C/C++与Java混合的JNI编程
Java与C++混合编程可以实现两种语言的优势结合，C++的程序性能很高且支持强大的系统调用能力，Java则生态丰富且开发效率较高。JNI是Java与C++进行混合编程的关键桥梁，本章将基于JNI技术讲述Java与C++混合编程的方法和技巧。1. Java与JNI
1.1. 什么是Java?
Java是一种高级编程语言，也是一个计算平台(通常指Java虚拟机)。最初由Sun Microsystems公司（后被Oracle收购）的James Gosling和他的团队在1995年发布。Java语言的设计目标是简单性、健壮性和跨平台兼容性。以下是Java的一些关键特点：
[*]面向对象： Java是一种面向对象的语言，这意味着它基于对象和类的概念。对象代表现实世界中的实体或概念，而类是创建对象的模板。
[*]平台无关性： Java的一个核心特性是“一次编写，到处运行”（Write Once, Run Anywhere，WORA）。Java程序在执行前会被编译成字节码，这种中间形式的代码可以在任何安装了Java虚拟机（JVM）的设备上运行。
[*]自动内存管理： Java提供了自动垃圾回收机制，这意味着程序员不需要手动管理内存的分配和释放，从而减少了内存泄漏和其他内存相关错误。
[*]丰富的标准库： Java拥有一个庞大的标准库（也称为Java API），提供了大量预先构建的类和接口，用于处理文件输入/输出、网络编程、多线程编程、数据结构等。
[*]跨平台兼容性： Java不仅可以在不同的操作系统上运行，还可以在嵌入式系统、移动设备和大型服务器上运行。
Java的应用场景广泛，是目前最流行的后端系统开发语言，此外Java还是Android系统的主要编程语言，绝大部分的Android应用程序都基于Java语言进行开发。
1.2. 什么是JVM?
JVM(Java Virtual Machine)是一个可以执行Java字节码的虚拟计算机。它是Java平台的核心组成部分，提供了Java程序运行所需的环境。JVM是Java语言能做到“一次编写，到处运行”的基础。以下是JVM的一些关键特点和功能：
[*]平台无关性：JVM的主要目的是实现Java的跨平台特性。Java源代码被编译成平台无关的字节码，这些字节码可以在任何安装了相应JVM的设备上运行。
[*]字节码解释器：JVM包含一个字节码解释器，它负责将字节码转换为特定平台的机器码。这个过程使得Java程序可以在不同的操作系统和硬件上运行。
[*]即时编译器（JIT）：为了提高性能，现代JVM通常包含一个即时编译器。JIT编译器会将热点代码（频繁执行的代码）编译成优化的机器码，以提高执行效率。
[*]垃圾回收：JVM负责管理内存分配和回收。它提供了自动垃圾回收机制，帮助程序员管理内存，减少内存泄漏和其他内存相关错误。
[*]安全沙箱：JVM提供了一个安全的执行环境，可以限制代码对系统资源的访问。这有助于防止恶意代码对系统造成破坏。
[*]类加载器：JVM包含一个类加载器子系统，负责动态加载、验证和准备类文件以供执行。类加载器确保类文件的完整性和安全性。
[*]本地接口：JVM提供了与本地库交互的接口（如JNI，Java Native Interface），允许Java代码调用本地代码（C/C++等），以实现特定功能或性能优化。
[*]多线程支持：JVM支持多线程执行，允许程序同时执行多个任务。
1.3. 什么是JNI?
