Python代码一键转Jar包及Java调用Python新姿势

(编辑：jimmy 日期: 2024/11/15 浏览：2)

需求背景

进击的Python

随着人工智能的兴起，Python这门曾经小众的编程语言可谓是焕发了第二春。


Python代码一键转Jar包及Java调用Python新姿势

以tensorflow、pytorch等为主的机器学习／深度学习的开发框架大行其道，助推了python这门曾经以爬虫见长（python粉别生气）的编程语言在TIOBE编程语言排行榜上一路披荆斩棘，坐上前三甲的宝座，仅次于Java和C，将C++、JavaScript、PHP、C#等一众劲敌斩落马下。


Python代码一键转Jar包及Java调用Python新姿势
Python代码一键转Jar包及Java调用Python新姿势

当然，轩辕君向来是不提倡编程语言之间的竞争对比，每一门语言都有自己的优势和劣势，有自己应用的领域。
另一方面，TIOBE统计的数据也不能代表国内的实际情况，上面的例子只是侧面反映了Python这门语言如今的流行程度。

Java 还是 Python

说回咱们的需求上来，如今在不少的企业中，同时存在Python研发团队和Java研发团队，Python团队负责人工智能算法开发，而Java团队负责算法工程化，将算法能力通过工程化包装提供接口给更上层的应用使用。

可能大家要问了，为什么不直接用Java做AI开发呢？要弄两个团队。其实，现在包括TensorFlow在内的框架都逐渐开始支持Java平台，用Java做AI开发也不是不行（轩辕君的前同事就已经在这样做了），但限于历史原因，做AI开发的人本就不多，而这一些人绝大部分都是Python技术栈入坑，Python的AI开发生态已经建设的相对完善，所以造成了在很多公司中算法团队和工程化团队使用不同的语言。

现在该抛出本文的重要问题：Java工程化团队如何调用Python的算法能力？

答案基本上只有一个：Python通过Django/Flask等框架启动一个Web服务，Java中通过Restful API与之进行交互

上面的方式的确可以解决问题，但随之而来的就是性能问题。尤其是在用户量上升后，大量并发接口访问下，通过网络访问和Python的代码执行速度将成为拖累整个项目的瓶颈。

当然，不差钱的公司可以用硬件堆出性能，一个不行，那就多部署几个Python Web服务。

那除此之外，有没有更实惠的解决方案呢？这就是这篇文章要讨论的问题。

给Python加速

寻找方向

上面的性能瓶颈中，拖累执行速度的原因主要有两个：

  • 通过网络访问，不如直接调用内部模块快
  • Python是解释执行，快不起来

众所周知，Python是一门解释型脚本语言，一般来说，在执行速度上：

解释型语言 < 中间字节码语言 < 本地编译型语言

自然而然，我们要努力的方向也就有两个：

  • 能否不通过网络访问，直接本地调用
  • Python不要解释执行

结合上面的两个点，我们的目标也清晰起来：

将Python代码转换成Java可以直接本地调用的模块

对于Java来说，能够本地调用的有两种：

  • Java代码包
  • Native代码模块

其实我们通常所说的Python指的是CPython，也就是由C语言开发的解释器来解释执行。而除此之外，除了C语言，不少其他编程语言也能够按照Python的语言规范开发出虚拟机来解释执行Python脚本：

  • CPython: C语言编写的解释器
  • Jython: Java编写的解释器
  • IronPython: .NET平台的解释器
  • PyPy: Python自己编写的解释器（鸡生蛋，蛋生鸡)

Jython"text-align: center">
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流程并不复杂，但要完整实现这个目标，有两个关键问题需要解决：

1.Python代码如何转换成C代码？

终于要轮到本文的主角登场了，将要用到的一个核心工具叫：Cython

请注意，这里的Cython和前面提到的CPython不是一回事。CPython狭义上是指C语言编写的Python解释器，是Windows、Linux下我们默认的Python脚本解释器。

而Cython是Python的一个第三方库，你可以通过pip install Cython进行安装。

官方介绍Cython是一个Python语言规范的超集，它可以将Python+C混合编码的.pyx脚本转换为C代码，主要用于优化Python脚本性能或Python调用C函数库。

听上去有点复杂，也有点绕，不过没关系，get一个核心点即可：Cython能够把Python脚本转换成C代码

来看一个实验：

# FileName: test.py
def test_function():
 print("this is print from python script")

将上述代码通过Cython转化，生成test.c，长这个样子：

另外添加一个main.c，在其中实现C语言的main函数，并调用原python中的函数：

extern void test_function();
int main() {
 test_function();
 return 0;
}

输出结果：

可以正常工作！

2.转换后的C代码如何包装成JNI接口使用

实际动手

1.Python源代码

def logic(param):
 print('this is a logic function')

# 接口函数，导出给Java Native的接口
def JNI_API_TestFunction(param):
 print("enter JNI_API_test_function")
 logic(param)
 print("leave JNI_API_test_function")

2.使用Cython工具转换成C代码

3.编译生成动态库

4.封装为Jar包

准备一个JNI调用的Interface：JNITest.java

public class JNITest {
 native boolean Java_PkgName_module_initModule( );
 native void Java_PkgName_module_uninitModule( );
 native String Java_PkgName_module_TestFunction(String param);
}

这里有3个native方法：

  • initModule: 对应C代码中Java_JNITest_initModule(),主要完成Python初始化
  • uninitModule: 对应C代码中Java_JNITest_uninitModule(),主要完成Python反初始化
  • TestFunction: 对应C代码中的Java_JNITest_TestFunction(),为核心业务接口

