FFM：用 Arena 和 MemorySegment 取代 JNI

Arena：把释放责任变成作用域01

绝大多数调用应该用 try (Arena arena = Arena.ofConfined()) { ... }。Arena 关闭时统一释放其中分配的 Segment；你不需要、也不能单独 free 某个 Segment。

try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
    MemorySegment segment = arena.allocate(16);
    segment.set(JAVA_INT, 0, 42);
    System.out.println(segment.get(JAVA_INT, 0)); // 42
}
// 离开 try 后 arena 已关闭，segment 不能再用

ofConfined 的「confined」不是建议，而是强制：在另一个线程访问它的 Segment 会抛 WrongThreadException。这能尽早暴露「把 Segment 逃逸到线程池」的错误。

MemorySegment：带边界的地址02

MemorySegment 由「地址 + 字节长度 + 所属 scope」组成。所有读写都通过 ValueLayout 指定类型和偏移，运行时检查偏移是否在范围内。

try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
    MemorySegment segment = arena.allocate(2 * Integer.BYTES);
    segment.set(JAVA_INT, 0, 7);
    segment.set(JAVA_INT, Integer.BYTES, 9);

    System.out.println(segment.get(JAVA_INT, 0));          // 7
    System.out.println(segment.get(JAVA_INT, Integer.BYTES)); // 9
    System.out.println(segment.byteSize());                // 8

    MemorySegment second = segment.asSlice(Integer.BYTES, Integer.BYTES);
    System.out.println(second.get(JAVA_INT, 0));           // 9
}

JDK 21 用 allocateUtf8String / getUtf8String 处理 C 字符串；JDK 22 转正后改名为 allocateFrom / getString。这两个名字在 21 与 22+ 之间不能混用。

downcall：从 Java 调到 C03

以 C 标准库的 strlen(const char*) 为例：参数是指针（ADDRESS），返回值是 size_t。在 64 位平台上用 JAVA_LONG 接住返回值。

Linker linker = Linker.nativeLinker();
SymbolLookup lookup = linker.defaultLookup();

MethodHandle strlen = linker.downcallHandle(
        lookup.find("strlen").orElseThrow(),
        FunctionDescriptor.of(JAVA_LONG, ADDRESS));

try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
    MemorySegment text = arena.allocateUtf8String("Hello, JDK 21!");
    long length = (long) strlen.invokeExact(text);
    System.out.println("strlen=" + length); // 14
    System.out.println("size=" + text.byteSize()); // 15
}

javac --enable-preview --release 21 FfmStrlenDemo.java
java --enable-preview --enable-native-access=ALL-UNNAMED FfmStrlenDemo

strlen=14
size=15

• lookup.find("strlen") 在默认查找范围内找符号；找不到时返回空 Optional。
• FunctionDescriptor.of(returnLayout, paramLayouts...) 的顺序必须与 C 签名一致。
• invokeExact 的类型必须与方法句柄完全匹配，否则抛 WrongMethodTypeException。
• 返回值是 size_t；在 64 位平台用 JAVA_LONG，跨平台应使用与平台宽度对应的布局。

upcall：从 C 调回 Java04

upcall 把 Java 方法句柄变成 native 可调用的函数指针。下面的例子不依赖外部库：先创建 upcall stub，再把 stub 当作函数指针，通过 downcall 调回 Java，验证参数和返回值都正确。

Linker linker = Linker.nativeLinker();
MethodHandle add = MethodHandles.lookup().findStatic(
        FfmUpcallDemo.class, "add",
        MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class));

FunctionDescriptor descriptor =
        FunctionDescriptor.of(JAVA_INT, JAVA_INT, JAVA_INT);

try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
    MemorySegment stub = linker.upcallStub(add, descriptor, arena);
    MethodHandle caller = linker.downcallHandle(stub, descriptor);
    int result = (int) caller.invokeExact(20, 22);
    System.out.println("upcall result=" + result); // 42
}

upcall result=42

• upcall stub 的生命周期由传入的 Arena 管理；Arena 关闭后再调用 stub 是未定义行为。
• 回调方法的参数/返回值必须与 FunctionDescriptor 匹配；C 侧不会做 Java 类型检查。
• 不要让异常越过 upcall 边界：在 Java 回调内部捕获并转换为错误码或返回值。
• upcall 适合事件回调、比较器、日志钩子等场景；高频回调要评估线程切换与异常处理成本。

