为什么我们要考虑 Java 和 Rust 之间这种不太正统的结合呢？

  • 性能：Rust 的速度非常快，通常可以媲美甚至超过 C/C++。
  • 内存安全：Rust 的借用检查器就像代码的严格家长，确保其安全无虞。
  • 低级控制：有时候你需要直接操作底层硬件。
  • 互操作性：Rust 可以很好地与其他语言协作，非常适合扩展现有系统。

现在，你可能会问：“如果 Rust 这么安全，为什么我们还要使用不安全的 Rust？”好问题！虽然 Rust 的安全性保证非常出色，但有时我们需要突破这些界限，以榨取每一滴性能。这就像摘掉辅助轮——令人兴奋，但要小心行事！

设置开发环境

在我们深入代码之前，先确保工具准备就绪：

  1. 安装 Rust（如果还没有安装）：https://www.rust-lang.org/tools/install
  2. 设置一个 Java 项目（假设你已经完成这一步）

创建一个新的 Rust 库项目：

cargo new --lib rust_extension

现在一切准备就绪，让我们开始动手吧！

Java 端：准备起飞

首先，我们需要设置 Java 代码以调用即将创建的 Rust 函数。我们将使用 Java 本地接口（JNI）来桥接 Java 和 Rust 之间的差距。


public class RustPoweredCalculator {
    static {
        System.loadLibrary("rust_extension");
    }

    public static native long fibonacci(long n);

    public static void main(String[] args) {
        long result = fibonacci(50);
        System.out.println("Fibonacci(50) = " + result);
    }
}

这里没有什么特别复杂的。我们声明了一个本地方法 fibonacci，将在 Rust 中实现。static 块加载我们将要创建的 Rust 库。

Rust 端：魔法发生的地方

现在，让我们创建 Rust 实现。这是事情变得有趣的地方！


use std::os::raw::{c_long, c_jlong};
use jni::JNIEnv;
use jni::objects::JClass;

#[no_mangle]
pub unsafe extern "system" fn Java_RustPoweredCalculator_fibonacci(
    _env: JNIEnv,
    _class: JClass,
    n: c_jlong
) -> c_jlong {
    fibonacci(n as u64) as c_jlong
}

fn fibonacci(n: u64) -> u64 {
    if n <= 1 {
        return n;
    }
    let mut a = 0;
    let mut b = 1;
    for _ in 2..=n {
        let temp = a + b;
        a = b;
        b = temp;
    }
    b
}

让我们来分解一下：

  • 我们使用 jni crate 来处理 JNI 接口。
  • #[no_mangle] 属性确保我们的函数名不会被 Rust 编译器修改。
  • 我们将函数声明为 unsafe extern "system" 以符合 JNI 的期望。
  • 实际的斐波那契计算在一个单独的安全函数中完成。

构建桥梁：编译和链接

现在到了棘手的部分：将我们的 Rust 代码编译成 Java 可以使用的库。在 Cargo.toml 中添加以下内容：


[lib]
name = "rust_extension"
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
jni = "0.19.0"

要构建库，运行：

cargo build --release

这将在 target/release/ 中生成一个共享库。将其复制到 Java 代码可以找到的位置。

真相时刻：运行我们的混合野兽

现在，让我们编译并运行 Java 代码：


javac RustPoweredCalculator.java
java -Djava.library.path=. RustPoweredCalculator

如果一切顺利，你应该会看到第 50 个斐波那契数被打印出来，比你说“Rust 真棒！”还要快！

性能比较：Java vs Rust

让我们做一个快速基准测试，看看我们的 Rust 实现与纯 Java 的对比：


public class JavaFibonacci {
    public static long fibonacci(long n) {
        if (n <= 1) return n;
        long a = 0, b = 1;
        for (long i = 2; i <= n; i++) {
            long temp = a + b;
            a = b;
            b = temp;
        }
        return b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.nanoTime();
        long result = fibonacci(50);
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("Fibonacci(50) = " + result);
        System.out.println("Time taken: " + (end - start) / 1_000_000.0 + " ms");
    }
}

运行两个版本并比较结果。你可能会对 Rust 版本的速度感到惊讶，尤其是在处理更大输入时！

黑暗面：不安全 Rust 的危险

虽然我们获得了显著的性能提升，但重要的是要记住，强大的能力伴随着巨大的责任。不安全的 Rust 如果处理不当，可能导致内存泄漏、段错误和其他意外问题。

需要注意的一些潜在陷阱：

  • 在没有适当检查的情况下解引用原始指针
  • 处理 JNI 对象时的不正确内存管理
  • 多线程环境中的竞争条件
  • 由于违反 Rust 的安全保证而导致的未定义行为

始终彻底测试你的不安全 Rust 代码，并尽可能使用安全抽象。

超越斐波那契：现实世界的应用

现在我们已经涉足 Rust 驱动的 Java 扩展的世界，让我们探索一些这种方法可以大放异彩的现实场景：

  1. 图像处理：在 Rust 中实现复杂的图像滤镜或变换，以获得极快的性能。
  2. 加密：利用 Rust 的速度进行计算密集型的加密操作。
  3. 数据压缩：实现自定义压缩算法，超越 Java 的内置选项。
  4. 机器学习：通过将繁重的计算任务交给 Rust 来加速模型训练或推理。
  5. 游戏引擎：使用 Rust 进行物理模拟或其他性能关键的游戏组件。

顺利航行的提示

在你开始用 Rust 重写整个 Java 代码库之前（虽然很诱人，我知道），这里有一些提示需要记住：

  • 首先分析你的 Java 代码，以识别真正的瓶颈。
  • 从小处着手：从独立的、性能关键的函数开始。
  • 使用 cargo-expand 等工具检查不安全 Rust 函数生成的代码。
  • 考虑使用 jni-rs crate，以获得更安全、更符合人体工程学的 JNI 体验。
  • 如果你的应用程序需要在多个操作系统上运行，不要忘记跨平台兼容性。

总结：两全其美

我们只是触及了将 Rust 的强大功能与 Java 的灵活性结合起来的可能性。通过在代码的性能关键部分战略性地使用不安全的 Rust，你可以实现纯 Java 应用程序难以企及的速度。

记住，强大的能力伴随着巨大的责任。谨慎使用不安全的 Rust，始终优先考虑安全，并彻底测试你的代码。祝编码愉快，愿你的应用程序永远快速而强大！

“在软件的世界里，性能为王。但在性能的王国里，Rust 和 Java 形成了一个难以击败的联盟。” - 可能是某位聪明的程序员

现在去优化吧！如果有人问你为什么要混合使用 Rust 和 Java，就告诉他们你在练习编程炼金术。谁知道呢，也许你会把代码变成金子！