JNI(Java Native Interface)是一个允许Java代码与本地代码(如：C/C++)进行交互的接口。通过JNI，Java应用程序可以调用本地库中的函数，也可以被本地代码调用，它是实现Java与C/C++混合编程的关键机制。
JNI主要包含以下两部分内容：
[*]Java代码与本地代码交互的接口。
[*]支持JNI开发的一套开发工具，如： javah、javac等。
JNI接口的官方文档：https://docs.oracle.com/en/java/javase/21/docs/specs/jni/index.html
1.4. 环境说明
本章所有的示例代码的开发环境如下：
[*]操作系统: Ubuntu 24.04
[*]JDK版本： 21.0.5
[*]GCC版本： 13.3.0
[*]开发工具：VSCode
2. 开发环境搭建
2.1. Windows
[*]在官网下载最新版本的安装包，官网下载地址：https://www.oracle.com/cn/java/technologies/downloads/
[*]双击安装包，根据提示一步步安装即可。
[*]打开命令行输入一下命令，验证是否安装成功，如果有显示相应的版本号则说明安装成功。
java -version
2.2. Linux(Ubuntu)
安装JDK:
# 1. 更新软件包列表
sudo apt update
# 3. 该命令将自动选择并安装最新的 LTS 版本，当前是 OpenJDK 21。
sudo apt install default-jdk
# 3. 验证是否安装成功，如果有显示相应的版本号则说明安装成功。
java --version设置环境变量：
# 1. 查找JDK的安装路径
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打开.zshrc(如果你的SHELL用的是.bashrc，替换成相应的.bashrc)
vim ~/.zshrc
# 3. 在文件末尾添加如下内容
export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-21-openjdk-amd64
export PATH=${JAVA_HOME}/bin:${PATH}
# 4. 重新加载配置
source ~/.zshrc2.3. macOS
以下是通过Homebrew工具的安装步骤，确保已经安装Homebrew。
# 1. 更新软件包列表
brew update
# 2.1 安装Oracle JDK的最新版本
brew install oracle-jdk
# 2.2 安装Open JDK的最新版本
brew install java
# 3. 验证是否安装成功，如果有显示相应的版本号则说明安装成功。
java --version2.4. Open JDK与Oracle JDK
Java语言最初由Sun公司研发，并发布了Java SE(Standard Edition)的规范和开源的Open JDK。Sun公司后被Oracle公司收购，Oracle基于Open JDK开发了 Oracle JDK。
Open JDK是一个完全开源的项目，遵循GPL v2许可。任何人都可以下载、使用、修改和分发它的代码。主要的Linux发行版(如：Fedora，Ubuntu等)提供OpenJDK作为默认的Java SE实现。
Oracle JDK则基于Open JDK构建，但包含一些闭源组件，如Java插件、Java WebStart的实现和一些第三方组件。这些组件包括了一些商业功能，未开源。
Open JDK和Oracle JDK都遵循Java SE的规范，只是Oracle JDK提供了更多商业版的未开源的功能。
3. Say Hello程序
3.1. 新建SayHello.java
新建一个say_hello的测试目录，然后在该目录下新建一个SayHello.java文件，并编写如下代码：
public class SayHello {
// 类方法
private native void sayHello(String name);
// 静态方法
private static native void sayGoodbye(String name);
static {
// 在程序初始化时加载native动态库(libhello.so)
System.loadLibrary("hello");
}
public static void main(String[] args) {
new SayHello().sayHello("Spencer");
SayHello.sayGoodbye("陌尘");
}
}说明：
[*]这里有两个被声明为native的方法，表示这两个方法需要native代码(C/C++)实现。这里一个是普通的类成员方法，一个是静态的类方法。
private native void sayHello(String name);
private static native void sayGoodbye(String name);
[*]static包含的代码块，表示在程序初始化时加载native动态库(libhello.so)
static {
System.loadLibrary("hello");
}
3.2. 编译SayHello.java
javac ./SayHello.java执行完成后，会生成一个SayHello.class的字节码文件。
3.3. 生成SayHello.h
执行以下命令生成native代码的头文件
# JDK 9.0 之前
javah -cp ./ -d ./ SayHello
# `-cp ./`表示设置classpath为当前目录，在当前目录下查找.class文件
# `-d ./`表示设置头文件的输出目录为当前目录
# JDK 9.0 及之后
javac -h ./ ./SayHello.java
# 第一个`./` 表示设置头文件的输出目录为当前目录执行成功后会在当前目录下生成SayHello.h头文件，内容如下：
/* 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代码说明：
[*]头文件中包含两个函数分别和.java中的两个方法一一对应。
[*]函数声明中开通的部分JNIEXPORT void JNICALL，这个与《导出接口的定义》一文中的EAPI int CALLType是不是非常类似？是的，它就是JNI提供的动态库导出接口声明和调用约定声明。
[*]函数的命名非常有规律，其实它是遵循了JNI的函数命名规范：
Java_{package_name}_{class_name}_{function_name}(JNI arguments)。
[*]函数的参数
[*]第一个参数：JNIEnv *env是一个指向JNI运行环境的指针，提供了JNI接口的各种功能函数。
[*]第二个参数：
[*]如果是一个普通的成员方法则参数为jobject obj，指代java中的this对象，可以通过该参数来获取Java对象的方法和属性。
[*]如果是一个静态的类方法则参数为jclass cls，指代java中的类，可以通过该参数来获取Java类的静态方法和静态属性。
[*]其他参数： 按从左到右的顺序与.java中声明的方法的参数一一对应。
3.4. 实现SayHello.cp
新建SayHello.cpp文件，并实现头文件声明的两个函数，内容如下：
#include "SayHello.h"#include JNIEXPORT void JNICALL Java_SayHello_sayHello(JNIEnv* env, jobject obj, jstring name){ // 将jstring转化成C风格的UTF-9字符串 const char* cName = env->GetStringUTFChars(name, nullptr); if (cName == nullptr) { return; } std::cout
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