在Java中调用Python

写在前面
在微服务架构大行其道的今天，对于将程序进行嵌套调用的做法其实并不可取，甚至显得有些愚蠢。当然，之所以要面对这个问题，或许是因为一些历史原因，或者仅仅是为了简单。恰好我在项目中就遇到了这个问题，需要在Java程序中调用Python程序。关于在Java中调用Python程序的实现，根据不同的用途可以使用多种不同的方法，在这里就将在Java中调用Python程序的方式做一个总结。

直接通过Runtime进行调用
我们知道，在Java中如果需要调用第三方程序，可以直接通过Runtime实现，这也是最直接最粗暴的做法。

public class InvokeByRuntime {/*** @param args* @throws IOException * @throws InterruptedException */public static void main(String[] args) throws IOException， InterruptedException {String exe = "python";String command = "D:\\calculator_simple.py";String num1 = "1";String num2 = "2";String[] cmdArr = new String[] {exe， command， num1， num2};Process process = Runtime.getRuntime().exec(cmdArr);InputStream is = process.getInputStream();DataInputStream dis = new DataInputStream(is);String str = dis.readLine();process.waitFor();System.out.println(str);}
}

输出：

3
calculator_simple.py:

# coding=utf-8
from sys import argvnum1 = argv[1]
num2 = argv[2]
sum = int(num1) + int(num2)
print sum

显然，在Java中通过Runtime调用Python程序与直接执行Python程序的效果是一样的，可以在Python中读取传递的参数，也可以在Java中读取到Python的执行结果。需要注意的是，不能在Python中通过return语句返回结果，只能将返回值写入到标准输出流中，然后在Java中通过标准输入流读取Python的输出值。

通过Jython调用
通过Jython调用Python？我在听到这个概念的时候一脸懵逼，不是说好的在Java中调用Python程序吗？这个Jython是什么鬼？难道是一个在Java中调用Python程序的组件或工具？其实，关于Jython是什么这个疑问，我估计有许多人在一开始接触的时候也是很疑惑的，下面我们就一一道来。

1. 什么是Jython
Jython主页：http://www.jython.org/currentdocs.html
按照官方的定义，Jython是Python语言在Java平台的实现。这个概念似乎有点拗口，反正我一开始并没有理解。Python难道不已经是一门语言了吗？什么叫做Jython是Python语言在Java平台的实现？
实际上，之所以存在这样的困惑主要是因为我们对Python语言的相关概念掌握和理解不清楚导致的。
Python其实只是一个语言规范，它存在多个不同语言实现的版本。具体来说，目前Python语言存在如下几个具体实现：
（1）CPython：CPython是标准Python，也是其他Python编译器的参考实现。通常提到“Python”一词，都是指CPython。CPython由C编写，将Python源码编译成CPython字节码，由虚拟机解释执行。没有用到JIT等技术，垃圾回收方面采用的是引用计数。
（2）Jython：Jython是在JVM上实现的Python，由Java编写。Jython将Python源码编译成JVM字节码，由JVM执行对应的字节码。因此能很好的与JVM集成，比如利用JVM的垃圾回收和JIT，直接导入并调用JVM上其他语言编写的库和函数。
（3）IronPython：IronPython与Jython类似，所不同的是IronPython在CLR上实现的Python，即面向.NET平台，由C#编写。IronPython将源码编译成TODO CLR，同样能很好的与.NET平台集成。即与Jython相同，可以利用.NET框架的JIT、垃圾回收等功能，能导入并调用.NET上其他语言编写的库和函数。IronPython默认使用Unicode字符串。
（4）PyPy：这里说的PyPy是指使用RPython实现，利用Tracing JIT技术实现的Python，而不是RPython工具链。PyPy可以选择多种垃圾回收方式，如标记清除、标记压缩、分代等。
（5）Pyston：Pyston由Dropbox开发，使用C++11编写，采用Method-at-a-time-JIT和Mark Sweep——Stop the World的GC技术。Pyston使用类似JavaScript V8那样的多层编译，其中也用到了LLVM来优化代码。

