを提供するコンパイラ基盤
Clang: C/C++/Objective-Cから中間表現のIRを生成するコンポーネント
LLVM Core: IRから各種CPU向けバイナリを生成するための各種コンポーネント
LLDB: ClangやLLVM Coreを使って実装されたデバッガ
 BSDライセンスに似た使いやすいライセンス
 (ユーザ目線では新しいコンパイラと捉えるのがいいかも)
Clang C/C++フロントエンド LLVM Optimizer
x86バックエンド
ARMバックエンド
PowerPCバックエンド
Emscriptenの紹介
 C/C++コードをJavaScriptにコンパイルするツール
Unity等での応用例: https://github.com/kripken/emscripten/wiki/Porting-
Examples-and-Demos
Win 32 APIでの応用例: https://github.com/klutzy/win32.js
MS-DOSゲーム: https://archive.org/details/softwarelibrary_msdos_games
 Windows・OS X・Linux向けに提供
 LLVMのバックエンドでCPU特有のバイナリではなく、JavaScriptコードを生成
 JavaScriptサブセット仕様のasm.jsを用いて高速化
Clang C/C++フロントエンド LLVM Optimizer Emscriptenバックエンド(Fastcomp)
Emscriptenによるwin32.jsの実現方法
JavaScriptコード
Emscriptenで変換
fake-mswin - JavaScriptライブラリ
Win32エミュレーションライブラリ
j2js2ncライブラリの紹介
 j2js2ncはEmscripten版JNA
 Emscriptenを利用するメリット
 ネイティブコードが、マシン語ではなくJavaScriptとなるため、OSやCPUに非依存
 Nashorn上でマシン語相当が動作するため、不正なポインタによってプロセスが終了する
ことがない
 JNA 4.1の下回りを実装し直して実現しているため、JNAの豊富な高度な機能はそ
のまま利用可能
Javaインスタンスの自動マッピング
メソッド→関数のマッピングルール変更
など
C/C++コード JavaScript
Java
Emscriptenで変換
生成されたJavaScriptコードはJava 8から搭載されたNashorn上で実行
Javaインターフェイス + j2js2ncでC関数を自動バインド
j2js2ncの具体的な利用の流れ
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void hello(char *name) {
printf("Hello, %s!n", name);
}
$ emcc hello.c -s EXPORTED_FUNCTIONS="['_hello']" -o js/hello.js
package jp.hisano.sample;
import jp.hisano.j2js2nc.Library;
import jp.hisano.j2js2nc.Native;
public class Main {
public interface Hello extends Library {
void hello(String name);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Hello library = (Hello) Native.loadLibrary("hello", Hello.class);
library.hello("j2js2nc");
}
}
hello.dll等に相当するhello.jsを生成
Libraryインターフェイスを継承してメソッドを定義するだけ
でC関数が利用可能
JNAとj2js2ncの内部処理の違い
JNAでの内部処理
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void hello(char *name) {
printf("Hello, %s!n", name);
}
Hello library = (Hello) Native.loadLibrary("hello", Hello.class);
library.hello("j2js2nc");
JNA処理
1. StringインスタンスをJNAオブジェクトに変換(NativeString
インスタンスの生成)
2. JNAオブジェクトからネイティブオブジェクトに変換
(malloc関数でバイト配列を確保)
3. libffi経由でネイティブライブラリの関数を呼び出し
GC実行時
1. finalizeメソッド実行時にfree関数が呼び出されて解放
j2js2ncでの内部処理
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void hello(char *name) {
printf("Hello, %s!n", name);
}
Hello library = (Hello) Native.loadLibrary("hello", Hello.class);
library.hello("j2js2nc");
J2js2ncの処理
1. Stringインスタンスをj2js2ncオブジェクトに変換
(NativeStringインスタンスの生成)
2. j2js2ncオブジェクトからネイティブオブジェクトに変換
(_malloc関数でバイト配列を確保)
3. javax.script経由でJavaScript関数を呼び出し
GC実行時
1. finalizeメソッド実行時に_free関数が呼び出されて解放
JNA処理
1. StringインスタンスをJNAオブジェクトに変換(NativeString
インスタンスの生成)
2. JNAオブジェクトからネイティブオブジェクトに変換
(malloc関数でバイト配列を確保)
3. libffi経由でネイティブライブラリの関数を呼び出し
いろいろな問題とその解決方法
ポインタのサポート
ポインタは何バイト?
 Emscriptenでは32-bitマシンとしてコンパイル
 long型・wchar_t型・size_t型も、すべて32-bit
定義の初期化のメソッド
64-bit整数型のサポート
JavaScriptは64-bit浮動小数点型のみ、64-bit整数型の引数や戻り値は?
 一つの64-bit整数引数を、二つの32-bitビット整数(実体は64-bit浮動小数点型)に分割
 戻り値の64-bit整数の上位32-bitはtempRet0というグローバル変数に入れて返却
戻り値の処理
引数の処理
処理速度が遅い
1バイトのメモリアクセスごとにJavaScriptのパース・実行処理が行われて低速
Nashornの内部APIを直接使う形にして高速化
(BufferArgumentsMarshalTestテストの実行時間が20秒から2.5秒に短縮!)
変更後変更前
様々なネイティブ連携手法があるJavaは
最高です!
ご清聴ありがとうございました。

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