Hello Project Panama, on Java17

Posted on 2021/10/08

はじめに

Hello Project Panama – 発火後忘失

で、 Project Panama (リンク1, リンク2) の機能を利用して、 Java から Rust を呼び出してみました。

当時(Java14)は Project Panama 用にビルドされた JDK を利用する必要がありましたが、 Java17 では incubator ではあるものの JEP 412: Foreign Function & Memory API が標準 JDK に導入された

Java 17新機能まとめ - Qiita

ので、標準の JDK でも冒頭にリンクしたコード相当のものをビルド、実行できるようになりました(※ 後述の通り jextract コマンドは標準 JDK に含まれていないので別途取得する必要があります)。

API, jextract コマンド引数など、 Java14 当時と結構変わっていましたので、改めて project Panama を使って Hello, world してみたいと思います。

今回の成果物は次のリンク先にあります:

https://github.com/yukihane/hello-java/tree/master/project-panama/java17

環境

Ubuntu 20.04
- 後で Windows10 上でも試してみましたが、こちらも上手く動作しました
Java Corretto-17.0.0.35.1
jextract Build 17-panama+3-167 (2021/5/18)
rustc 1.55.0

作成手順

Rust でダイナミックリンクライブラリ作成

greeter という名前でプロジェクトを作成します。プロジェクトルートディレクトリで次のコマンドを実行します。

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cargo new --lib greeter
cd greeter

libc クレートを依存関係に追加します。また、ダイナミックリンクライブラリを生成するように crate-type に cdylib を設定します。

Cargo.toml

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[dependencies]
libc = "0.2.103"
[lib]
crate-type = ["cdylib"]

Rust 側で行う処理を実装します。

src/lib.rs

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use libc::size_t;
use std::ffi::{CStr, CString};
use std::os::raw::c_char;

#[no_mangle]
pub unsafe extern "C" fn greet(name: *const c_char, message: *mut c_char, count: size_t) {
    let name = CStr::from_ptr(name);
    let name = name.to_str().unwrap();
    let text = format!("こんにちは、{}！", name);
    let text = CString::new(text).unwrap();

    message.copy_from(text.as_ptr(), count);
}

ビルドします。

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cargo build --release

参考

ダイナミックリンクライブラリの C ヘッダ自動生成

上で作成したライブラリのヘッダファイルを自動生成します。

cbindgen コマンドをインストールします。

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cargo install --force cbindgen

プロジェクトルートディレクトリで次のコマンドを実行します。

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cbindgen -l c -o bridges/greeter.h greeter

上記コマンド実行により bridges/greeter.h ヘッダファイルが生成されます。

bridges/greeter.h

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#include <stdarg.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>

void greet(const char *name, char *message, size_t count);

C ヘッダから Java API 自動生成

jextract コマンドを利用してヘッダファイルから Java API を自動生成します。

jextract コマンドは Project Panama の Early Access Build をダウンロードし展開すると bin ディレクトリ下にあります。

プロジェクトルートディレクトリで次のコマンドを実行します。

/path/to/jextract \
-l greeter \
-d classes \
-t com.example \
./bridges/greeter.h

上記コマンドを実行すると classes ディレクトリ下にクラスファイルが生成されます。

補足/参考

上で自動生成した bridges/greeter.h は、実際には不必要なインクルードを含んでいます。これを削減し、 #include <stddef.h> (size_t を定義しているヘッダファイル) だけにすると、ここで自動生成されるファイルも減ります。
jextract コマンドに --source オプションを付与すると、 .class ファイルでなく .java ファイルが生成されます。
jextract コマンドの詳細は次のリンク先を参照:
- Using the jextract tool - openjdk/panama-foreign
  - 同階層 doc ディレクトリには他にも参考になるドキュメントあり

呼び出し側を Java で実装

jdk.incubator.foreign 機能を用いてメモリ領域を確保し、自動生成した API com.example.greeter_h.greeter() を呼ぶコードを実装します。

src/Main.java

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import static com.example.greeter_h.*;
import static jdk.incubator.foreign.CLinker.*;

import jdk.incubator.foreign.*;
import java.awt.BorderLayout;
import java.io.Serial;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import javax.swing.*;

public class Main extends JFrame {

    @Serial
    private static final long serialVersionUID = 4648172894076113183L;

    public Main() {
        super("Rust GUI Frontend by Java Swing");
        setLayout(new BorderLayout());

        final JTextField nameField = new JTextField(20);

        final JTextField outputField = new JTextField(30);
        outputField.setEditable(false);

        final JButton greetButton = new JButton("greet");
        greetButton.addActionListener((e) -> {
            try (ResourceScope scope = ResourceScope.newConfinedScope()) {
                final SegmentAllocator allocator = SegmentAllocator.ofScope(scope);
                final MemorySegment name = toCString(nameField.getText(), scope);
                final long size = 256;
                final MemorySegment message = allocator.allocateArray(C_CHAR, size);

                greet(name, message, size);

                // Project PanamaのJDKには存在するが、通常のJDK17には無い
                // final String retval = toJavaString(message, StandardCharsets.UTF_8);
                final String retval = toJavaString(message);
                outputField.setText(retval);
            }
        });

        add(nameField, BorderLayout.WEST);
        add(greetButton, BorderLayout.EAST);
        add(outputField, BorderLayout.SOUTH);
        pack();
    }

    public static void main(final String[] args) {
        SwingUtilities.invokeLater(() -> {
            final Main app = new Main();
            app.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
            app.setVisible(true);
        });
    }
}

補足

IDE を用いる場合、次のリンク先に IntelliJ の設定方法が説明されています。
- https://github.com/carldea/panama4newbies/blob/main/README.md
  - こちらのリンク、IDE の設定方法だけでなく、 Project Panama 全体の説明もわかりやすいと思います

Java コードビルド

上記のコードを JDK17 でビルドするには --add-modules jdk.incubator.foreign オプションを付与する必要があります。

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javac \
-encoding utf-8 \
-d ./classes \
-cp ./classes \
--add-modules jdk.incubator.foreign \
./src/Main.java

実行

--enable-native-access=ALL-UNNAMED, --add-modules jdk.incubator.foreign オプションが必要です。

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LD_LIBRARY_PATH=./greeter/target/release \
java \
-Dfile.encoding=utf-8 \
--enable-native-access=ALL-UNNAMED \
--add-modules jdk.incubator.foreign \
-cp ./classes Main

参考/補足

Windows で実行する場合、 LD_LIBRARY_PATH は機能しません。代わりに、 ./greeter/target/release/greeter.dll をカレントディレクトリにコピーしてから上のコマンドを実行します。
Using the jextract tool > Running the Java code that invokes helloworld