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@tabatad

JEP454 FFM APIの基本的な使い方

Last updated at Posted at 2024-04-28

本記事では、JEP 454: Foreign Function & Memory APIをJNIと比較しながら、Linux、Windowsでの基本的な使い方を紹介します。

概要

Foreign Function & Memory APIは頭文字をとってFFM APIと略されます。

FFM APIはJDK19から3度のプレビューを経てJDK22で正式導入されました。

FFM APIとしてJEPになったのはJDK17のJEP 412: Foreign Function & Memory API (Incubator)からですが、それ以前は2つのIncubatorとして開発されていました。

そして、FFM APIはProject Panamaの成果です。

Project Panamaはざっくりですが、「Javaの世界」と「ネイティブの世界」のインターフェースを改善する活動をしています。

他には、Vector APIもやっています。（JDK23でEighth Incubator JEP469）

実行環境

Linux

OS

$ cat /etc/lsb-release
DISTRIB_ID=Ubuntu
DISTRIB_RELEASE=22.04
DISTRIB_CODENAME=jammy
DISTRIB_DESCRIPTION="Ubuntu 22.04.3 LTS"

JDK（OpenJDK jdk22を自分でビルドしたもの）

$ java --version
openjdk 22-internal 2024-03-19
OpenJDK Runtime Environment (build 22-internal-adhoc.tabatad.jdk22)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 22-internal-adhoc.tabatad.jdk22, mixed mode, sharing)

gcc

$ gcc --version
gcc (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 11.4.0
Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

Windows

OS

>ver

Microsoft Windows [Version 10.0.22631.3447]

JDK

$ java --version
openjdk 22 2024-03-19
OpenJDK Runtime Environment Temurin-22+36 (build 22+36)
OpenJDK 64-Bit Server VM Temurin-22+36 (build 22+36, mixed mode, sharing)

gcc

$ gcc --version
gcc.exe (x86_64-win32-seh-rev1, Built by MinGW-Builds project) 13.1.0
Copyright (C) 2023 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

FFM APIとJNIを比較

CでHello worldと表示する関数を用意し、それをJavaから呼び出します。

まずは、LinuxでのJNI、FFM APIを比較し、そのあとにWindowsでのJNI、FFM APIを比較します。

Linux

JNI

JNI.java
public class JNI {
    private native void hello();

    static {
        System.loadLibrary("hello_jni");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new JNI().hello();
    }
}
hello_jni.c
#include <stdio.h>

#include "JNI.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_JNI_hello (JNIEnv *, jobject) {
    printf("Hello world\n");
}

$ javac -h . JNI.java

$ gcc -shared -o libhello_jni.so -fPIC -I${JAVA_HOME}/include -I${JAVA_HOME}/include/linux hello_jni.c

$ java -Djava.library.path=. JNI
Hello world

Foreign Function API

FFM.java
import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.MethodHandle;

public class FFM {
    public static void main(String[] args) {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();

        try (Arena offHeap = Arena.ofConfined()) {
            SymbolLookup lib = SymbolLookup.libraryLookup("libhello_ffm.so", offHeap);
            MethodHandle hello = linker.downcallHandle(lib.find("hello").orElseThrow(), FunctionDescriptor.ofVoid());
            
            hello.invokeExact();
        } catch(Throwable t) {
            t.printStackTrace();
        }
    }
}
hello_ffm.c
#include <stdio.h>

void hello() {
    printf("Hello world\n");
}

$ gcc -shared -o libhello_ffm.so -fPIC hello_ffm.c

$ java -Djava.library.path=. --enable-native-access=ALL-UNNAMED FFM
java.lang.IllegalArgumentException: Cannot open library: libhello_ffm.so
        at java.base/java.lang.foreign.SymbolLookup.libraryLookup(SymbolLookup.java:314)
        at java.base/java.lang.foreign.SymbolLookup.libraryLookup(SymbolLookup.java:266)
        at FFM.main(FFM.java:9)

$ export LD_LIBRARY_PATH=`pwd`

$ java --enable-native-access=ALL-UNNAMED FFM.java
Hello world

$ java FFM
WARNING: A restricted method in java.lang.foreign.SymbolLookup has been called
WARNING: java.lang.foreign.SymbolLookup::libraryLookup has been called by FFM in an unnamed module
WARNING: Use --enable-native-access=ALL-UNNAMED to avoid a warning for callers in this module
WARNING: Restricted methods will be blocked in a future release unless native access is enabled

