从多个Java线程调用不可重入的本机共享库

Question

我有一些Java代码，它使用JNA调用一些本机代码，这些代码最初是用Fortran编写的。（这是一个数字库，许多数学工作者用Fortran编写代码。）它被编译成。因此库，请参见以下内容：

• Fortran：https://github.com/mizzao/libmao/tree/master/src/main/fortran

在代码中进行单元测试时，我得到了很好的结果，但后来我尝试使用多线程的代码，结果一切都失败了，出现了奇怪的错误。然后我研究了一些关于可重入Fortran代码的内容，发现我使用的库相当于一些全局变量（Fortran中的SAVEkeywords，在再次调用函数时记住变量的值：Fortran SAVE语句）

目前，我正在将对库的调用包装在同步的块中，但这大大阻碍了性能。在我看来，重新设计可重入库需要付出很大的努力（它有几千行数字代码，并且不清楚子程序运行时这些值是如何传递的）。）有人知道解决这个问题的最好方法吗？我的想象表明...

• 有没有办法让每个Java线程在内存中加载共享库的单独副本，以便全局变量有效地是线程本地的？这可能吗？我不确定JNA的直接绑定或库绑定是如何工作的，以及是否有这样使用它的方法。
• 即使从不同的VM调用，它仍然会被拧吗？我怎么检查才能确定？
• 有没有办法让gfortran（gcc）以可重入的方式编译Fortran代码？
• 是否有一些快速和肮脏的方法使Fortran代码可重入？我已经搜索了RECURSIVE关键字，它显然将变量保留在堆栈上，但这似乎与现有代码不兼容。
• 还有其他可能的解决方案吗？

我确认多个VM的情况正常；这是有意义的，因为它们不共享内存。仍然是PITA，比线程更不方便。

Answer 1

我不确定每个线程是否都有一个单独的库实例，但是我在几年前做了一件事：让操作系统为您制作Reentrant。

我最终在Unix机器上创建了一个应用程序实例池，并使用网络套接字与它们通信——每个进程都在监听自己的套接字。

即使库不是可重入的，作为一个单独的过程启动它也可以...也许您可以在库周围编写一个薄的unix包装器，并通过您自己的专有协议进行通信。

Answer 2

作为参考，我只想与大家分享我为此实现的以下类。它获取给定的库和接口，制作n副本，并将JNA代理接口映射到每个副本，然后返回另一个实现线程安全锁定的代理接口，创建一个可重入的版本，该版本可以运行最多一个处理器的数量。

public class LibraryReplicator<C> {

    final BlockingQueue<C> libQueue;
    final Class<C> interfaceClass;
    final C proxiedInterface;

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public LibraryReplicator(URL libraryResource, Class<C> interfaceClass, int copies) throws IOException {
        if (!interfaceClass.isInterface()) 
            throw new RuntimeException(interfaceClass + "is not a valid interface to map to the library.");

        libQueue = new LinkedBlockingQueue<C>(copies);
        this.interfaceClass = interfaceClass;

        // Create copies of the file and map them to interfaces
        String orig = libraryResource.getFile();
        File origFile = new File(orig);
        for( int i = 0; i < copies; i++ ) {
            File copy = new File(orig + "." + i);
            Files.copy(origFile, copy);                     

            C libCopy = (C) Native.loadLibrary(copy.getPath(), interfaceClass);         
            libQueue.offer(libCopy); // This should never fail
        }               

        proxiedInterface = (C) Proxy.newProxyInstance(
                interfaceClass.getClassLoader(), 
                new Class[] { interfaceClass }, 
                new BlockingInvocationHandler());
    }

    public LibraryReplicator(URL libraryResource, Class<C> interfaceClass) throws IOException {
        this(libraryResource, interfaceClass, Runtime.getRuntime().availableProcessors());
    }

    public C getProxiedInterface() {
        return proxiedInterface;
    }

    /*
     * Invocation handler that uses the queue to grab locks and maintain thread safety.  
     */
    private class BlockingInvocationHandler implements InvocationHandler {
        @Override
        public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Exception {
            C instance = null;

            // Grab a copy of the library out of the queue          
            do {
                try { instance = libQueue.take(); }
                catch(InterruptedException e) {}
            } while(instance == null);

            // Invoke the method
            Object result = method.invoke(instance, args);

            // Return the library to the queue
            while(true) {
                try { libQueue.put(instance); break; }
                catch( InterruptedException e ) {} 
            } 

            return result;
        }       
    }

}

作为静态初始值设定项的一部分，示例用法如下：

MvnPackGenz lib = new LibraryReplicator<MvnPackGenz>(
        MvnPackGenz.class.getClassLoader().getResource("mvnpack.so"), 
        MvnPackGenz.class).getProxiedInterface();

这将创建库的一堆副本（在我的例子中是12个），创建lib变量，上面的“看起来”是可重新进入的，并且可以由多个线程安全运行：

-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 13:55 mvnpack.so
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.0
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.1
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.10
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.11
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.2
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.3
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.4
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.5
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.6
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.7
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.8
-rw-r--r-- 1 mao mao 50525 Sep 26 18:21 mvnpack.so.9

您可以在以下位置看到更新版本：

https://github.com/mizzao/libmao/blob/master/src/main/java/net/andrewmao/misc/LibraryReplicator.java