Java中如何用JNI调用本地C/C++代码

jni是java与c++/c++交互的桥梁，允许java调用本地代码。其核心步骤为：1. 编写含native方法的java类；2. 使用javac和javah生成c/c++头文件；3. 实现头文件中的native方法；4. 编译成动态链接库；5. java中加载库并运行。jni带来性能开销主要来自数据类型转换、上下文切换和间接调用，但可通过减少调用次数、使用基本类型和directbytebuffer缓解。异常处理需在c/c++中使用exceptionoccurred、thrownew等函数捕获并抛出java异常。字符串传递需通过getstringutfchars、releasestringutfchars和newstringutf完成转换与内存管理。

简单来说，JNI（Java Native Interface）就是Java和C/C++之间的一座桥梁，让Java程序可以调用本地的C/C++代码，反之亦然。这在需要利用底层硬件能力、性能优化或者使用现有C/C++库时非常有用。

解决方案

要使用JNI，主要涉及以下几个步骤：

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1. 编写Java代码: 首先，你需要定义一个包含native方法的Java类。这个native方法就是你想要调用的C/C++函数。

   public class MyNativeClass {
       static {
           System.loadLibrary("myNativeLib"); // 加载本地库
       }
   
       public native int myNativeMethod(int arg); // 声明native方法
   
       public static void main(String[] args) {
           MyNativeClass obj = new MyNativeClass();
           int result = obj.myNativeMethod(10);
           System.out.println("Result from native method: " + result);
       }
   }

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2. 生成头文件: 使用javac编译Java类，然后使用javah工具生成C/C++头文件。

   javac MyNativeClass.java
   javah MyNativeClass

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   这会生成一个名为MyNativeClass.h的头文件，其中包含myNativeMethod函数的声明。

3. 编写C/C++代码: 创建一个C/C++源文件，实现头文件中声明的native方法。

   #include "MyNativeClass.h"
   #include <iostream>
   
   JNIEXPORT jint JNICALL Java_MyNativeClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj, jint arg) {
       std::cout << "Hello from C++!" << std::endl;
       return arg * 2;
   }

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   • JNIEnv *env: 指向JNI环境的指针，提供了访问JNI函数的功能。
   • jobject obj: 指向Java对象的指针，即调用native方法的对象。
   • jint arg: Java传递过来的整数参数。
   • Java_MyNativeClass_myNativeMethod: 这是JNI函数的命名规则，必须按照这个格式命名，否则Java无法找到对应的C/C++函数。

4. 编译C/C++代码: 将C/C++代码编译成动态链接库（.dll、.so、.dylib），Java程序才能加载它。

   • Windows: 使用Visual Studio等工具编译成.dll文件。
   • Linux: 使用gcc编译成.so文件。

   例如，在Linux下：

   g++ -I"$JAVA_HOME/include" -I"$JAVA_HOME/include/linux" -shared -fPIC MyNativeClass.cpp -o libmyNativeLib.so

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   -I选项指定了JNI头文件的路径，-shared选项表示生成共享库，-fPIC选项表示生成位置无关代码。注意，库文件名前面要加上lib。

5. 加载本地库: 在Java代码中使用System.loadLibrary("myNativeLib")加载动态链接库。注意，这里只需要库的名字，不需要包含lib前缀和文件扩展名。

6. 运行Java程序: 运行Java程序，它会调用C/C++代码，并返回结果。

JNI的性能开销有多大？

JNI调用确实会带来性能开销，主要体现在以下几个方面：

• 数据类型转换： Java和C/C++使用不同的数据类型，JNI需要在两种类型之间进行转换。例如，Java的String需要转换为C/C++的char*。这种转换会消耗CPU时间。
• 上下文切换： 从Java虚拟机切换到本地代码，再从本地代码切换回Java虚拟机，会带来上下文切换的开销。
• 间接调用： JNI调用本质上是一种间接调用，相比直接的Java方法调用，会增加额外的开销。

虽然JNI有性能开销，但在某些情况下，使用JNI仍然是值得的。例如，当需要执行计算密集型任务时，使用C/C++可以显著提高性能。此外，如果需要访问底层硬件或者使用现有的C/C++库，也必须使用JNI。

为了减少JNI的性能开销，可以考虑以下几点：

• 减少JNI调用的次数： 尽量将多个操作合并到一个JNI调用中，避免频繁的上下文切换。
• 使用基本数据类型： 尽量使用基本数据类型（如int、double），避免使用对象类型，减少数据类型转换的开销。
• 使用DirectByteBuffer： 使用DirectByteBuffer可以直接访问本地内存，避免数据的复制。

如何处理JNI中的异常？

在C/C++代码中，如果发生异常，你需要将其转换为Java异常，否则Java程序可能会崩溃。JNI提供了一系列函数来处理异常：

• ExceptionOccurred(): 检查是否发生了异常。
• ThrowNew(): 抛出一个新的异常。
• Throw(): 抛出一个已存在的异常。
• ExceptionClear(): 清除异常。

一个简单的示例：

JNIEXPORT jint JNICALL Java_MyNativeClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj, jint arg) {
    try {
        // 可能会抛出异常的代码
        if (arg < 0) {
            throw std::runtime_error("Argument cannot be negative");
        }
        return arg * 2;
    } catch (const std::exception& e) {
        jclass exceptionClass = env->FindClass("java/lang/IllegalArgumentException");
        env->ThrowNew(exceptionClass, e.what());
        return -1; // 返回一个错误码，表示发生了异常
    }
}

在这个例子中，如果arg小于0，C++代码会抛出一个std::runtime_error异常。然后，JNI代码会将这个异常转换为java.lang.IllegalArgumentException，并抛给Java程序。

JNI中如何传递字符串？

在JNI中，字符串的传递需要特别注意，因为Java的String对象和C/C++的char*类型是不同的。JNI提供了一系列函数来处理字符串：

• GetStringUTFChars(): 将Java字符串转换为UTF-8编码的C字符串。
• ReleaseStringUTFChars(): 释放GetStringUTFChars()分配的内存。
• NewStringUTF(): 创建一个新的Java字符串。

一个示例：

JNIEXPORT jstring JNICALL Java_MyNativeClass_myNativeMethod(JNIEnv *env, jobject obj, jstring javaString) {
    const char *str = env->GetStringUTFChars(javaString, 0);
    if (str == NULL) {
        // 内存分配失败
        return NULL;
    }

    std::string cppString(str);
    std::string result = "Hello, " + cppString + "!";

    env->ReleaseStringUTFChars(javaString, str);

    return env->NewStringUTF(result.c_str());
}

在这个例子中，GetStringUTFChars()将Java字符串转换为UTF-8编码的C字符串。使用完字符串后，必须调用ReleaseStringUTFChars()释放内存，否则会导致内存泄漏。最后，NewStringUTF()创建一个新的Java字符串，并返回给Java程序。需要注意的是，如果GetStringUTFChars()返回NULL，表示内存分配失败，需要进行错误处理。

以上就是Java中如何用JNI调用本地C/C++代码的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！