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 argv

num1 = 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。

> 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 sys

print("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 xxx
    PySystemState 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-8

from 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。
关于Python解释器的说明还可以参考廖雪峰老师的博客：https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1016959663602400/1016966024263840

【参考】
http://tonl.iteye.com/blog/1918245 Java调用Python
http://blog.csdn.net/supermig/article/details/24005585 Learning Python -- Java 通过JyThon调用Python实现的规则
http://blog.csdn.net/hpp1314520/article/details/72854011 java 利用Runtime.getRuntime().exec()调用python脚本并传参
http://blog.csdn.net/xingjiarong/article/details/49424253 java调用python方法总结
https://zh.wikipedia.org/wiki/Jython Jython
http://lib.csdn.net/article/python/1654 Jython的安装及简单例子
https://coolshell.cn/articles/2631.html 五大基于JVM的脚本语言
http://python.jobbole.com/82703/ 各种 Python 实现的简单介绍与比较
https://www.oschina.net/translate/why-are-there-so-many-pythons 为什么有这么多 Python?