Java vs .NET 调用 Native 代码的性能对比
引言
在高性能计算和底层系统交互的场景中，托管语言（如 Java 和 C#）经常需要调用本地代码（Native Code）。不过，不同的运行时在调用本地代码时会有不同的性能开销。本文将分析 Java JNI 和 .NET P/Invoke 在 Native 调用时的成本，并探讨 .NET 在近年来（尤其是 .NET 7 与 .NET 9）在这一领域的优化措施。
Java JNI 的 Native 调用开销
1. JNI 机制简介
Java 通过 JNI（Java Native Interface）调用 C/C++ 代码，从而实现与本地系统和底层库的交互。JNI 允许 Java 程序访问低级 API 或实现一些性能关键型功能。
2. JNI 调用的主要开销
虽然 JNI 提供了与 C 代码交互的能力，但其调用开销较高，主要原因包括：
2.1 JVM 运行时管理
- 每次调用 JNI 方法时，JVM 需要创建并管理一个 JNI 环境（JNIEnv），并在调用结束后清理相关的局部引用。
- JVM 为每个 JNI 调用维护一个 局部引用表，用以保存在 C 代码中创建的所有本地引用，防止这些对象被垃圾回收。
2.2 参数封送（Marshalling）
- 对于基本数据类型（如
int、double），封送成本较低，但对复杂对象（如String或Object[]）需要进行数据转换，这会增加额外开销。
2.3 安全性检查
- JVM 会在进入 JNI 方法时进行一定的安全性和参数验证检查，确保调用安全。
3. JNI 调用的优化策略
- 减少 JNI 调用次数：合并多次调用，减少跨界切换次数。
- 缓存方法 ID：避免重复查找方法、字段 ID。
- 管理局部引用：在循环中及时调用
DeleteLocalRef，防止局部引用表溢出。
.NET P/Invoke 的 Native 调用开销与优化
1. P/Invoke 机制简介
.NET 使用 P/Invoke（Platform Invocation Services） 来调用 C 语言代码，这在调用 Windows API 或其他本地库时尤为常见。
2. P/Invoke 调用的主要开销
虽然 P/Invoke 同样涉及托管与非托管之间的切换，但总体开销通常比 Java JNI 更低，原因包括：
2.1 轻量级的运行时管理
- .NET 运行时对托管对象的垃圾回收和内存管理相对更高效，不需要像 JNI 那样维护专门的局部引用表。
2.2 参数封送优化
- 对于基本数据类型，封送几乎没有额外开销。
- 对于结构体、字符串等复杂数据，.NET 提供了 StructLayout 和高效的封送机制，进一步降低了转换成本。
2.3 源生成优化（.NET 7 与 .NET 9）
- .NET 7 引入了 P/Invoke 源生成器，使得在编译期自动生成高效、专门化的 P/Invoke 代码，从而避免运行时反射查找和通用封送的额外开销。
- .NET 9 在此基础上进一步优化了 Native 互操作性。根据 Performance improvements in .NET 9 文章，.NET 9 在参数封送、调用内联和减少边界切换开销等方面都有显著改进，使得简单的 P/Invoke 调用（例如调用一个
add(int a, int b)函数）几乎达到与本地直接调用相同的性能水平。
这些改进让 .NET 在 Native 调用上的额外开销非常低，实际使用中仅有极微小的固定成本。
Java JNI vs .NET P/Invoke 对比总结
| 特性 | Java JNI | .NET P/Invoke |
|---|---|---|
| 运行时管理 | 需要维护 JNIEnv 与局部引用表，管理较复杂 | 更轻量级，无专门的局部引用表管理 |
| 调用开销 | 进入/退出 JNI 方法开销较高 | 进入/退出 P/Invoke 方法更快 |
| 参数封送 | 复杂对象需要显式封送，开销较高 | 基本类型封送成本极低，复杂对象有优化机制 |
| 安全检查 | 额外的安全验证和参数检查 | 通过源生成减少安全检查开销 |
| 最新优化 | 无特别优化 | .NET 7 与 .NET 9 分别引入了源生成优化和进一步改进 |
结论
在跨越托管与本地代码边界时，Java JNI 和 .NET P/Invoke 都会产生额外的开销。不过：
-
Java JNI 由于需要管理局部引用、进行参数封送和安全性检查，调用开销相对较高。尽管可以通过减少 JNI 调用次数和缓存引用来优化，但高频调用场景下仍不易避免额外成本。
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.NET P/Invoke 通过轻量级运行时管理以及从 .NET 7 开始的源生成技术，显著降低了调用成本。尤其在 .NET 9 中，进一步优化了封送和边界切换，使得调用简单本地函数（例如
add(a, b)）时几乎与直接调用本地代码等效。
在高频调用 Native 代码的场景下，.NET 的优化措施（特别是自 .NET 7 起的改进）使其性能优势更为明显。如果性能是关键指标，使用 .NET P/Invoke 将带来更低的跨界调用成本。
参考资料
- Java JNI 官方文档
- .NET P/Invoke 官方文档
- Performance improvements in .NET 7 - Interop
- Performance improvements in .NET 9