C++ JNI (Java Native Interface)：Java 与 C++ 的高性能互操作

好的，各位观众老爷，欢迎来到今天的“Java Native Interface（JNI）：Java 和 C++ 激情碰撞，擦出高性能火花”专场讲座。我是你们的老朋友，Bug Killer，今天就来跟大家聊聊这个既神秘又实用的技术——JNI。

开场白：为什么要让Java和C++“搞对象”？

话说Java，那可是面向对象编程界的扛把子，跨平台能力一流，应用广泛。但有时候，它也力不从心。比如，你需要访问一些底层硬件，或者需要一些高性能的计算库，又或者需要复用一些现有的C/C++代码，这时候怎么办？凉拌？当然不行！

这时候，JNI就闪亮登场了。它就像一个“媒婆”，专门撮合Java和C++这两个“冤家”，让它们“搞对象”，共同完成任务。

JNI是什么？简单的说就是“跨界合作”！

JNI，全称Java Native Interface，翻译过来就是“Java本地接口”。它是一个标准，允许Java代码调用本地（native）代码，通常是C和C++编写的代码。

你可以把它想象成一座桥梁，Java代码可以通过这座桥梁，安全地调用C/C++代码，反之亦然。

JNI能干啥？“技能多多，样样精通”！

JNI 的用途非常广泛，主要包括以下几个方面：

• 访问底层硬件： Java 无法直接访问操作系统底层的一些硬件资源，比如串口、USB接口等。通过 JNI，你可以调用 C/C++ 代码来访问这些硬件资源。
• 性能优化： 对于一些计算密集型的任务，比如图像处理、音视频编解码等，使用 C/C++ 编写的代码往往比 Java 代码执行效率更高。
• 复用现有代码： 你可能有一些已经存在的 C/C++ 代码库，不想用 Java 重写一遍。通过 JNI，你可以直接在 Java 项目中使用这些代码库。
• 访问操作系统特定功能： 有些操作系统提供了一些特定的功能，Java 无法直接访问。通过 JNI，你可以调用 C/C++ 代码来访问这些功能。

JNI的“恋爱三部曲”：如何让Java和C++“喜结连理”？

要让 Java 和 C++ 成功“恋爱”，需要经过三个关键步骤：

1. 编写Java代码：定义“恋爱协议”

   首先，你需要在 Java 代码中声明 native 方法。这些方法就像是 Java 和 C++ 之间的“恋爱协议”，约定了双方如何“沟通”。

   public class MyNativeLib {
       // 声明 native 方法
       public native int add(int a, int b);
   
       // 加载本地库
       static {
           System.loadLibrary("mynativelib"); // mynativelib 是动态链接库的名字
       }
   
       public static void main(String[] args) {
           MyNativeLib lib = new MyNativeLib();
           int result = lib.add(10, 20);
           System.out.println("Result: " + result);
       }
   }

   • native 关键字： 声明该方法将在本地代码中实现。
   • System.loadLibrary("mynativelib")： 加载名为 "mynativelib" 的动态链接库。注意，这里的文件名不带平台特定的扩展名（如 .dll, .so, .dylib）。

2. 生成C/C++头文件：翻译“恋爱协议”

   接下来，你需要使用 javac 命令编译 Java 代码，然后使用 javah 命令生成 C/C++ 头文件。这个头文件就像是“恋爱协议”的翻译版本，C/C++ 代码需要根据这个头文件来实现 native 方法。

   javac MyNativeLib.java
   javah MyNativeLib

   这将生成一个名为 MyNativeLib.h 的头文件。内容如下：

   /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
   #include <jni.h>
   /* Header for class MyNativeLib */
   
   #ifndef _Included_MyNativeLib
   #define _Included_MyNativeLib
   #ifdef __cplusplus
   extern "C" {
   #endif
   /*
    * Class:     MyNativeLib
    * Method:    add
    * Signature: (II)I
    */
   JNIEXPORT jint JNICALL Java_MyNativeLib_add
     (JNIEnv *, jobject, jint, jint);
   
   #ifdef __cplusplus
   }
   #endif
   #endif

   • jni.h： JNI 相关的头文件，包含了 JNI 的各种函数和数据结构的定义。
   • Java_MyNativeLib_add： native 方法的 C/C++ 函数名，遵循特定的命名规则。Java_ + 包名（如果存在，用下划线代替点） + 类名 + 方法名。
   • JNIEnv *env： 指向 JNIEnv 接口的指针，通过它可以访问 JNI 提供的各种函数。
   • jobject this： 指向 Java 对象的引用，相当于 Java 中的 this。
   • jint a, jint b： Java 传递过来的参数，jint 对应 Java 的 int 类型。

