LuaJavaBridge - Lua 与 Java 互操作的简单解决方案

我会带着你远行 2022-08-11 11:59 172阅读 0赞

转自 http://dualface.github.io/blog/2013/01/01/call-java-from-lua/，谢谢原作者~

最近在游戏里要集成中国移动的 SDK，而这些 SDK 都是用 Java 编写的。由于我们整个游戏都是使用 Lua 开发的，所以就面对 Lua 与 Java 互操作的问题。  
  
  
传统做法是先用 C/C++ 借助 JNI（Java Native Interface）编写调用 Java 的接口函数，然后再将这些函数通过 tolua++ 导出给 Lua 使用。这种做法最大的问题就是太繁琐，而且稍微有一点点修改，就要重新编译，严重降低了开发效率。  
  
  
我尝试写了几个接口函数后，发现 JNI 提供了完善的接口来操作 Java，比如查找特定的 Class、Method 等等。既然有这些东西，我想完全可以实现一个很薄的转接层。这个层会提供一些函数，让 Lua 代码可以直接调用到 Java 的方法。  
  
  
经过一番努力，LuaJavaBridge（简称 luaj）诞生了。  
  
  
luaj 主要特征  
可以从 Lua 调用 Java Class Static Method  
调用 Java 方法时，支持 int/float/boolean/String/Lua function 五种参数类型  
可以将 Lua function 作为参数传递给 Java，并让 Java 保存 Lua function 的引用  
可以从 Java 调用 Lua 的全局函数，或者调用引用指向的 Lua function  
luaj 的功能很简单，但对于集成各种 SDK 来说已经完全满足需求了。  
  
  
luaj 用法示例  
下面的代码是我们游戏中实际使用的中国移动支付 SDK 调用代码，luaj 好不好用一目了然：  
  
  
Lua 代码:

\--\[\[  
购买 1000 金币  
  
  
Java 方法原型:  
public static void GameInterface\_doBilling(final String billingIndex,  
        final boolean useSms,  
        final boolean isRepeated,  
        final int luaFunctionId)  
\]\]  
  
  
\-- 用于处理支付结果的函数  
local function callback(result)  
    if result == "success" then  
        game.state:increaseCoins(1000)  
        game.state:save()  
    end  
end  
  
  
\-- 调用 Java 方法需要的参数  
local args = \{  
    "001",    -- billingIndex  
    true,     -- useSms  
    true,     -- isRepeated  
    callback  -- luaFunctionId  
\}  
\-- Java 类的名称  
local className = "com/qeeplay/frameworks/ChinaMobile\_SDK"  
\-- 调用 Java 方法  
luaj.callStaticMethod(className, "GameInterface\_doBilling", args)  
  
luaj 实现原理  
luaj 的核心目标有两个：从 Lua 调用 Java, 从 Java 调用 Lua。整理出来就是如下几点：  
  
  
查找并调用指定的 Java 方法  
检查调用结果，并从 Java 方法获取返回值  
将 Lua function 作为参数传递给 Java 方法  
在 Java 方法中调用 Lua function  
查找并调用指定的 Java 方法  
JNI 提供了 FindClass() 方法用于查找指定的 Class，所以 luaj.callStaticMethod() 的第一个参数就是要调用的 Java Class 的完整类名称（类名称中的“.”要替换为“/”）。  
  
  
找到指定 Class 后，利用 JNI 的 GetStaticMethodID() 方法就可以找到这个类的指定静态方法，前提是要提供静态方法的名称和签名。  
  
  
所谓签名，就是指 Java 方法的参数类型和返回类型定义。例如前面示例代码中 GameInterface\_doBilling() 方法的签名是 (Ljava/lang/String;ZZI)V 。关于 Java 方法签名的具体定义，可以参考：JNI Type Signatures。  
  
  
由于签名写起来有点啰嗦，所以 luaj 可以根据调用参数自动猜测方法签名。示例代码中，luaj.callStaticMethod() 的第二个参数指定了要查找的方法名称，但并没有提供方法的签名，这就是利用了 luaj 的自动猜测签名功能。  
  
