Java中native关键字的用法及本地方法实现详解

本文深入探讨了Java中`native`关键字的作用及其在实际开发中的应用。`native`关键字允许Java代码调用由C/C++等其他语言编写的函数，弥补了Java在底层资源访问和性能优化方面的不足。文章详细阐述了`native`方法声明、JNI接口的使用、以及如何通过JNIEnv指针与JVM交互。同时，针对JNI调用的性能开销，提出了减少调用次数、使用直接内存等优化策略。此外，文章还强调了`native`代码中的异常处理机制，避免程序崩溃。通过本文，开发者能够更深入地理解和运用`native`关键字，提升Java应用程序的性能和功能。

Java 中的 native 关键字用于调用非 Java 语言实现的函数，1. 允许声明无实现的方法，2. 要求使用 C/C++ 和 JNI 实现并链接，3. 提供访问底层资源和提升性能的能力。native 方法通过 JNI 映射到 native 函数，并借助 JNIEnv 指针与 JVM 交互，尽管带来上下文切换和类型转换的开销，但可通过减少调用次数、使用直接内存等优化策略缓解。此外，native 代码需手动处理异常并通过 ThrowNew 抛出 Java 异常后立即返回以避免崩溃。

Java 中的 native 关键字，简单来说，它允许 Java 代码调用用其他语言（通常是 C 或 C++）编写的函数。这使得 Java 应用程序可以访问底层系统资源或利用现有非 Java 代码库。

native 方法实现的两个要点：

1. 声明和链接： 在 Java 类中声明 native 方法，但不提供实现。然后，你需要使用 C 或 C++ 编写实现，并使用 JNI (Java Native Interface) 将 Java 方法签名映射到 C/C++ 函数。最后，将编译后的 C/C++ 代码链接到 Java 应用程序中。
2. JNI 的使用： JNI 是 Java 提供的一套接口，用于在 Java 和 native 代码之间进行交互。你需要理解 JNI 的数据类型映射、对象引用管理以及异常处理机制。

如何理解 native 关键字？为什么需要它？

native 关键字的存在，某种程度上，是 Java 追求“一次编写，到处运行”的理想与现实妥协的产物。 理想很丰满，现实却骨感。总有些时候，我们需要直接操作硬件，或者使用一些性能极致优化的库，而这些往往是用 C/C++ 实现的。 比如，图形渲染、音视频编解码，或者是一些底层的系统调用。

想象一下，如果你要写一个高性能的图像处理程序，完全用 Java 实现，效率可能远不如直接调用底层的 C++ 库。 native 关键字就提供了这样一座桥梁，让 Java 代码可以调用这些 C/C++ 代码，从而获得更高的性能或者访问底层资源的能力。

为什么不直接用 C/C++ 写？

当然，你可以直接用 C/C++ 写，但 Java 的优势在于其跨平台性、垃圾回收机制、以及丰富的类库。 使用 Java 结合 native 方法，可以兼顾两者的优点。

如何编写和调用一个简单的 native 方法？

假设我们有一个 Java 类，需要调用一个 C 函数来计算两个整数的和。

1. Java 代码：

public class NativeAdder {
    static {
        System.loadLibrary("nativeadder"); // 加载 native 库
    }

    public native int add(int a, int b); // 声明 native 方法

    public static void main(String[] args) {
        NativeAdder adder = new NativeAdder();
        int sum = adder.add(5, 3);
        System.out.println("Sum: " + sum);
    }
}

2. C 代码 (nativeadder.c)：

#include <jni.h>
#include "NativeAdder.h" // 根据 Java 类生成头文件

JNIEXPORT jint JNICALL Java_NativeAdder_add(JNIEnv *env, jobject obj, jint a, jint b) {
    return a + b;
}

3. 生成头文件：

使用 javac -h . NativeAdder.java 命令生成 NativeAdder.h 头文件。

4. 编译 C 代码：

使用 C 编译器（例如 GCC）将 nativeadder.c 编译成动态链接库（例如 nativeadder.so 或 nativeadder.dll）。

5. 运行 Java 代码：

确保动态链接库在 Java 的 library path 中，然后运行 Java 程序。

JNIEnv 指针是什么？它有什么作用？

JNIEnv 是一个指向 JNI 函数表的指针。这个函数表包含了所有用于在 native 代码中与 Java 虚拟机交互的函数。 换句话说，你可以通过 JNIEnv 指针来访问 Java 对象、调用 Java 方法、抛出 Java 异常等等。

你可以把它想象成一个“翻译器”，它负责把 Java 世界的规则翻译成 C/C++ 世界能理解的语言，反之亦然。 比如，你需要创建一个 Java 字符串对象，你就需要通过 JNIEnv 指针调用 NewStringUTF 函数。

JNI 的性能开销有多大？如何优化？

JNI 调用确实会带来一定的性能开销，因为涉及到 Java 和 native 代码之间的上下文切换、数据类型转换等操作。 这种开销在频繁调用的场景下会变得比较明显。

优化 JNI 性能的一些方法：

• 减少 JNI 调用次数： 尽量将多个操作合并到一个 native 方法中执行，避免频繁的跨语言调用。
• 使用直接内存 (Direct Memory)： 直接内存是 JVM 堆外的一块内存区域，native 代码可以直接访问，避免了数据在 Java 堆和 native 堆之间的复制。
• 缓存 JNI 方法 ID： JNI 方法 ID 用于标识 Java 方法，在第一次调用时需要查找。 可以将方法 ID 缓存起来，避免重复查找。
• 使用 primitive 类型： 尽量使用 primitive 类型（例如 int、float）而不是对象类型（例如 Integer、Float），因为 primitive 类型的转换开销更小。
• 避免不必要的对象创建： 在 native 代码中创建 Java 对象会带来额外的开销，尽量避免不必要的对象创建。

JNI 的异常处理机制是怎样的？

在 native 代码中，如果发生异常，你需要使用 JNI 函数 ThrowNew 或 Throw 抛出 Java 异常。 抛出异常后，native 方法应该立即返回，避免执行任何可能导致程序崩溃的操作。 JVM 会自动处理抛出的异常，并将其传递给 Java 代码中的异常处理程序。

需要注意的是，在 native 代码中抛出异常并不会立即终止程序的执行。 你需要显式地返回，让 JVM 来处理异常。 如果 native 方法没有返回，JVM 可能会崩溃。

今天关于《Java中native关键字的用法及本地方法实现详解》的内容介绍就到此结束，如果有什么疑问或者建议，可以在golang学习网公众号下多多回复交流；文中若有不正之处，也希望回复留言以告知！