3. 编写C/C++代码：执行“恋爱协议”

   最后，你需要编写 C/C++ 代码来实现 native 方法。在这个过程中，你需要使用 JNI 提供的 API 来与 Java 代码进行交互。

   #include "MyNativeLib.h"
   
   JNIEXPORT jint JNICALL Java_MyNativeLib_add
     (JNIEnv *env, jobject thisObj, jint a, jint b) {
       return a + b;
   }

   • JNIEnv *env： 指向 JNIEnv 接口的指针，非常重要，几乎所有的 JNI 操作都需要通过它来完成。
   • jobject thisObj： 指向 Java 对象的引用，如果 native 方法是静态的，则该参数是 jclass 类型，指向 Java 类。
   • jint a, jint b： Java 传递过来的参数。

JNI 的“恋爱秘籍”：常用API介绍

JNI 提供了丰富的 API，用于在 C/C++ 代码中与 Java 代码进行交互。下面介绍一些常用的 API：

API	功能描述
FindClass	根据类名查找 Java 类
GetObjectClass	获取 Java 对象的类
GetMethodID	获取 Java 方法的 ID
Call<Type>Method	调用 Java 方法，<Type> 表示返回值类型，例如 CallIntMethod、CallVoidMethod 等
GetFieldID	获取 Java 字段的 ID
Get<Type>Field	获取 Java 字段的值，<Type> 表示字段类型，例如 GetIntField、GetObjectField 等
Set<Type>Field	设置 Java 字段的值，<Type> 表示字段类型，例如 SetIntField、SetObjectField 等
NewStringUTF	创建 Java 字符串
GetStringUTFChars	获取 Java 字符串的 UTF-8 编码
ReleaseStringUTFChars	释放通过 GetStringUTFChars 获取的字符串
NewObject	创建 Java 对象
New<Type>Array	创建 Java 数组，<Type> 表示数组元素类型，例如 NewIntArray、NewObjectArray 等
Get<Type>ArrayElements	获取 Java 数组的元素，<Type> 表示数组元素类型，例如 GetIntArrayElements、GetObjectArrayElements 等
Release<Type>ArrayElements	释放通过 Get<Type>ArrayElements 获取的数组元素
ExceptionOccurred	检查是否发生了异常
ExceptionDescribe	打印异常信息
ExceptionClear	清除异常
ThrowNew	抛出 Java 异常
GetEnv	获取当前线程的 JNIEnv 指针
AttachCurrentThread	将当前线程附加到 Java 虚拟机
DetachCurrentThread	将当前线程从 Java 虚拟机分离
RegisterNatives	动态注册 native 方法，避免使用 javah 生成头文件，并可以自定义 native 方法的函数名，可以提高代码的可读性和可维护性。

JNI 的“踩坑指南”：常见问题及解决方案

JNI 虽然强大，但也容易踩坑。下面列举一些常见问题及解决方案：

• 内存泄漏： 在 C/C++ 代码中，如果忘记释放通过 JNI 获取的资源，比如字符串、数组等，可能会导致内存泄漏。
  • 解决方案： 确保在使用完 JNI 获取的资源后，及时释放它们。例如，使用 ReleaseStringUTFChars 释放字符串，使用 Release<Type>ArrayElements 释放数组。
• 类型不匹配： Java 和 C/C++ 的类型系统不同，如果类型不匹配，可能会导致程序崩溃。
  • 解决方案： 仔细检查 Java 和 C/C++ 之间的类型映射关系，确保类型一致。例如，Java 的 int 对应 C/C++ 的 jint，Java 的 String 对应 C/C++ 的 jstring。
• 线程安全问题： 如果多个线程同时访问 JNI 代码，可能会导致线程安全问题。
  • 解决方案： 使用锁或其他同步机制来保护 JNI 代码。可以使用 pthread 库提供的锁，或者使用 Java 提供的 synchronized 关键字。
• 异常处理： 如果 C/C++ 代码中发生了异常，需要将其转换为 Java 异常，并抛给 Java 代码处理。
  • 解决方案： 使用 ExceptionOccurred 检查是否发生了异常，如果发生了异常，使用 ThrowNew 抛出 Java 异常。
• JNI 函数名错误: 使用javah生成的函数名称格式为Java_包名_类名_方法名。如果包名中包含.，则需要用_代替。
  • 解决方案： 检查函数名称是否正确。

