进行 JNI 调用的定量开销是多少？

Question

仅基于性能，大约有多少“简单”的 java 行相当于进行 JNI 调用的性能损失？

或者尝试用更具体的方式表达问题，比如简单的java操作

someIntVar1 = someIntVar2 + someIntVar3;

给定了1 的“CPU 工作”索引，那么进行 JNI 调用的开销的典型（大致）“CPU 工作”索引是多少？

这个问题忽略了等待本机代码执行所花费的时间。用电话术语来说，严格来说是通话的“降旗”部分，而不是“通话率”。

问这个问题的原因是当您知道本机成本（来自直接测试）和给定操作的 java 成本时，有一个“经验法则”来知道何时尝试编写 JNI 调用。它可以帮助您快速避免为 JNI 调用编码而发现调用开销消耗了使用本机代码的任何好处。

编辑：

有些人对 CPU、RAM 等方面的变化感到困惑。这些几乎都与问题无关——我要问的是 java 代码行的相对成本。如果 CPU 和 RAM 很差，那么它们对于 java 和 JNI 来说都是很差的，因此应该平衡环境因素。 JVM 版本也属于“无关”类别。

这个问题不是要求以纳秒为单位的绝对时间，而是要求以“简单 Java 代码行”为单位的球场“工作量”。

Answer 1

您应该亲自测试一下“延迟”是什么。延迟在工程中被定义为发送零长度消息所需的时间。在这种情况下，它对应于编写最小的 Java 程序，该程序调用 do_nothing 空 C++ 函数并计算超过 30 次测量的经过时间的平均值和标准差（做几个额外的预热调用）。对于不同的 JDK 版本和平台，您可能会惊讶于不同的平均结果。

只有这样做才能让您最终确定使用 JNI 是否对您的目标环境有意义。

Answer 2

快速分析器测试结果：

Java 类：

public class Main {
    private static native int zero();

    private static int testNative() {
        return Main.zero();
    }

    private static int test() {
        return 0;
    }

    public static void main(String[] args) {
        testNative();
        test();
    }

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

C 库：

#include <jni.h>
#include "Main.h"

JNIEXPORT int JNICALL 
Java_Main_zero(JNIEnv *env, jobject obj)
{
    return 0;
}

结果：

系统详情：

java version "1.7.0_09"
OpenJDK Runtime Environment (IcedTea7 2.3.3) (7u9-2.3.3-1)
OpenJDK Server VM (build 23.2-b09, mixed mode)
Linux visor 3.2.0-4-686-pae #1 SMP Debian 3.2.32-1 i686 GNU/Linux

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更新：x86（32/64 位）和 ARMv6 的 Caliper 微基准测试如下：

Java 类：

public class Main extends SimpleBenchmark {
    private static native int zero();
    private Random random;
    private int[] primes;

    public int timeJniCall(int reps) {
        int r = 0;
        for (int i = 0; i < reps; i++) r += Main.zero();
        return r;
    }

    public int timeAddIntOperation(int reps) {
        int p = primes[random.nextInt(1) + 54];   // >= 257
        for (int i = 0; i < reps; i++) p += i;
        return p;
    }

    public long timeAddLongOperation(int reps) {
        long p = primes[random.nextInt(3) + 54];  // >= 257
        long inc = primes[random.nextInt(3) + 4]; // >= 11
        for (int i = 0; i < reps; i++) p += inc;
        return p;
    }

    @Override
    protected void setUp() throws Exception {
        random = new Random();
        primes = getPrimes(1000);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Runner.main(Main.class, args);        
    }

    public static int[] getPrimes(int limit) {
        // returns array of primes under $limit, off-topic here
    }

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

结果（x86/i7500/Hotspot/Linux）：

Scenario{benchmark=JniCall} 11.34 ns; σ=0.02 ns @ 3 trials
Scenario{benchmark=AddIntOperation} 0.47 ns; σ=0.02 ns @ 10 trials
Scenario{benchmark=AddLongOperation} 0.92 ns; σ=0.02 ns @ 10 trials

       benchmark     ns linear runtime
         JniCall 11.335 ==============================
 AddIntOperation  0.466 =
AddLongOperation  0.921 ==

结果（amd64/phenom 960T/Hostspot/Linux）：

Scenario{benchmark=JniCall} 6.66 ns; σ=0.22 ns @ 10 trials
Scenario{benchmark=AddIntOperation} 0.29 ns; σ=0.00 ns @ 3 trials
Scenario{benchmark=AddLongOperation} 0.26 ns; σ=0.00 ns @ 3 trials

   benchmark    ns linear runtime
         JniCall 6.657 ==============================
 AddIntOperation 0.291 =
AddLongOperation 0.259 =

结果（armv6/BCM2708/Zero/Linux）：

Scenario{benchmark=JniCall} 678.59 ns; σ=1.44 ns @ 3 trials
Scenario{benchmark=AddIntOperation} 183.46 ns; σ=0.54 ns @ 3 trials
Scenario{benchmark=AddLongOperation} 199.36 ns; σ=0.65 ns @ 3 trials

   benchmark  ns linear runtime
         JniCall 679 ==============================
 AddIntOperation 183 ========
AddLongOperation 199 ========

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总结一下，似乎 JNI 调用大致相当于典型 (x86) 硬件和 Hotspot VM 上的 10-25 个 java ops。毫不奇怪，在优化程度较低的 Zero VM 下，结果完全不同（3-4 个操作）。

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感谢@Giovanni Azua 和@Marko Topolnik 的参与和提示。

Answer 3

所以我刚刚使用带有 Profile Startup 附加组件的 Eclipse Mars IDE、JDK 1.8.0_74 和 VirtualVM profiler 1.3.8 在 64 位 Windows 8.1 上测试了对 C 的 JNI 调用的“延迟”。

设置：（两种方法）
SOMETHING() 传递参数、执行操作并返回参数
NOTHING() 传入相同的参数，对它们不做任何事情，并返回相同的参数。

（每个被调用 270 次）
SOMETHING() 的总运行时间：6523 毫秒
NOTHING() 的总运行时间：0.102ms

因此，在我的情况下，JNI 调用可以忽略不计。