C/C++与Java混合的JNI编程

茅香馨 · 2025-8-8 05:53:36

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。
1. java -version
复制代码

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[5]。
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

复制代码

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 ~/.zshrc

复制代码

2.3. 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 --version

复制代码

2.4. 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");
}
}

复制代码

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。
1. private native void sayHello(String name);
2. private static native void sayGoodbye(String name);
复制代码
static包含的代码块，表示在程序初始化时加载native动态库(libhello.so)
1. static {
2. System.loadLibrary("hello");
3. }
复制代码

3.2. 编译SayHello.java

javac ./SayHello.java

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

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：
1. Java_{package_name}_{class_name}_{function_name}(JNI arguments)。
复制代码
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：
[code]#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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