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

1. 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/

   

2. 双击安装包，根据提示一步步安装即可。

3. 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[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

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

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

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");

}

}

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：