接口声明文件+二进制动态库文件准备就绪，开始打包：

jar -cvf JNITest.jar ./JNITest

5.Java调用

关键问题

1.import问题

上面演示的案例只是一个单独的py文件，而实际工作中，我们的项目通常是具有多个py文件，并且这些文件通常是构成了复杂的目录层级，互相之间各种import关系，错综复杂。

Cython这个工具有一个最大的坑在于：经过其处理的文件代码中会丢失代码文件的目录层级信息，如下图所示，C.py转换后的代码和m/C.py生成的代码没有任何区别。


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这就带来一个非常大的问题：A.py或B.py代码中如果有引用m目录下的C.py模块，目录信息的丢失将导致二者在执行import m.C时报错，找不到对应的模块！

幸运的是，经过实验表明，在上面的图中，如果A、B、C三个模块处于同一级目录下时，import能够正确执行。

轩辕君曾经尝试阅读Cython的源代码，并进行修改，将目录信息进行保留，使得生成后的C代码仍然能够正常import，但限于时间仓促，对Python解释器机理了解不足，在一番尝试之后选择了放弃。

在这个问题上卡了很久，最终选择了一种笨办法：将树形的代码层级目录展开成为平坦的目录结构，就上图中的例子而言，展开后的目录结构变成了

A.py
B.py
m_C.py

单是这样还不够，还需要对A、B中引用到C的地方全部进行修正为对m_C的引用。

这看起来很简单，但实际情况远比这复杂，在Python中，import可不只有import这么简单，有各种各样复杂的形式：

import package
import module
import package.module
import module.class / function
import package.module.class / function
import package.*
import module.*
from module import *
from module import module
from package import *
from package import module
from package.module import class / function
...

除此之外，在代码中还可能存在直接通过模块进行引用的写法。

展开成为平坦结构的代价就是要处理上面所有的情况！轩辕君无奈之下只有出此下策，如果各位大佬有更好的解决方案还望不吝赐教。

2.Python GIL问题

Python转换后的jar包开始用于实际生产中了，但随后发现了一个问题：

每当Java并发数一上去之后，JVM总是不定时出现Crash

随后分析崩溃信息发现，崩溃的地方正是在Native代码中的Python转换后的代码中。

  • 难道是Cython的bug？
  • 转换后的代码有坑？
  • 还是说上面的import修正工作有问题？

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崩溃的乌云笼罩在头上许久，冷静下来思考：
为什么测试的时候正常没有发现问题，上线之后才会崩溃？

再次翻看崩溃日志，发现在native代码中，发生异常的地方总是在malloc分配内存的地方，难不成内存被破坏了？
又敏锐的发现测试的时候只是完成了功能性测试，并没有进行并发压力测试，而发生崩溃的场景总是在多并发环境中。多线程访问JNI接口，那Native代码将在多个线程上下文中执行。

猛地一个警觉：99%跟Python的GIL锁有关系！

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众所周知，限于历史原因，Python诞生于上世纪九十年代，彼时多线程的概念还远远没有像今天这样深入人心过，Python作为这个时代的产物一诞生就是一个单线程的产品。

虽然Python也有多线程库，允许创建多个线程，但由于C语言版本的解释器在内存管理上并非线程安全，所以在解释器内部有一个非常重要的锁在制约着Python的多线程，所以所谓多线程实际上也只是大家轮流来占坑。

原来GIL是由解释器在进行调度管理，如今被转成了C代码后，谁来负责管理多线程的安全呢？

由于Python提供了一套供C语言调用的接口，允许在C程序中执行Python脚本，于是翻看这套API的文档，看看能否找到答案。

幸运的是，还真被我找到了：

获取GIL锁：


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释放GIL锁：
Python代码一键转Jar包及Java调用Python新姿势

在JNI调用入口需要获得GIL锁，接口退出时需要释放GIL锁。

加入GIL锁的控制后，烦人的Crash问题终于得以解决！

测试效果

准备两份一模一样的py文件，同样的一个算法函数，一个通过Flask Web接口访问，（Web服务部署于本地127.0.0.1，尽可能减少网络延时），另一个通过上述过程转换成Jar包。

在Java服务中，分别调用两个接口100次，整个测试工作进行10次，统计执行耗时：


Python代码一键转Jar包及Java调用Python新姿势

上述测试中，为进一步区分网络带来的延迟和代码执行本身的延迟，在算法函数的入口和出口做了计时，在Java执行接口调用前和获得结果的地方也做了计时，这样可以计算出算法执行本身的时间在整个接口调用过程中的占比。

  • 从结果可以看出，通过Web API执行的接口访问，算法本身执行的时间只占到了30%+，大部分的时间用在了网络开销（数据包的收发、Flask框架的调度处理等等）。
  • 而通过JNI接口本地调用，算法的执行时间占到了整个接口执行时间的80%以上，而Java JNI的接口转换过程只占用10%+的时间，有效提升了效率，减少额外时间的浪费。
  • 除此之外，单看算法本身的执行部分，同一份代码，转换成Native代码后的执行时间在300~500μs，而CPython解释执行的时间则在2000~4000μs，同样也是相差悬殊。

总结

本文提供了一种Java调用Python功能的新思路，仅供参考，其成熟度和稳定性还有待商榷，通过HTTP Restful接口访问仍然是跨语言对接的首选。

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