所以，我们现在再来理解什么是Jython就非常清楚了：Jython是Python语言规范在Java平台的具体实现。具体来说，可以将Python源码编译为JVM可以解释执行的字节码。
Jython原本叫做JPython，于1997年由Jim Hugunin创建，后来在1999年2.0版本发布的时候由Barry Warsaw更名为Jython，在这里我们就不再深究为什么要把JPython更名为Jython的原因了。注意： Jython从2.0版本开始就与CPython的版本保持一致，即：Jython 2.7与CPython 2.7保持对应。

虽然我们理解了什么是Jython，但是还存在一个疑问，为什么Python语言存在这么多不同语言的实现呢？为什么不能就只存在一个C语言实现的版本就可以了呢？存在这么多版本，真的给初学者带来了许多困惑。
当然，要回答这个问题可能就需要深究一些历史的原因了，就此打住。我们在此只讨论使用Jython能做什么以及如何使用Jython？

2. 使用Jython能做什么
既然Jython是Python语言在Java平台的实现，是Java语言实现的，那么是否可以在Jython程序中调用Java，在Java中也能调用Jython呢？
答案是肯定的，实际上，Jython的主要通途就是在Java中调用Python程序；而且，还可以直接在Jython程序中引用Java。

3. 如何使用Jython
3.1 安装Jython
在Jython的官方下载页面我们可以看到如下描述（详见：http://www.jython.org/downloads.html）

显然，可以下载2个Jython的jar包。其中，jython-installer-${version}.jar是用于安装Jython的，jython-standalone-${version}.jar用于嵌入到Java程序中使用。
什么意思？我一开始也是很疑惑，为什么要提供2个不同的jar包呢？他们有什么不同呢？2个不同的Jar包如何使用呢？
首先，jython-installer-${version}.jar用于安装Jython，就好比我们需要安装JRE，用于运行Java程序。除此之外，当需要在Python程序中引用一些公共的第三方库时，也需要先安装Jython才能下载所依赖的模块。

下载jython-installer-${version}.jar完毕之后，进入控制台，执行如下命令：

java -jar jython-installer-${version}.jar
此时会弹出一个图形化的安装界面，只需要一步一步选择相应参数进行安装即可。安装完毕之后，请将Jython安装目录添加为环境变量JYTHON_HOME，同时添加bin目录到PATH变量中：PATH=$PATH:$JYTHON_HOME/bin。
进入控制台，执行如下命令就可以进入Jython的交互环境，这与CPython（我们通常说的Python）的命令行交互环境是一样的。

java -jar jython-installer-${version}.jar

此时会弹出一个图形化的安装界面，只需要一步一步选择相应参数进行安装即可。安装完毕之后，请将Jython安装目录添加为环境变量JYTHON_HOME，同时添加bin目录到PATH变量中：PATH=$PATH:$JYTHON_HOME/bin。
进入控制台，执行如下命令就可以进入Jython的交互环境，这与CPython（我们通常说的Python）的命令行交互环境是一样的。

> jython
Jython 2.7.0 (default:9987c746f838， Apr 29 2015， 02:25:11)
[Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (Oracle Corporation)] on java1.8.0_121
Type "help"， "copyright"， "credits" or "license" for more information.
>>> print("hello，world")
hello，world
>>>

当然，我们还可以使用jython命令运行一个Python程序。

> jython helloworld.py
hello，world

helloworld.py:

import sysprint("hello，world")

上面我们看到在Jython官网提供了2个Jar包，一个用于安装Jython，执行Python程序。那么，jython-standalone-${version}.jar又有什么用途呢？
实际上，当我们需要在Java中调用Python程序时，除了直接使用Java的Runtime调用，还可以直接使用Jython的API进行调用，而且通过Jython API可以直接调用Python程序中的指定函数或者对象方法，粒度更加精细。
当我们需要调用Jython的API时有两种方式：
第一，如果项目使用Maven进行构建，可以直接添加Jython的依赖配置到pom.xml文件中，如：

<dependency><groupId>org.python</groupId><artifactId>jython</artifactId><version>2.7.0</version>
</dependency>

