JNI简易入门

JNI简介

JNI（Java Native Interface）是JDK的一部分，提供了若干API实现了Java和其他语言的通信（主要是C/C++)。JNI主要用于以下场景：

• 贴近硬件底层的功能，Java无法实现；
• 复用已有的程序（非Java开发）；
• 对部分代码有较高的性能要求，如矩阵运算、图形渲染等；

在java的源码中，也多处使用了JNI，例如在Thread.java中，底层用于新建线程的方法，就是通过JNI，使用本地语言实现的。

Java的特点的跨平台、可移植性强。但由于运行在JVM中，相对于本地语言来说，性能方面有一定的劣势。使用JNI可以使Java可以与本地语言互相通信（Java中可以调用本地语言的方法，本地语言也可以调用Java的方法），一定程度上提升代码的性能，但由于本地语言的引入，又让Java失去了平台移植的特性。

使用JNI时，本地语言通常是C/C++，可以看成Java与C/C++的混合开发。需要了解C/C++基本法语言 、头文件、动态链接库、调用约定等概念。

   

使用JNI的步骤如下：

1. 编写.java文件，需要使用本地语言实现的方法，添加native关键字，并且不需要实现（不在.java文件中实现）。
2. 使用javac工具，编译.java文件，生成.class文件。
3. 使用javah工具，生成.h头文件。
4. 新建与.h文件对应的.cpp文件，实现.h文件中的函数。
5. 编译.cpp文件 ，生成动态链接库文件（Windows下为dll文件，Linux下位so文件）
6. 联合.class文件，使用java工具运行。

如下图所示：

《图片来自百度百科》

   

第一个JNI程序

下面举一个例子，在Java中，使用C语言的printf()函数，输出"Hello World"。根据上面的流程，一步步执行。

1、编写java文件

新建一个HelloWorld.java文件，文件的内容如下：

public class HelloWorld {

public native void showHelloWorld();

   

static {

System.out.println(System.getProperty("user.dir"));

System.out.println(System.getProperty("java.library.path"));

System.loadLibrary("HelloWorld");

}

   

public static void main(String[] args) {

new HelloWorld().showHelloWorld();

}

}

有两点需要注意：

• showHelloWorld()方法声明中有native关键字，表示该方法使用JNI，使用本地语言实现，在java文件中，不需要实现也能通过编译。
• 在静态区块中，调用System.loadLibrary()方法，加载一个动态链接库。这个动态链接库等会由我们生成（在Windows下为dll文件，在Linux下为so文件 ），我们只需要指定文件名，JVM会根据当前的操作系统选择合适的文件格式。

此外，静态区块中还输出了两个JVM的系统属性，后面会详细说明这两个属性。

   

2、使用javac编译

和编译普通的Java程序一样，编译前先新建一个out文件夹，使用-d参数编译。

javac -d ./out HelloWorld.java

如果没有错误，将会在out文件夹下，生成HelloWorld.class文件。

   

3、使用javah生成头文件

javah工具也是JDK的一部分，专门用于JNI开发，根据.java文件，生成.h文件。

使用方法与javac类似：

javah HelloWorld

注意，不要带有java后缀名。正常的话，会在.java的同级文件夹，生成.h文件。

本例中，生成的HelloWorld.h的内容如下：

jni.h由JDK提供，是JNI的一部分，该文件存放在<JAVA_HOME>/include路径下。

JNIEXPORT和JNICALL都是宏定义，不同平台的定义不同，在Windows下的定义如下：

__declspec(dllexport)表示声明的函数为导出函数。

__stdcall是调用约定的一种，表示函数参数从右至左入栈，调用接受后，函数内部完成堆栈清理。

以上定义可以在jni_md.h文件中找到，该文件位于<JAVA_HOME>/include/win32。

注意jni.h与jni_md.h所在的路径，后面编译动态链接库时，会用到。

   

该头文件中声明了一个函数——Java_HelloWorld_showHelloWorld()，该函数就是HelloWorld.java文件中，使用native声明的showHelloWorld()方法。native方法在没有重载的情况下，与本地代码中的函数对应关系如下：

Java_<包名>_<类名>_<方法名>()；

   

4、编写cpp文件，实现头文件中的函数

在HelloWorld.h所在的目录下，新建HelloWorld.cpp文件，文件内容如下：

#include "HelloWorld.h"

#include <stdio.h>

   

JNIEXPORT void JNICALL Java_HelloWorld_showHelloWorld

(JNIEnv *, jobject)

{

printf("Hello World");

}

注意第一行，包含了javah生成的HelloWorld.h文件，并对头文件中的函数进行了实现。

   

5、编译cpp文件位动态链接库

不同平台的编译工具五花八门，例如在Window下，可以直接使用cl.exe编译；或编写Makefile，使用nmake编译；又或者编写vcxproj文件，使用msbuild编译。在Linux平台下，可以使用gcc编译，也可以编写Makefile，使用make工具编译。

为了尽可能保证可移植性，这里选择CMake作为编译工具，让本地代码尽可能的支持多平台。CMake的使用说明可以参考《CMake简易入门》。

   

在HelloWorld.cpp所在的目录下，新建CMakeLists.txt文件，文件内容如下：

# 指定cmake的最低版本

cmake_minimum_required(VERSION 2.8)

   

# 指定项目名

project(HelloWorld)

   

# 添加头文件

include_directories($ENV{JAVA_HOME}/include $ENV{JAVA_HOME}/include/win32)