Hello world

ポイント1

libraryLookupメソッドがライブラリを探す場所はOSごとに異なり、posixではdlopen関数の仕様に依存します。

dlopenはLD_LIBRARY_PATHに定義されているパスからライブラリを検索するので、LD_LIBRARY_PATHにライブラリ（今回はlibhello_ffm.so）がある場所を定義しておく必要があります。

なお、JNIのように、実行時に-Djava.library.path=でライブラリのパスを指定する方法では例外が発生します。

ポイント2

--enable-native-access=ALL-UNNAMED

FFM APIの一部のメソッドは使い方を誤るとJVMをクラッシュさせる可能性があるなど、危険な側面を持っています。なので、そういったメソッドを使用している場合、上記のオプションをつけなければ警告が出るようになっています。

参考：使用が制限されるメソッド

ポイント3

Arenaというクラスでヒープ外のメモリ領域の管理を行います。詳しくは後日別の記事に書くかもしれません。

ポイント4

JNIと比較してFFM APIは、

  • ライブラリの関数を独自の書き方をする必要がない
  • javac -hでヘッダファイルを作成する必要がない

というメリットがあります。

Windows

JNI

JNI.java
public class JNI {
    private native void hello();

    static {
        System.loadLibrary("hello_jni");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new JNI().hello();
    }
}
hello_jni.c
#include <stdio.h>

#include "JNI.h"

JNIEXPORT void JNICALL Java_JNI_hello (JNIEnv *env, jobject jo) {
    printf("Hello world\n");
}

$ javac -h . JNI.java

$ gcc -shared -o hello_jni.dll -fPIC -I${JAVA_HOME}/include -I${JAVA_HOME}/include/win32 hello_jni.c

$ java -Djava.library.path=. JNI
Hello world

Foreign Function API

FFM.java
import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.MethodHandle;

public class FFM {
    public static void main(String[] args) {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();

        try (Arena offHeap = Arena.ofConfined()) {
            SymbolLookup lib = SymbolLookup.libraryLookup("hello_ffm.dll", offHeap);
            MethodHandle hello = linker.downcallHandle(lib.find("hello").orElseThrow(), FunctionDescriptor.ofVoid());
            
            hello.invokeExact();
        } catch(Throwable t) {
            t.printStackTrace();
        }
    }
}
hello_ffm.c
#include <stdio.h>

void hello() {
    printf("Hello world\n");
}

$ gcc -shared -o hello_ffm.dll -fPIC hello_ffm.c

$ java --enable-native-access=ALL-UNNAMED FFM.java
Hello world

ポイント1

libraryLookupメソッドがライブラリを探す場所はOSごとに異なり、WindowsではLoadLibrary関数の仕様に依存します。

LoadLibrary関数はカレントディレクトリにライブラリのファイル（今回はhello_ffm.dll）があれば読み込みます。

参考：パッケージ化されていないアプリの標準検索順序

ポイント2

jniの場合はLinux、Windowsに関わらずjavaのソースは全く同じで実行できますが、FFMの場合、ライブラリをロードするときのファイル名の指定方法がOSで異なります。

Linuxの場合、ライブラリのファイル名を省略せずに指定する必要があります。

SymbolLookup lib = SymbolLookup.libraryLookup("libhello_ffm.so", offHeap);

Windowsの場合、拡張子を省略してもライブラリを読み込むことができます。

SymbolLookup lib = SymbolLookup.libraryLookup("hello_ffm", offHeap);
// もしくは
SymbolLookup lib = SymbolLookup.libraryLookup("hello_ffm.dll", offHeap);

このようなことが起こるのは、ポイント1で述べたように、libraryLookupメソッドが行うライブラリのロードはOS毎の関数に依存しているためだと考えられます。

つまり、posixのdlopen関数は拡張子やファイル名の頭のlibの省略を許さず、WindowsのLoadLibrary関数は拡張子の省略を許しています。

まとめ

本記事では、JEP 454: Foreign Function & Memory APIをJNIと比較しながら、Linux、Windowsでの基本的な使い方を紹介しました。ご参考になれば幸いです。

また、細かい表現の誤りや誤った内容を記載している可能性があります。
その際はご指摘いただけますと幸いです。

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