可运行示例：调用 strlen01

import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.MethodHandle;
import static java.lang.foreign.ValueLayout.*;

public class FfmStrlenDemo {
    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();
        SymbolLookup lookup = linker.defaultLookup();
        MethodHandle strlen = linker.downcallHandle(
                lookup.find("strlen").orElseThrow(),
                FunctionDescriptor.of(JAVA_LONG, ADDRESS));

        try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
            MemorySegment text = arena.allocateUtf8String("Hello, JDK 21!");
            long length = (long) strlen.invokeExact(text);
            System.out.println("strlen=" + length);
            System.out.println("size=" + text.byteSize());
        }
    }
}

javac --enable-preview --release 21 FfmStrlenDemo.java
java --enable-preview --enable-native-access=ALL-UNNAMED FfmStrlenDemo

strlen=14
size=15

defaultLookup() 在 Windows 与 Linux/macOS 上都能找到 C 运行时的 strlen；如果换成第三方库，需要用 SymbolLookup.libraryLookup("mylib", arena) 加载动态库。

可运行示例：upcall stub02

import java.lang.foreign.*;
import java.lang.invoke.*;
import static java.lang.foreign.ValueLayout.*;

public class FfmUpcallDemo {
    static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        Linker linker = Linker.nativeLinker();
        MethodHandle add = MethodHandles.lookup().findStatic(
                FfmUpcallDemo.class, "add",
                MethodType.methodType(int.class, int.class, int.class));

        FunctionDescriptor descriptor =
                FunctionDescriptor.of(JAVA_INT, JAVA_INT, JAVA_INT);

        try (Arena arena = Arena.ofConfined()) {
            MemorySegment stub = linker.upcallStub(add, descriptor, arena);
            MethodHandle caller = linker.downcallHandle(stub, descriptor);
            int result = (int) caller.invokeExact(20, 22);
            System.out.println("upcall result=" + result);
        }
    }
}

upcall result=42

这个例子的价值在于把 upcall 的整条链路都放在 Java 里，不需要编译 C 库。真实场景中，stub 会作为回调参数传给 qsort、事件循环或第三方库。

版本迁移与选型03

# JDK 21
javac --enable-preview --release 21 FfmStrlenDemo.java
java --enable-preview --enable-native-access=ALL-UNNAMED FfmStrlenDemo

# JDK 22+（API 改名后）
javac --release 22 FfmStrlenDemo.java
java --enable-native-access=ALL-UNNAMED FfmStrlenDemo

什么时候值得用 FFM

• 已有 C/C++ 库，且不想再维护一层 JNI 胶水代码。
• 需要大块堆外内存、内存映射或与 native 库共享缓冲区。
• 需要回调 native 库（upcall），例如排序比较器、事件监听。
• 对启动/调用开销有要求，且标准库没有合适抽象。

什么时候不该用

• 普通文件、网络、序列化：优先 Files、HttpClient、成熟库。
• 只想「绕过 GC」：先确认堆外内存的分配、释放和排查成本是否值得。
• 跨平台库的 C 类型宽度没有核对：错误布局比性能问题更常见。
• 团队没有 native 调试能力：崩溃栈通常不会像 Java 异常那样友好。

常见坑04

• Segment 逃逸出 Arena：把 ofConfined 的 Segment 返回或缓存，Arena 关闭后访问会 Already closed。
• 跨线程使用 confined Segment：抛 WrongThreadException；跨线程用 ofShared。
• 忘记 native access 参数：FFM 能运行但会警告；生产启动脚本应显式声明。
• C 类型宽度假设错误：Windows 的 C long 是 32 位，不要一律用 JAVA_LONG。
• reinterpret 扩大边界：绕过检查，可能直接读坏内存。
• upcall 中抛异常：异常不能安全跨越 native 边界，回调内部要自行处理。
• 把普通 IO 迁到 FFM：复杂度上升，收益通常为负。

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