当Java遇上C++：使用JNA传递复杂数据结构 - 知乎

最近在UMStor的开发过程中，需要写一个C/C++库的Java SDK。试想，如果用Java完完全全重新写一个对应的SDK，不免工作量太大，于是我搜了一下，是否有可能让Java访问C/C++库中的接口(.dll, .so)。
JNI

JNI(Java Native Interface)是一种技术，通过这种技术可以做到以下两点：

– Java程序中的函数可以调用Native语言写的函数，Native一般指的是C/C++编写的函数。
– Native程序中的函数可以调用Java层的函数，也就是在C/C++程序中可以调用Java的函数。

我们都知道承载Java世界的虚拟机是用Native语言写的，而虚拟机又运行在具体平台上，所以虚拟机本身无法做到平台无关。然而，有了JNI技术，就可以对Java层屏蔽具体的虚拟机实现上的差异了。这样，就能实现Java本身的平台无关特性。其实Java一直在使用JNI技术，只是我们平时较少用到罢了。

JNI的使用并不简单，如果已有一个编译好的.dll/.so文件，如果使用JNI技术调用，我们首先需要使用C语言另外写一个.dll/.so共享库，使用SUN规定的数据结构替代C语言的数据结构，调用已有的 dll/so中公布的函 数。然后再在Java中载入这个库dll/so，最后编写Java native函数作为链接库中函数的代理。经过这些繁琐的步骤才能在Java中调用本地代码。

JNA

JNA(Java Native Access)是建立在JNI技术基础之上的一个Java类库，它使我们可以方便地使用java直接访问动态链接库中的函数。我们不需要重写我们的动态链接库文件，而是有直接调用的API，大大简化了我们的工作量。但是JNA一般只适用于较为简单的C/C++库，如果接口、数据结构复杂的话就不推荐。而且JNA也只提供了C/C++对Java的接口转化。

SWIG

SWIG(Simplified Wrapper and Interface Generator)，是一款开源软件，其目的是将C/C++编写的函数库封装成其他语言的接口，包括:Java, Python, Perl, Ruby, C#, PHP等诸多主流编程语言。SWIG底层仍然还是JNI，如果我们只是要访问简单的C/C++接口，那么JNA更合适；但是如果接口较为复杂，那SWIG就是最佳方案。

我所要面对的C/C++库的接口比较复杂，用到了不少自定义的结构体，按理说我应该使用SWIG才对，不过由于一些原因，我还是使用了JNA来开发这个Java SDK，算是给自己挖了一个不小的坑。

本文会着重介绍如何用JNA传递复杂的数据结构，因此JNA的入门教程在这里不再赘述，大家可以自行百度，应该一搜一大把。

基本类型对照表

下表是JNA官网 给出的基本类型的C语言和Java类型对照表：

这张对照表一般已经能够满足跨平台、跨语言调用的数据类型转换需求，因为如果我们要做跨语言调用，应当尽量使用基本和简单的数据类型，而不要过多使用复杂结构体传递数据，因为C语言的结构体中，每个成员会执行对齐操作与前一个成员保持字节对齐，也就是说，成员的书写顺序会影响结构体占用的空间大小，因此会在Java端定义结构体时会造成不小的麻烦。

比如，如果跨语言调用的函数中参数包含stat这个结构体：我们都知道，stat这个结构体是用来描述linux文件系统的文件元数据的基本结构，但麻烦的是，这个结构体的成员定义次序在不同的机型上并不相同，如果我们在Java端重写这个结构体，会产生兼容性问题。

结构体定义

有时候我们需要在Java端访问某个C/C++结构体中的成员，我们就需要在Java端复写这个结构体，在复写的时候需要注意两点：

  • 需要在结构体定义中定义2个内部类ByReference和ByValue，来实现指针类型接口和值类型接口
  • 重写getFieldOrder()来告诉C/C++的成员取值次序

下面我们通过一个栗子来看一下在Java只不过怎么模拟定义一个C/C++结构体：

C/C++代码

typedef struct A {
 B* b;
 void* args;
 int len;
};

typedef struct B {
 int obj_type;
};
C++
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Java代码

/* 结构体A定义 */ public static A extends Structure {

//构造函数定义 public A() {
 super();
 }

 public A(Pointer _a) {
 super(_a);
 }

 //结构体成员定义 public B.ByReference b;
 PointerByReference args;
 int len;

 //添加2个内部类，分别实现指针类型接口、值类型接口 public static class ByReference extends A implements Structure.ByReference {}
 public static class ByValue extends A implements Structure.ByValue{}

 //定义取值次序，需要与C/C++中对齐，不然会出现NoSuchFieldError @Override protected List getFieldOrder() {
 return Arrays.asList(new String[]{"b", "args", "len"});
 }
}

/* 结构体B定义 */ public static B extends Structure {
 public B() {
 super();
 }

 public B(Pointer _b) {
 super(_b);
 }

 int obj_type;

 public static class ByReference extends B implements Structure.ByReference {}
 public static class ByValue extends B implements Structure.ByValue{}

@Override protected List getFieldOrder() {
 return Arrays.asList(new String[]{"obj_type"});
 }
}
Java
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结构体传递

如果需要在Java端访问某个结构体的成员，需要使用ByReference(指针、引用)或是ByValue（拷贝参数）；如果只是起到数据传递，不关心具体内部结构，可以使用PointerByReference和Pointer。

test_myFun(struct A a)

test_myFun(A.ByValue a)
Text
Copy

test_myFun(struct A *a)

test_myFun(A.ByReference a)
Text
Copy

test_myFun(struct A a)**

test_myFun(A.ByReference[] a)
Text
Copy

test_myFun(A a)

test_myFun(Pointer a)
Text
Copy

test_myFun(A *a)

test_myFun(PointerByReference a)
Text
Copy

test_myFun(A a)**

test_myFun(PointerByReference[] a)
Text
Copy

回调函数

我们有时候会在C/C++中顶一个一个带回调函数的函数，例如：

typedef bool (*test_cb)(const char *name);

int test_myFun(test_cb cb, const char *name, uint32_t flag);
C++
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如果我们需要在Java端调用test_myFun函数，则我们需要在Java端定义一个与test\_cb相同的回调接口:

public interface testCallback extends Callback {
 //invoke对应test_cb，注意参数顺序需要保持一致 boolean invoke(String name);
}
Text
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定义该回调接口的实现:

public class testCallbackImpl implements testCallback {
 @Override public int invoke(String name) {
 System.out.printf("Invoke Callback " + name + " successfully!");
 return true;
 }
}
Text
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test_myFun函数Java端定义：

int testMyFun(Callback cb, String name, int flag);
Text
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调用实例：

int rc = testMyFun(new testCallbackImpl(), "helloworld", 1);
Text
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总结

其实我们可以看到，JNA使用的主要难点在于结构体定义和传递，只要弄清楚如何对付结构体，剩下的事情也就水到渠成了。说了这么多，其实就想告诉大家，在做跨语言调用时，尽量还是要封装一下函数、结构体，让数据传递时更为简单。

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创建于: 2023-10-23 09:59:32
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