   

# 设置生成目录

SET(LIBRARY_OUTPUT_PATH ${PROJECT_BINARY_DIR})

   

# 生成链接库文件，三个参数分别是链接库名、链接库类型、源码文件

add_library(${PROJECT_NAME} SHARED HelloWorld.cpp)

第3个命令，指定头文件jni.h与jni_md.h所在的路径。

第5个命令，表示要编译生成一个动态链接库文件，第一个参数指定动态链接库文件名。PROJECT_NAME是cmake内置的变量，其值有第2个命令配置为HelloWorld。本例中，需要和第1步中，System.loadLibrary()入参相同。

   

编写结束后，打开VS的命令行窗口。VS的命令行窗口有x86、x64两种，需要和JDK位数对应。JDK的位数，可以使用命令"java -version"查看：

   

打开VS的命令行后，cd切换到CMakeLists.txt所在的目录，输入以下命令，生成Makefile（本例子使用nmake工具编译）：

cmake -G "NMake Makefiles" -B .out .

成功运行后，在out目录下，会生成以下文件：

之后，使用以下命令（在CMakeLists.txt所在的目录），编译生成dll文件：

cmake --build ./out --target HelloWorld

或者可以使用cd命令进入out文件夹，之后使用namke命令编译：

cd out

nmake

无论是那种方法，编译成功后，均会在out目录下，生成HelloWorld.dll文件（还有其他文件，这里不关心）：

   

6、使用java工具，运行测试

命令行窗口切换到out目录，使用以下java工具，运行HelloWorld.class程序：

java HelloWorld

如果前面步骤没有问题，会有以下输出：

   

先看末尾，红框中的"Hello World"就是用本地代码——printf()输出的结果，这说明Java与C/C++的交互成功了。

再回到HelloWorld.java中，System.loadLibrary()仅根据一个文件名就找到了动态链接库文件，这里引出一个问题，动态链接库文件要保存在哪里？是不是和本例中，和.class文件保存在同级目录就可以了？

答案是否定的。System.loadLibrary()加载动态连接库时，会到指定的路径中的搜索，这个路径保存在JVM系统参数java.library.path中。该参数实际上就是本地系统的环境变量PATH加上当前路径（注意该参数的末尾，";."表示当前路径，也就是JVM系统参数user.dir的值）。如果在这些路径中找不到指定的动态链接库，就会抛出以下java.lang.UnsatisfiedLinkError：

   

使用IDE

但工程毕竟复制时，命令行编译就会变得毕竟繁琐。下面使用idea+VS的组合，完成JNI的开发。idea复制java部分的编译，VS负责C++的编译。（据说VS 2019支持Java ，那个时候估计只需要VS就可以了）

同样按照上述的步骤。

1. idea新建Java工程

   新建一个空的Java工程，命名为JNI_Demo。

   在src目录下，新建一个HelloWorld.java，文件内容和之前相同。

   

      

2. 编译Java工程

   点击运行按钮，编译并允许，会有以下输出：

   

   抛出异常是正常的，我们还没有创建动态链接库文件，自然找不到。

   运行的目的是查看JVM系统参数user.dir的值，动态链接库生成后要保存在这个路径。

      

3. 使用javah工具生成头文件

   右键工程视图中的HelloWorld.java文件，选择"Open in Terminal"，在打开的命令行窗口使用javah工具，生成HelloWorld.h文件。

   

   成功后，可以在工程视图中看到HelloWorld.h文件。

   

      

4. 使用VS新建动态链接库工程

   右键工程视图中的HelloWorld.h文件，选择"Show in Explorer"，查看该文件的保存位置。

   使用VS，在该位置创建一个动态链接库工程，同样命名为HelloWorld：

   

      

   右键工程视图的"Header Files"文件夹，选择add-Existing Item，添加HelloWorld.h文件到工程中。

   

      

   编写工程中的HelloWorld.cpp文件，内容与之前的类似。

   

      

5. 编译动态链接库

   编译前，需要对工程进行配置 。

   首先选择动态库生成的位数，与JDK要相同。

   

      

   工程视图中，右键HelloWorld工程，选择"Properties"（或者使用Alt + F7），打开工程属性配置窗口。

   先配置动态库文件生成的位置，目标位置就是第1步中，user.dir的值（也就是java工程的根目录）。

   

      

   之后添加头文件路径，一共需要添加3个路径：

   

   这3个路径分别是jni.h、jni_md.h、HelloWorld.h这3个头文件所在的目录。

   

      

   配置正确，HelloWorld.cpp中的下滑红线会全部消失。右键项目，选择"Build"，开始编译。

   编译成功的话，在idea的工程视图，可以看到HelloWorld.dll文件：

   

      

6. 运行测试

   回到idea，工程视图中右键src/HelloWorld文件夹，选择"Mark Directory as"-"Exclusion"。不然运行程序会有以下错误：

   

      

   配置结束后，就可以正常运行程序：

   

   

除了idea + VS的组合外，还有其他多种组合，没有固定搭配，选择合适自己的工具即可。

   

进阶

结束了吗？不，到这里为止才刚刚开始。通过JNI我们可以与本地代码相互通信，互相通信包括：

• Java调用本地代码
• 本地代码调用Java方法
• Java向本地代码传递参数
• 本地代码项Java返回数据

我们目前只完成了第一步，后面的可以参考官方文档：

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/jni/spec/jniTOC.html

中文翻译可以百度"JNI-API完全手册"。