第二，可以直接将jython-standalone-${version}.jar添加到项目classpath中，这样也可以调用Jython的相关API了。也就是说，jython-standalone-${version}.jar就是一个提供Jython API的jar独立jar包。

3.2 Java调用Python程序实践
Java通过Jython API调用Python程序，有几种用法：
（1）在Java中执行Python语句，相当于在Java中嵌入了Python程序，这种用法不常见，也没有太大的实际意义。

public static void main(String[] args) {System.setProperty("python.home"， "D:\\jython2.7.0");PythonInterpreter interp = new PythonInterpreter();// 执行Python程序语句interp.exec("import sys");interp.set("a"， new PyInteger(42));interp.exec("print a");interp.exec("x = 2+2");PyObject x = interp.get("x");System.out.println("x: " + x);

输出：

42
x: 4

（2）在Java中简单调用Python程序，不需要传递参数，也不需要获取返回值。

public static void main(String[] args) throws IOException {System.setProperty("python.home"， "D:\\jython2.7.0");String python = "D:\\simple_python.py";PythonInterpreter interp = new PythonInterpreter();interp.execfile(python);interp.cleanup();interp.close();
}

simple_python.py:# coding=utf-8
print("Do simple thing in Python")
print("输出中文")

（3）在Java中单向调用Python程序中的方法，需要传递参数，并接收返回值。Python既支持面向函数式编程，也支持面向对象编程。因此，调用Python程序中的方法也分别以面向函数式编程和面向对象式编程进行说明。

public static void main(String[] args) throws IOException {System.setProperty("python.home"， "D:\\jython2.7.0");// 1. Python面向函数式编程: 在Java中调用Python函数String pythonFunc = "D:\\calculator_func.py";PythonInterpreter pi1 = new PythonInterpreter();// 加载python程序pi1.execfile(pythonFunc);// 调用Python程序中的函数PyFunction pyf = pi1.get("power", PyFunction.class);PyObject dddRes = pyf.__call__(Py.newInteger(2), Py.newInteger(3));System.out.println(dddRes);pi1.cleanup();pi1.close();// 2. 面向对象式编程: 在Java中调用Python对象实例的方法String pythonClass = "D:\\calculator_clazz.py";// python对象名String pythonObjName = "cal";// python类名String pythonClazzName = "Calculator";PythonInterpreter pi2 = new PythonInterpreter();// 加载python程序pi2.execfile(pythonClass);// 实例化python对象pi2.exec(pythonObjName + "=" + pythonClazzName + "()");// 获取实例化的python对象PyObject pyObj = pi2.get(pythonObjName);// 调用python对象方法,传递参数并接收返回值PyObject result = pyObj.invoke("power", new PyObject[] {Py.newInteger(2), Py.newInteger(3)}); double power = Py.py2double(result);System.out.println(power);pi2.cleanup();pi2.close();