  
示例代码一共指定了 4 个参数，分别是：字符串、布尔值、布尔值、Lua function。  
  
\-- 调用 Java 方法需要的参数  
local args = \{  
    "001",          -- billingIndex  
    true,           -- useSms  
    true,           -- isRepeated  
    callback        -- luaFunctionId  
\}  
luaj 根据这 4 个参数，会构造出正确的 GameInterface\_doBilling() 方法签名。注意 Lua function 是以整数的形式传入 Java 方法，所以 Java 方法的第四个参数是 int 类型）。  
  
  
不幸的是 Lua 里没有办法准确判断一个数值是整数还是浮点数，所以 luaj 在猜测方法签名时，假定所有的数值都是浮点数。因此下面的代码第二个调用就会失败：  
  
local args = \{1\} -- 生成的方法签名是 (F)V  
  
  
\--\[\[  
Java 方法原型:  
public static void TestMethod1(final float integerValue)  
\]\]  
\-- 调用成功  
luaj.callStaticMethod(className, "TestMethod1", args)  
  
  
\--\[\[  
Java 方法原型:  
public static void TestMethod2(final int integerValue)  
\]\]  
\-- 调用失败，正确的方法签名应该是 (I)V  
luaj.callStaticMethod(className, "TestMethod2", args)  
为此，luaj 允许开发者指定完整的方法签名。而且除了整数和浮点数的情况，在需要从 Java 方法获得返回值时，也需要开发者指定完整的方法签名。示例代码如下：  
  
local args =\{"StringValue", 1, 3.14\}  
  
  
\--\[\[  
Java 方法原型:  
public static int TestMethod3(final String stringValue,  
        final int integerValue,  
        final float floatValue)  
\]\]  
  
  
\-- 定义签名  
\-- 参数: \[S\]tring, \[I\]nteger, \[F\]loat  
\-- 返回值: \[I\]nt  
local sig = "(Ljava/lang/String;IF)I"  
  
  
\-- 调用方法并获得返回值  
local ok, ret = luaj.callStaticMethod(className, "TestMethod3", args, sig)  
~  
  
  
签名使用“(依次排列的参数类型)返回值类型”的格式，几个例子如下：  
  
  
签名解释  
()V参数：无，返回值：无  
(I)V参数：int，返回值：无  
(Ljava/lang/String;)Z参数：字符串，返回值：布尔值  
(IF)Ljava/lang/String;参数：整数、浮点数，返回值：字符串  
这里列出不同类型对应的 Java 签名字符串：  
  
  
类型名类型  
I整数，或者 Lua function  
F浮点数  
Z布尔值  
Ljava/lang/String;字符串  
VVoid 空，仅用于指定一个 Java 方法不返回任何值  
Java 方法里接收 Lua function 的参数必须定义为 int 类型，具体原因详见“将 Lua function 作为参数传递给 Java 方法”小节。  
  
  
~  
  
  
检查调用结果，并从 Java 方法获取返回值  
luaj 调用 Java 方法时，可能会出现各种错误，因此 luaj 提供了一种机制让 Lua 调用代码可以确定 Java 方法是否成功调用。  
  
  
luaj.callStaticMethod() 会返回两个值：  
  
  
当成功时，第一个值为 true，第二个值是 Java 方法的返回值（如果有）。  
当失败时，第一个值为 false，第二个值是错误代码。  
下面的代码展示了如何检查返回结果和获得返回值：  
  
  
Java 代码  
1  
2  
3  
4  
public static int AddTwoNumbers(final int number1,  
        final int number2) \{  
    return number1 + number2;  
\}  
Lua 代码  
local args = \{2, 3\}  
local sig = "(II)I"  
local ok, ret = luaj.callStaticMethod(className, "AddTwoNumbers", args, sig)  
  
  
if not ok then  
    print("luaj error:", ret)  
else  
    print("ret:", ret) -- 输出 ret: 5  
end  
~  
  
  
错误代码定义如下：  
  
  
错误代码描述  
\-1不支持的参数类型或返回值类型  
\-2无效的签名  
\-3没有找到指定的方法  
\-4Java 方法执行时抛出了异常  
\-5Java 虚拟机出错  
\-6Java 虚拟机出错  
~  
  
