C/C++與Java混合的JNI編程

Java與C++混合編程可以實現兩種語言的優勢結合，C++的程序性能很高且支持強大的系統調用能力，Java則生態豐富且開發效率較高。JNI是Java與C++進行混合編程的關鍵橋梁，本章將基于JNI技術講述Java與C++混合編程的方法和技巧。

1. Java與JNI

1.1. 什么是Java?

Java是一種高級編程語言，也是一個計算平臺(通常指Java虛擬機)。最初由Sun Microsystems公司（后被Oracle收購）的James Gosling和他的團隊在1995年發布。Java語言的設計目標是簡單性、健壯性和跨平臺兼容性。以下是Java的一些關鍵特點：

面向對象： Java是一種面向對象的語言，這意味著它基于對象和類的概念。對象代表現實世界中的實體或概念，而類是創建對象的模板。
平臺無關性： Java的一個核心特性是“一次編寫，到處運行”（Write Once, Run Anywhere，WORA）。Java程序在執行前會被編譯成字節碼，這種中間形式的代碼可以在任何安裝了Java虛擬機（JVM）的設備上運行。
自動內存管理： Java提供了自動垃圾回收機制，這意味著程序員不需要手動管理內存的分配和釋放，從而減少了內存泄漏和其他內存相關錯誤。
豐富的標準庫： Java擁有一個龐大的標準庫（也稱為Java API），提供了大量預先構建的類和接口，用于處理文件輸入/輸出、網絡編程、多線程編程、數據結構等。
跨平臺兼容性： Java不僅可以在不同的操作系統上運行，還可以在嵌入式系統、移動設備和大型服務器上運行。

Java的應用場景廣泛，是目前最流行的后端系統開發語言，此外Java還是Android系統的主要編程語言，絕大部分的Android應用程序都基于Java語言進行開發。

1.2. 什么是JVM?

JVM(Java Virtual Machine)是一個可以執行Java字節碼的虛擬計算機。它是Java平臺的核心組成部分，提供了Java程序運行所需的環境。JVM是Java語言能做到“一次編寫，到處運行”的基礎。以下是JVM的一些關鍵特點和功能：

平臺無關性：JVM的主要目的是實現Java的跨平臺特性。Java源代碼被編譯成平臺無關的字節碼，這些字節碼可以在任何安裝了相應JVM的設備上運行。
字節碼解釋器：JVM包含一個字節碼解釋器，它負責將字節碼轉換為特定平臺的機器碼。這個過程使得Java程序可以在不同的操作系統和硬件上運行。
即時編譯器（JIT）：為了提高性能，現代JVM通常包含一個即時編譯器。JIT編譯器會將熱點代碼（頻繁執行的代碼）編譯成優化的機器碼，以提高執行效率。
垃圾回收：JVM負責管理內存分配和回收。它提供了自動垃圾回收機制，幫助程序員管理內存，減少內存泄漏和其他內存相關錯誤。
安全沙箱：JVM提供了一個安全的執行環境，可以限制代碼對系統資源的訪問。這有助于防止惡意代碼對系統造成破壞。
類加載器：JVM包含一個類加載器子系統，負責動態加載、驗證和準備類文件以供執行。類加載器確保類文件的完整性和安全性。
本地接口：JVM提供了與本地庫交互的接口（如JNI，Java Native Interface），允許Java代碼調用本地代碼（C/C++等），以實現特定功能或性能優化。
多線程支持：JVM支持多線程執行，允許程序同時執行多個任務。

1.3. 什么是JNI?