JNI 实战演练：字符串操作

下面通过一个例子来演示如何使用 JNI 进行字符串操作。

Java 代码：

public class StringExample {
    public native String getStringFromNative(String input);

    static {
        System.loadLibrary("stringexample");
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringExample example = new StringExample();
        String result = example.getStringFromNative("Hello from Java!");
        System.out.println("Result from native: " + result);
    }
}

C++ 代码：

#include "StringExample.h"
#include <string>

JNIEXPORT jstring JNICALL Java_StringExample_getStringFromNative
  (JNIEnv *env, jobject thisObj, jstring input) {
    // 将 jstring 转换为 C++ 字符串
    const char *str = env->GetStringUTFChars(input, nullptr);
    std::string cppString(str);
    env->ReleaseStringUTFChars(input, str); // 释放字符串

    // 修改字符串
    cppString += " - Hello from C++!";

    // 将 C++ 字符串转换为 jstring
    return env->NewStringUTF(cppString.c_str());
}

在这个例子中，Java 代码调用 getStringFromNative 方法，将一个字符串传递给 C++ 代码。C++ 代码接收到字符串后，对其进行修改，然后将其返回给 Java 代码。

JNI 高级进阶：动态注册 Native 方法

使用 javah 生成头文件并实现 native 方法是一种常见的方式，但是它存在一些缺点：

• 函数名比较长，可读性差。
• 如果 Java 方法签名发生变化，需要重新生成头文件并修改 C/C++ 代码。

为了解决这些问题，可以使用动态注册 native 方法的方式。

Java 代码：

public class DynamicRegister {
    public native int add(int a, int b);
    public native String hello(String name);

    static {
        System.loadLibrary("dynamicregister");
    }

    public static void main(String[] args) {
        DynamicRegister dr = new DynamicRegister();
        System.out.println("Add result: " + dr.add(5, 3));
        System.out.println("Hello: " + dr.hello("World"));
    }
}

C++ 代码：

#include <jni.h>
#include <string>

// Native 方法的实现
jint nativeAdd(JNIEnv *env, jclass clazz, jint a, jint b) {
    return a + b;
}

jstring nativeHello(JNIEnv *env, jclass clazz, jstring name) {
    const char *str = env->GetStringUTFChars(name, nullptr);
    std::string helloStr = "Hello, ";
    helloStr += str;
    env->ReleaseStringUTFChars(name, str);
    return env->NewStringUTF(helloStr.c_str());
}

// 方法签名
static JNINativeMethod methods[] = {
    {"add", "(II)I", (void *)nativeAdd},
    {"hello", "(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;", (void *)nativeHello}
};

// 注册 native 方法
JNIEXPORT jint JNICALL JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
    JNIEnv *env;
    if (vm->GetEnv((void **)&env, JNI_VERSION_1_6) != JNI_OK) {
        return JNI_ERR;
    }

    jclass clazz = env->FindClass("DynamicRegister");
    if (clazz == nullptr) {
        return JNI_ERR;
    }

    if (env->RegisterNatives(clazz, methods, sizeof(methods) / sizeof(methods[0])) < 0) {
        return JNI_ERR;
    }

    return JNI_VERSION_1_6;
}

• JNINativeMethod 结构体： 用于描述 native 方法的信息，包括方法名、签名和函数指针。
• JNI_OnLoad 函数： 在动态链接库加载时被调用，用于注册 native 方法。
• RegisterNatives 函数： 用于注册 native 方法。

JNI 的“恋爱指南”总结：

JNI 是一个强大的工具，可以让你在 Java 代码中使用 C/C++ 代码，从而提高性能、访问底层硬件或复用现有代码。但是，JNI 也比较复杂，容易出错。

希望通过今天的讲座，大家能够对 JNI 有一个更深入的了解，并能够在实际项目中灵活运用它。记住，熟练掌握 JNI 的关键在于实践，多写代码，多踩坑，多总结。

最后，祝大家编程愉快，Bug 远离！

温馨提示：

• JNI 编程需要对 Java 和 C/C++ 都有一定的了解。
• JNI 编程需要小心谨慎，避免内存泄漏、类型不匹配等问题。
• 在实际项目中，应该尽量避免过度使用 JNI，只有在必要的时候才使用它。
• JNI代码调试相对麻烦，需要借助GDB等工具。
• 跨平台编译JNI库需要使用不同的编译器和构建工具，例如Windows下使用Visual Studio，Linux下使用GCC，macOS下使用Clang。

感谢大家的收听，再见！