  
将 Lua function 作为参数传递给 Java 方法  
很多时候，我们需要一种方法让 Java 代码可以向 Lua 代码传递一些消息。例如在大部分游戏平台的 SDK 中，涉及支付的部分都是异步操作的。在支付操作结束后，Java 代码需要通知 Lua 支付成功与否。  
  
  
Lua 虚拟机中，Lua function 以值的形式保存。但这个值无法直接给 Java 用，所以 luaj 做了一个 Lua function 引用表。当一个 Lua function 传递给 Java 时，这个 function 对应的值会被存在引用表中，并获得一个唯一的引用 ID （整数）。Java 代码拿到这个引用 ID 后，就可以很方便的调用该 Lua function 了。  
  
  
回顾最开始的示例代码，GameInterface\_doBilling() 函数用于接收 Lua function 的参数就是 int 类型。因为实际传入 Java 函数的值是 Lua function 的引用 Id。  
  
  
~  
  
  
在 Java 方法中调用 Lua function  
在 Java 代码中拿到 Lua function 的引用 ID 后，就可以很方便的调用该 Lua function 了：  
  
  
1  
LuaJavaBridge.callLuaFunctionWithString(luaFunctionId, "hello");  
这里出现的 LuaJavaBridge 是 luaj 的 Java 部分定义的工具 class。 callLuaFunctionWithString() 方法可以将一个字符串参数传递给指定的 Lua function。  
  
  
LuaJavaBridge 还提供了 callLuaGlobalFunctionWithString() 方法，可以直接调用 Lua 中指定名字的全局函数。这样可以在没有 Lua function 引用 ID 的情况下和 Lua 代码交互。  
  
  
由于自己的项目暂时没更多需求，所以目前 luaj 只支持向 Lua function 传递单个字符串参数。  
  
  
~  
  
  
GL 线程和 UI 线程的协调  
cocos2d-x for Android 运行在多线程环境下，所以在 Lua 和 Java 交互时需要注意选择适当的线程。  
  
  
~  
  
  
cocos2d-x 在 Android 上以两个线程来运行，分别是负责图像渲染的 GL 线程和负责 Android 系统用户界面的 UI 线程。  
  
  
在 cocos2d-x 启动后，Lua 代码将由 GL 线程调用，因此从 Lua 中调用的 Java 方法如果涉及到系统用户界面的显示、更新操作，那么就必须让这部分代码切换到 UI 线程上去运行。  
反之亦然，从 Java 调用 Lua 代码时，需要让这个调用在 GL 线程上执行，否则 Lua 代码虽然执行了，但会无法更新 cocos2d-x 内部状态。  
下面是 GameInterface\_doBilling() 方法的主要代码：  
  
public static void GameInterface\_doBilling(final String billingIndex,  
    final boolean useSms,  
    final boolean isRepeated,  
    final int luaFunctionId) \{  
  context.runOnUiThread(new Runnable() \{  
    @Override  
    public void run() \{  
      GameInterface.doBilling(useSms, isRepeated, billingIndex, new BillingCallback() \{  
  
  
        ...  
  
  
        @Override  
        public void onBillingSuccess() \{  
          context.runOnGLThread(new Runnable() \{  
            @Override  
            public void run() \{  
              LuaJavaBridge.callLuaFunctionWithString(luaFunctionId, "success");  
              LuaJavaBridge.releaseLuaFunction(luaFunctionId);  
            \}  
          \});  
        \}  
  
  
        ...  
  