输出：

8.0
8.0

calculator_func.py：

# coding=utf-8
import math# 面向函数式编程
def power(x, y):return math.pow(x, y)

calculator_clazz.py：

# coding=utf-8
import math# 面向对象编程
class Calculator(object):# 计算x的y次方def power(self, x, y):return math.pow(x,y)

（4）高级调用，也是在Java中调用Python程序最常见的用法：Python程序可以实现Java接口，在Python中也可以调用Java方法。

public static void main(String[] args) throws IOException {System.setProperty("python.home"， "D:\\jython2.7.0");// Python程序路径String python = "D:\\python\\fruit_controller.py";// Python实例对象名String pyObjName = "pyController";// Python类名String pyClazzName = "FruitController";Fruit apple = new Apple();Fruit orange = new Orange();PythonInterpreter interpreter = new PythonInterpreter();// 如果在Python程序中引用了第三方库,需要将这些被引用的第三方库所在路径添加到系统环境变量中// 否则,在执行Python程序时将会报错: ImportError: No module named xxxPySystemState sys = interpreter.getSystemState();sys.path.add("D:\\python");// 加载Python程序interpreter.execfile(python);// 实例 Python对象interpreter.exec(pyObjName + "=" + pyClazzName + "()");// 1.在Java中获取Python对象,并将Python对象转换为Java对象// 为什么能够转换? 因为Python类实现了Java接口,通过转换后的Java对象只能调用接口中定义的方法GroovyController controller = (GroovyController) interpreter.get(pyObjName).__tojava__(GroovyController.class);controller.controllFruit(apple);controller.controllFruit(orange);// 2.在Java直接通过Python对象调用其方法// 既可以调用实现的Java接口方法,也可以调用Python类自定义的方法PyObject pyObject =	interpreter.get(pyObjName);pyObject.invoke("controllFruit", Py.java2py(apple));pyObject.invoke("controllFruit", Py.java2py(orange));pyObject.invoke("printFruit", Py.java2py(apple));pyObject.invoke("printFruit", Py.java2py(orange));// 3.在Java中获取Python类进行实例化对象: 没有事先创建 Python对象PyObject pyClass = interpreter.get("FruitController");PyObject pyObj = pyClass.__call__();pyObj.invoke("controllFruit", Py.java2py(apple));pyObj.invoke("controllFruit", Py.java2py(orange));PyObject power = pyObj.invoke("power", new PyObject[] {Py.newInteger(2), Py.newInteger(3)});if(power != null) {double p = Py.py2double(power);System.out.println(p);}interpreter.cleanup();interpreter.close();
}

输出：

Show: I am a java apple.
controllFruit Python Apple
controllFruit END
Show: I am a java orange.
controllFruit Python Orange
controllFruit END
Show: I am a java apple.
controllFruit Python Apple
controllFruit END
Show: I am a java orange.
controllFruit Python Orange
controllFruit END
Show: I am a java apple.
printFruit Python Apple
printFruit END
Show: I am a java orange.
printFruit Python Orange
printFruit END
Show: I am a java apple.
controllFruit Python Apple
controllFruit END
Show: I am a java orange.
controllFruit Python Orange
controllFruit END
8.0

fruit_controller.py：

# coding=utf-8from calculator_clazz import Calculator
from java.lang import String
from org.test.inter import GroovyController
from org.test.inter import Fruit# 在Python中实现Java接口: org.test.inter.GroovyController
class FruitController(GroovyController):# 实现接口方法def controllFruit(self, fruit):# 在Python中调用Java对象方法fruit.show()if(fruit.getType() == "apple"):print ("controllFruit Python Apple")if(fruit.getType() == "orange"):print ("controllFruit Python Orange")print ("controllFruit END")# 自定义新方法    def printFruit(self, fruit):fruit.show()if(fruit.getType() == "apple"):print ("printFruit Python Apple")if(fruit.getType() == "orange"):print ("printFruit Python Orange")print ("printFruit END")# 引用第三方python程序def power(self, x, y):cal = Calculator()return cal.power(x, y)

Java接口和实现类：

// 该接口用于在Python中实现
public interface GroovyController {public void controllFruit(Fruit fruit);
}// 在Java中使用的接口
public interface Fruit {public String getName();public String getType();public void show();
}// Apple
public class Apple implements Fruit {public String getName() {return "java apple";}public String getType() {return "apple";}public void show() {System.out.println("Show: I am a java apple.");}
}// Orange
public class Orange implements Fruit {public String getName() {return "ava orange";}public String getType() {return "orange";}public void show() {System.out.println("Show: I am a java orange.");}

另外，对于在eclipse中运行时控制台报错：

Failed to install '': java.nio.charset.UnsupportedCharsetException: cp0

请添加VM参数：-Dpython.console.encoding=UTF-8，详见：http://blog.csdn.net/xfei365/article/details/50955731

总结
虽然在Java中调用Python可以有多种方式解决，甚至因为Jython的出现更显得非常便利。但是这种程序间嵌套调用的方式不可取，首先抛开调用性能不说，增加了耦合复杂度。更加有效的方式应该是通过RPC或者RESTful接口进行解耦，这样各司其职，也便于扩展，良好的架构是一个项目能够健康发展的基础。在微服务架构大行其道的今天，这种程序间嵌套调用的方式将会逐渐被淘汰。