JNI(Java Native Interface)是一個允許Java代碼與本地代碼(如：C/C++)進行交互的接口。通過JNI，Java應用程序可以調用本地庫中的函數，也可以被本地代碼調用，它是實現Java與C/C++混合編程的關鍵機制。

JNI主要包含以下兩部分內容：

Java代碼與本地代碼交互的接口。
支持JNI開發的一套開發工具，如： javah、javac等。

JNI接口的官方文檔：https://docs.oracle.com/en/java/javase/21/docs/specs/jni/index.html

1.4. 環境說明

本章所有的示例代碼的開發環境如下：

操作系統: Ubuntu 24.04
JDK版本： 21.0.5
GCC版本： 13.3.0
開發工具：VSCode

2. 開發環境搭建

2.1. Windows

在官網下載最新版本的安裝包，官網下載地址：https://www.oracle.com/cn/java/technologies/downloads/
雙擊安裝包，根據提示一步步安裝即可。
打開命令行輸入一下命令，驗證是否安裝成功，如果有顯示相應的版本號則說明安裝成功。
```
java -version
```

2.2. Linux(Ubuntu)

安裝JDK:

# 1. 更新軟件包列表
sudo apt update
# 3. 該命令將自動選擇并安裝最新的 LTS 版本，當前是 OpenJDK 21[5]。
sudo apt install default-jdk
# 3. 驗證是否安裝成功，如果有顯示相應的版本號則說明安裝成功。
java --version

設置環境變量：

# 1. 查找JDK的安裝路徑
update-alternatives --config java
There are 2 choices for the alternative java (providing /usr/bin/java).

  Selection    Path                                         Priority   Status
------------------------------------------------------------
* 0            /usr/lib/jvm/java-21-openjdk-amd64/bin/java   2111      auto mode
  1            /usr/lib/jvm/java-11-openjdk-amd64/bin/java   1111      manual mode

# 2. vim打開.zshrc(如果你的SHELL用的是.bashrc，替換成相應的.bashrc)
vim ~/.zshrc

# 3. 在文件末尾添加如下內容
export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-21-openjdk-amd64
export PATH=${JAVA_HOME}/bin:${PATH}

# 4. 重新加載配置
source ~/.zshrc

2.3. macOS

以下是通過Homebrew工具的安裝步驟，確保已經安裝Homebrew。

# 1. 更新軟件包列表
brew update
# 2.1 安裝Oracle JDK的最新版本
brew install oracle-jdk
# 2.2 安裝Open JDK的最新版本
brew install java
# 3. 驗證是否安裝成功，如果有顯示相應的版本號則說明安裝成功。
java --version

2.4. Open JDK與Oracle JDK

Java語言最初由Sun公司研發，并發布了Java SE(Standard Edition)的規范和開源的Open JDK。Sun公司后被Oracle公司收購，Oracle基于Open JDK開發了 Oracle JDK。

Open JDK是一個完全開源的項目，遵循GPL v2許可。任何人都可以下載、使用、修改和分發它的代碼。主要的Linux發行版(如：Fedora，Ubuntu等)提供OpenJDK作為默認的Java SE實現。

Oracle JDK則基于Open JDK構建，但包含一些閉源組件，如Java插件、Java WebStart的實現和一些第三方組件。這些組件包括了一些商業功能，未開源。

Open JDK和Oracle JDK都遵循Java SE的規范，只是Oracle JDK提供了更多商業版的未開源的功能。

3. `Say Hello`程序

3.1. 新建`SayHello.java`

新建一個say_hello的測試目錄，然后在該目錄下新建一個SayHello.java文件，并編寫如下代碼：

public class SayHello {

    // 類方法
    private native void sayHello(String name);

    // 靜態方法
    private static native void sayGoodbye(String name);

    static {
        // 在程序初始化時加載native動態庫(libhello.so)
        System.loadLibrary("hello");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new SayHello().sayHello("Spencer");
        SayHello.sayGoodbye("陌塵");
    }
}

說明：

這里有兩個被聲明為native的方法，表示這兩個方法需要native代碼(C/C++)實現。這里一個是普通的類成員方法，一個是靜態的類方法。
```
private native void sayHello(String name);
private static native void sayGoodbye(String name);
```
static包含的代碼塊，表示在程序初始化時加載native動態庫(libhello.so)
```
static {
    System.loadLibrary("hello");
}
```