  
      \});  
    \}  
  \});  
\}  
~  
  
  
方法中，构造了一个 Runnable 对象，用来包装需要执行的 Java 代码。这个 Runnable 对象被指定运行在 UI 线程上。这样当调用 GameInterface.doBilling() 方法时就可以正确显示出支付界面。  
  
  
当用户支付成功后，GameInterface.doBilling() 会调用 BillingCallback.onBillingSuccess() 方法。这个方法里构造了另一个 Runnable 对象，包装了调用 Lua function 的代码。  
  
  
看上去代码不少，实际上就是在两个线程间互相切换。确保 Lua function 跑在 GL 线程，Java 代码跑在 UI 线程。  
  
  
~  
  
  
Lua function 的引用计数器  
Lua 虚拟机具有自动垃圾回收机制。Lua function 既然是值，那么在没有被使用时自然会被回收掉。所以 luaj 提供了 retainLuaFunction() 和 releaseLuaFunction() 两个函数用于增减 Lua function 的引用计数。  
  
  
将一个 Lua function 以引用 ID 的形式传入 Java 时，luaj 会自动增加引用 ID 的计数器，所以在 Java 方法里可以放心的异步调用 Lua function。但在不需要使用该 Lua function 后，一定要调用 releaseLuaFunction() 减少该引用 ID 的计数器。当计数器为 0 时，会自动释放该 Lua function。  
  
  
如果了解 cocos2d-x 中 CCObject 的 autorelease 机制，那么对引用计数应该很熟悉，两者是完全相同的实现机制。  
  
  
~  
  
  
连接第三方 SDK 和 cocos2d-x 的中间层  
虽然 luaj 可以让开发者从 Lua 中直接调用 Java 代码。但大部分第三方 SDK 在初始化时都需要指定当前应用程序的 Activity 对象，并且还要切换不同线程，所以对于大多数第三方 SDK，我们仍然要写一个中间层用于 Lua 和 Java 的交互。  
  
  
与使用 JNI 做中间层相比，配合 luja 的中间层是使用 Java 来编写的，不但更简单明了，而且处理线程切换也非常简单。  
  
  
~  
  
  
要实现一个中间层，只有两个步骤：  
  
  
实现供 luaj 调用的 Java 接口  
修改游戏的 Java 入口文件，将应用程序的 Activity 对象传入 SDK  
第一步请参考：“中国移动游戏基地和短信支付 SDK”中间层源代码  
  
  
第二步也相当简单，只需要在游戏的 onCreate() 中调用 中间层 class 的 setContext() 方法：  
  
  
public class mygame extends Cocos2dxActivity \{  
  
  
  protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) \{  
    ChinaMobile\_SDK.setContext(this); // init sdk  
    super.onCreate(savedInstanceState);  
  \}  
  
  
  ...  
  
  
\}  
~  
  
  
做好一切准备工作后，在游戏的 Lua 代码里访问 SDK 功能就很简单了：  
  
local luaj = require("luaj")  
  
  
local className = "com/qeeplay/frameworks/ChinaMobile\_SDK"  
  
  
\-- 初始化 SDK  
local args = \{  
  CHINA\_MOBILE\_SP\_APP\_NAME,  
  CHINA\_MOBILE\_SP\_CP\_NAME,  
  CHINA\_MOBILE\_SP\_TEL  
\}  
luaj.callStaticMethod(className, "GameInterface\_initializeApp", args)  
  
  
\-- 支付  
local function callback(result)  
  if result == "success" then  
    -- 支付成功  
  end  
end  
  
  
local args = \{  
  billingIndex,  
  true,  
  true,  
  callback  
\}  
luaj.callStaticMethod(className, "GameInterface\_doBilling", args)  
  
  
\-- 显示游戏基地界面  
luaj.callStaticMethod(className, "GameCommunity\_launchGameCommunity")  
  
  
\-- 提交玩家的游戏成绩  
local args = \{  
  "0",            -- 排行榜Id  
  newBestScores,  -- 新的最佳成绩  
\}  
local sig = "(Ljava/lang/String;I)V"  
luaj.callStaticMethod(className, "GameCommunity\_commitScoreWithRank", args, sig)  
~  
  
  
安装 luaj  
luaj 分为三个部分：  
  
  
LuaJavaBridge.java, com\_qeeplay\_frameworks\_LuaJavaBridge.h/.cpp - 供 Java 端使用的工具类，包含 Java 接口定义文件和 JNI 实现。  
LuaJavaBridge.h/.cpp - 供 Lua 端使用的工具类。  
luaj.lua - LuaJavaBridge 的 Lua 包装，提供更简单和灵活的接口。  
下载地址：  
  
