Java之native函数

最新推荐文章于 2025-06-29 10:14:31 发布

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本文介绍了Java中native方法的实现。因Java加载类和解释执行效率不如C++，且底层操作能力有限，可通过JNI实现native方法。文中以Hello World为例，详细阐述了Java程序编写、头文件生成、C++函数编写及dll生成的步骤，最后还对多native函数情况进行了思考。

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我们在使用hashmap时，有时候会看到hashcode的源码。最原始的hashcode源码是位于Object类中，是一个native方法。native方法是指，它没有方法体，不是用Java语言实现的。而是通过动态链接库（dll）加载而调用的函数。动态链接库一般使用C、C++、汇编语言等编写，这就实现了和底层函数的交互，类似于API的功能。我们今天就来实现一个native方法。当然，操作系统是windows10，64位。Linux也类似，只不过生成的动态链接库是so文件。

1、native方法介绍

Java虽然功能强大，但是存在一个缺点，就是JVM本身也是一个动态链接库（内部有class文件的解释器），它加载类和解释执行的效率不如直接编译的C++高。再有就是，Java设计系统API等底层操作时可能无能为力。一些经常调用的函数，或者和操作系统交互的函数必须用其他语言来完成。

Java中的JNI（Java Native Interface）就是实现native方法的途径。它通过C/C++的编程接口（头文件）来达到和C/C++交互的目的。

我们先来看一下，native方法的执行过程。

首先，在类被加载时，需要加载native方法实现的动态链接库，因此这段加载代码必须是静态加载器中的程序段。比如下面的ExampleClass类：

public class ExampleClass {
    static {
        System.load("example.dll");
    }
    
    public native void example();
}

然后，当JVM执行到native函数时，查找已经加载好的动态链接库，如果找到对应函数的实现，则把执行权转交操作系统，操作系统将进程调度至动态链接库，开始函数执行，Java程序则等待其返回值；如果未找到则报错（属于Error型异常，也就是JVM级别的异常，不可捕获）。

了解到这一点，我们就可以编写自己的native方法了。~~程序员出生时说的第一句话~~（滑稽）是Hello World，所以我们也以Hello World为例。环境如下：

操作系统：windows 10 64bit

Java IDE：IDEA 2018.3–64bit（eclipse的小伙伴自行对应）

JDK：1.8（AMD64）

C++ IDE：codeblocks 17

C++ compiler：mingw64-g++-8.1（注意，codeblocks自带的编译器是32位的，生成的动态链接库也是32位的，不能被64位的JVM加载。所以稍后我们将手动修改codeblocks的编译器路径）

2、Java程序的编写和头文件生成

我们首先新建Java工程，编写一个简单的Java程序，直接在主类中就行。如下：

public class Main {

    static {
        System.load("D:\\jni.dll");
    }

    public native static void hello(); // 必须有static，因为静态函数不能直接调用同一个类的非静态函数

    public static void main(String[] args) {
        hello();
    }
}

这个hello函数就是我们要实现的native函数，功能是输出字符串“Hello World”。在这个主类中，需要加载D:\jni.dll，所以把它写在static初始化器中。

接下来，我们需要编译出class文件，并生成一个C++的头（.h）文件。我们单击idea的一键编译运行即可。这次运行是一定会报错的，提示无法加载动态链接库。但我们不需要运行，只需要那个class文件。

找到你的class文件所在位置。比如，我的是在工程目录\out\production\doorsymbol下，其中doorsymbol是我的工程名。eclipse的小伙伴自行找。反正看到Main.class就对了。如下图：

在这里插入图片描述
然后，打开命令行，转到当前目录下。输入命令：

javah -jni Main

之后便会看到一个Main.h文件。这一步算大功告成。

3、C++函数编写及dll生成

3.1、创建C++工程

这一步我们将生成dll文件。我们用codeblocks新建一个C++工程。注意，这次不是控制台程序，而是动态链接库了。工程目录不要有空格，比如我选择D:\cppprojects\jni

这一步一定要选这个：

在这里插入图片描述

3.2、修改编译器设置

刚才提到，codeblocks自带的编译器是mingw32，无法编译64位的动态链接库。所以我们需要把默认编译器路径改成mingw64所在的路径。没有mingw64的小伙伴可以下载这里的压缩包并解压。链接：https://pan.baidu.com/s/1jsxoCnntqCo4xRBIFF1ACw
提取码：tian

解压后，转到mingw64文件夹中。如图：

在这里插入图片描述我们只需要把编译器路径改成这个文件夹路径即可。

codeblocks–settings–compiler

在这里插入图片描述点可执行工具链（executable tool chain）选项卡，把编译器的安装目录改成刚才的mingw64文件夹。

接着，修改编译选项。单击compiler settings选项卡。选择遵循c++11规范，以及生成x86_64目标。尤其是生成64位目标至关重要，这将直接决定我们生成动态链接库的格式。

在这里插入图片描述
单击确定。

然后再修改调试器路径，也就是gdb。如下图：

settings–debugger settings

在这里插入图片描述单击default选项卡，把调试器路径（executable path）改成刚才的mingw64文件夹下的bin/gdb.exe即可。单击确定。

3.3、添加头文件

编译器设置好之后，我们的工程中，有一个默认的main.cpp文件和main.h文件。其中main.h文件没有任何用处，把它删掉。我们需要用的是刚才用class文件生成的Main.h。打开工程目录，把这个头文件移动到和main.cpp同级目录下。然后，打开你的jdk路径（以下简称java_home），如下图：

在这里插入图片描述把以下两个头文件放入和main.cpp同级的目录下：

%java_home%\include\jni.h
%java_home%\include\win32\jni_md.h

最终的效果如下图

在这里插入图片描述

3.4、修改Main.h以及实现其中的函数

打开Main.h，发现它声明了一个函数Java_Main_hello。这个函数就是Java中native函数hello的真正接口。另外，我们看到头文件包含了#include <jni.h>，我们把它改成#include "jni.h"。

然后打开main.cpp文件，删除全部内容，改成如下：

#include "Main.h"

#include <iostream>

using namespace std;

JNIEXPORT
void JNICALL Java_Main_hello(JNIEnv *, jclass)
{
    cout << "Hello World!" << endl;
}