3.2. 編譯`SayHello.java`

javac ./SayHello.java

執行完成后，會生成一個SayHello.class的字節碼文件。

3.3. 生成`SayHello.h`

執行以下命令生成native代碼的頭文件

# JDK 9.0 之前
javah -cp ./ -d ./ SayHello
# `-cp ./`表示設置classpath為當前目錄，在當前目錄下查找.class文件
# `-d ./`表示設置頭文件的輸出目錄為當前目錄

# JDK 9.0 及之后
javac -h ./ ./SayHello.java
# 第一個`./` 表示設置頭文件的輸出目錄為當前目錄

執行成功后會在當前目錄下生成SayHello.h頭文件，內容如下：

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class SayHello */

#ifndef _Included_SayHello
#define _Included_SayHello
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     SayHello
 * Method:    sayHello
 * Signature: (Ljava/lang/String;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_SayHello_sayHello
  (JNIEnv *, jobject, jstring);

/*
 * Class:     SayHello
 * Method:    sayGoodbye
 * Signature: (Ljava/lang/String;)V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_SayHello_sayGoodbye
  (JNIEnv *, jclass, jstring);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

代碼說明：

頭文件中包含兩個函數分別和.java中的兩個方法一一對應。
函數聲明中開通的部分JNIEXPORT void JNICALL，這個與《導出接口的定義》一文中的EAPI int CALLType是不是非常類似？是的，它就是JNI提供的動態庫導出接口聲明和調用約定聲明。
函數的命名非常有規律，其實它是遵循了JNI的函數命名規范：
```
Java_{package_name}_{class_name}_{function_name}(JNI arguments)。
```
函數的參數
- 第一個參數：JNIEnv *env是一個指向JNI運行環境的指針，提供了JNI接口的各種功能函數。
- 第二個參數：
  - 如果是一個普通的成員方法則參數為jobject obj，指代java中的this對象，可以通過該參數來獲取Java對象的方法和屬性。
  - 如果是一個靜態的類方法則參數為jclass cls，指代java中的類，可以通過該參數來獲取Java類的靜態方法和靜態屬性。
- 其他參數：按從左到右的順序與.java中聲明的方法的參數一一對應。

3.4. 實現`SayHello.cp`

新建SayHello.cpp文件，并實現頭文件聲明的兩個函數，內容如下：

#include "SayHello.h"
#include <iostream>

JNIEXPORT void JNICALL Java_SayHello_sayHello(JNIEnv* env, jobject obj, jstring name)
{
    // 將jstring轉化成C風格的UTF-9字符串
    const char* cName = env->GetStringUTFChars(name, nullptr);
    if (cName == nullptr)
    {
        return;
    }
    std::cout << "Hello, " << cName << "!" << std::endl;
}

JNIEXPORT void JNICALL Java_SayHello_sayGoodbye(JNIEnv* env, jclass cls, jstring name)
{
    // 將jstring轉化成C風格的UTF-9字符串
    const char* cName = env->GetStringUTFChars(name, nullptr);
    if (cName == nullptr)
    {
        return;
    }
    std::cout << "Goodbye, " << cName << "!" << std::endl;
}

3.5. 編譯`SayHello.cpp`

g++ -shared -fPIC -I${JAVA_HOME}/include -I${JAVA_HOME}/include/linux SayHello.cpp -o libhello.so

執行成功后會生成libhello.so文件。

3.6. 運行`SayHello`程序

java -Djava.library.path=./ SayHello
Hello, Spencer!
Goodbye, 陌塵!

-Djava.library.path=./表示在當前目錄下查找libhello.so。

4. JNI開發的關鍵步驟

根據前面“Say Hello程序”的示例，可以總結出JNI開發的關鍵步驟和原理如下：

本地方法聲明：在Java中，你可以聲明一個或多個本地方法，這些方法沒有Java實現，而是通過JNI與本地代碼關聯。
生成頭文件：使用javah(或javac -h)工具從Java類生成C/C++頭文件，該頭文件包含JNI函數的原型。
實現本地方法：在C或C++代碼中實現這些本地方法。這些方法必須遵循JNI的調用約定和數據類型規范。
編譯和加載：編譯本地代碼并生成動態鏈接庫(如.so、.dll或.dylib文件)，然后在Java程序中加載這些庫。
調用本地方法：Java程序可以通過JNI調用這些本地方法，就像調用普通Java方法一樣。