  
Java/C++ 部分源代码  
Lua 部分源代码  
~  
  
  
步骤：  
  
  
将 LuaJavaBridge.java 添加到 Android 项目中；  
修改 proj.android/jni/Android.mk：  
  
LOCAL\_SRC\_FILES := ... \\  
    luaj/jni/com\_qeeplay\_frameworks\_LuaJavaBridge.cpp \\  
    luaj/luabinding/LuaJavaBridge.cpp  
  
  
LOCAL\_C\_INCLUDES := ... \\  
    luaj  
修改 AppDelegate.cpp，加入以下代码：  
  
\#if (CC\_TARGET\_PLATFORM == CC\_PLATFORM\_ANDROID)  
\#include "LuaJavaBridge.h"  
\#endif  
  
  
bool AppDelegate::applicationDidFinishLaunching()  
\{  
  
  
  ...  
  
  
  CCLuaEngine\* pEngine = CCLuaEngine::defaultEngine();  
  CCScriptEngineManager::sharedManager()->setScriptEngine(pEngine);  
  
  
\#if (CC\_TARGET\_PLATFORM == CC\_PLATFORM\_ANDROID)  
  LuaJavaBridge\_luabinding\_open(pEngine->getLuaState());  
\#endif  
  
  
  ...  
\}  
修改proj.android/jni/hellocpp/main.cpp，加入以下代码：  
  
jint JNI\_OnLoad(JavaVM \*vm, void \*reserved)  
\{  
  
  
  ...  
  
  
  LuaJavaBridge\_setJavaVM(vm);  
  
  
  return JNI\_VERSION\_1\_4;  
\}  
~  
  
  
luaj 方法参考  
\[Lua\] luaj.callStaticMethod(className, methodName, args, methodSig)  
  
  
调用指定的 Java class static method，允许传入 int/float/boolean/string/function 五种类型的参数。  
  
  
\[Java\] LuaJavaBridge.callLuaFunctionWithString(int luaFunctionId, String value)  
  
  
调用引用 ID 指向的 Lua function，并传入一个字符串作为参数。  
  
  
\[Java\] LuaJavaBridge.callLuaGlobalFunctionWithString(int luaFunctionId, String value)  
  
  
调用指定名字的 Lua 全局函数，并传入一个字符串作为参数。  
  
  
\[Java\] LuaJavaBridge.retainLuaFunction(int luaFunctionId)  
  
  
增加引用 ID 的计数，确保 Lua function 不会被 Lua 虚拟机自动回收。  
  
  
\[Java\] LuaJavaBridge.releaseLuaFunction(int luaFunctionId)  
  
  
减少引用 ID 的计数，当计数等于 0 时，引用 ID 指向的 Lua function 将被回收。  
  
  
~  
  
  
未来改进  
因为我们自己的项目暂时还没有更复杂的需求，所以 luaj 目前的实现很简单。但要在这个基础上进行完善是很容易的事情，luaj 已经解决了几个关键性问题。  
  
  
未来计划会增加的主要特性就是支持更多的类型，例如将一个以字符串为键名的 Lua table 以 Java Map 集合的形式传递给 Java。同样，从 Java 调用 Lua 函数时，也应该支持多个参数，以及更多的参数类型。  
  
  
至于将 Java 对象传入 Lua，并在 Lua 中调用 Java 对象的方法，目前没这个打算。因为 luaj 的主要目的是为 cocos2d-x 游戏服务，而 cocos2d-x 的多线程模式要求 Lua 和 Java 代码必须在不同的线程里运行。如果在 Lua 中调用 Java 对象方法将面对许多复杂的问题。与其花大量时间去解决这个问题（还不一定能保证最后简单易用），不如简单写一个中间层。  
  
  
最后，luaj 已经被集成到了 quick-cocos2d-x 这个基于 cocos2d-x 的快速游戏开发引擎中。quick-cocos2d-x 让开发者可以使用 Lua 语言开发高质量的商业游戏，同时又保持 cocos2d-x 的高性能、开放性、可扩展能力。并且 quick-cocos2d-x 使用最新的 LuaJIT 实现，可以让 Lua 脚本获得数倍到数十倍的性能提升。