5. 數據類型的對應關系

5.1. 對應關系

JNI定義了一套以j開頭的C/C++的數據類型，與Java進行一一對應，他們之間的對應關系如下：

分類	Java數據類型	JNI數據類型	C/C++數據類型
基礎類型	boolean	jboolean	`unsigned char`,相當于`uint8_t`。
基礎類型	byte	jbyte	`signed char`,相當于`int8_t`。
基礎類型	char	jchar	`unsigned short`,相當于`uint16_t`。
基礎類型	short	jshort	`short`,相當于`int16_t`。
基礎類型	int	jint	`int`,相當于`int32_t`。
基礎類型	long	jlong	`long`,相當于`int64_t`。
基礎類型	float	jfloat	`float`，4字節
基礎類型	double	jdouble	`double`，8字節
引用類型	Object	jobject	jobject的定義： `class _jobject {};` `typedef _jobject jobject;` 所以jobject的作用類似于`void`，表示通用對象指針。
引用類型	Class	jclass	`class _jclass : public _jobject {};` `typedef _jclass *jclass;`
引用類型	String	jstring	`class _jstring : public _jobject {};` `typedef _jstring *jstring;`
引用類型	數組	jarray	`class _jarray : public _jobject {};` `typedef _jarray *jarray;`
引用類型	Throwable	jthrowable	`class _jthrowable : public _jobject {};` `typedef _jthrowable *jthrowable;`

5.2. 類型說明

Java的數據類型分基礎數據類型(如int)和引用數據類型(如：Object、Class)。

基礎數據類型： 會直接轉換為C/C++的基礎數據類型，例如int類型映射為jint類型。由于 jint是C/C++類型，所以可以直接當作普通C/C++變量使用，而不用做任何轉換。
引用數據類型： 對象只會轉換為一個C/C++指針，例如Object類型映射為jobject類型。由于指針指向Java虛擬機內部的數據結構，所以不可能直接在C/C++代碼中操作對象，而是需要依賴JNIEnv環境對象。另外，為了避免對象在使用時突然被回收，在本地方法返回前，虛擬機會固定(pin)對象，阻止其 GC。

Java中的數組對應于C/C++中的jarray，它是一個通用的數組類型。而具體數據類型的數組，對應于Java數組的特定類型，對應關系如下。

Java數據類型	JNI數據類型
boolean[]	jbooleanArray
byte[]	jbyteArray
char[]	jcharArray
short[]	jshortArray
int[]	jintArray
long[]	jlongArray
float[]	jfloatArray
double[]	jdoubleArray
Object[]	jobjectArray

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附錄A：計算機術語中成對出現的單詞

附錄B：計算機術語中常見的單詞縮寫

附錄C：本專欄源碼倉庫及說明

大家好，我是陌塵。

IT從業10年+, 北漂過也深漂過，目前暫定居于杭州，未來不知還會飄向何方。

搞了8年C++，也干過2年前端；用Python寫過書，也玩過一點PHP，未來還會折騰更多東西，不死不休。

感謝大家的關注，期待與你一起成長。

【SunLogging】

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posted @ 2025-08-08 07:41 陌塵(MoChen) 閱讀(307) 評論(1) 收藏舉報

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陽光日志

向著陽光，每天進步一點點！

C/C++與Java混合的JNI編程

1. Java與JNI

1.1. 什么是Java?

1.2. 什么是JVM?

1.3. 什么是JNI?

1.4. 環境說明

2. 開發環境搭建

2.1. Windows

2.2. Linux(Ubuntu)

2.3. macOS

2.4. Open JDK與Oracle JDK

3. `Say Hello`程序

3.1. 新建`SayHello.java`

3.2. 編譯`SayHello.java`

3.3. 生成`SayHello.h`

3.4. 實現`SayHello.cp`

3.5. 編譯`SayHello.cpp`

3.6. 運行`SayHello`程序

4. JNI開發的關鍵步驟

5. 數據類型的對應關系

5.1. 對應關系

5.2. 類型說明

公告

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C/C++與Java混合的JNI編程

1. Java與JNI

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3.2. 編譯SayHello.java

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