Java基于命令行调用Python脚本的完整指南

在Java应用程序中调用Python脚本是一种常见的跨语言集成方式，尤其适用于需要利用Python丰富生态（如机器学习、数据分析等）的场景。下面详细介绍几种实现方法及最佳实践。

一、基础调用方法

1. 使用Runtime类

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;

public class PythonCaller {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 定义Python解释器路径和脚本路径
            String pythonInterpreter = "python"; // 或完整路径如"/usr/bin/python3"
            String pythonScript = "path/to/your_script.py";
            String arg1 = "参数1";
            String arg2 = "参数2";

            // 构建命令
            ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder(
                pythonInterpreter, 
                pythonScript, 
                arg1, 
                arg2
            );

            // 启动进程
            Process process = pb.start();

            // 获取输出流
            BufferedReader reader = new BufferedReader(
                new InputStreamReader(process.getInputStream())
            );

            // 读取输出
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println(line);
            }

            // 等待进程结束
            int exitCode = process.waitFor();
            System.out.println("Python脚本执行结束，退出码: " + exitCode);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2. 使用ProcessBuilder（推荐）

ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("python", "script.py", "arg1", "arg2");
pb.redirectErrorStream(true); // 合并标准错误和标准输出
Process process = pb.start();

// 异步读取输出
new Thread(() -> {
    try (BufferedReader br = new BufferedReader(
        new InputStreamReader(process.getInputStream()))) {
        String line;
        while ((line = br.readLine()) != null) {
            System.out.println("[Python输出] " + line);
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}).start();

int exitCode = process.waitFor();

二、高级功能实现

1. 传递复杂参数

Java端：

// 使用JSON传递复杂数据
String jsonData = "{\"name\":\"张三\",\"age\":25,\"scores\":[90,85,95]}";
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("python", "process_json.py", jsonData);

Python端(process_json.py)：

import sys
import json

data = json.loads(sys.argv[1])
print(f"收到数据: {data}")
# 处理逻辑...

2. 环境变量控制

ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("python", "script.py");
Map<String, String> env = pb.environment();
env.put("PYTHONPATH", "/custom/module/path");
env.put("MODEL_VERSION", "1.2.3");
pb.start();

3. 超时控制

Process process = pb.start();
if (!process.waitFor(30, TimeUnit.SECONDS)) {
    process.destroyForcibly();
    throw new RuntimeException("Python脚本执行超时");
}

三、性能优化方案

1. 脚本预加载

# preload.py
def process_data(data):
    # 预加载的耗时操作
    heavy_model = load_ai_model()

    def wrapped(input_json):
        return heavy_model.predict(input_json)

    return wrapped

processor = process_data("init_params")

Java调用：

// 首次启动保持长连接
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("python", "-u", "preload.py");
Process process = pb.start();

// 获取输入输出流
BufferedWriter writer = new BufferedWriter(
    new OutputStreamWriter(process.getOutputStream()));
BufferedReader reader = new BufferedReader(
    new InputStreamReader(process.getInputStream()));

// 多次交互
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    writer.write("{\"input\": " + i + "}\n");
    writer.flush();
    String response = reader.readLine();
    System.out.println(response);
}

2. 使用Py4J（高性能方案）

// 引入Py4J依赖
GatewayServer gateway = new GatewayServer(new JavaClass());
gateway.start();

// Python端通过Py4J连接到此JVM

Python端：

from py4j.java_gateway import JavaGateway
gateway = JavaGateway()
java_object = gateway.jvm.JavaClass()
result = java_object.method()

四、常见问题解决方案

1. 中文乱码问题

ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("python", "script.py");
pb.redirectErrorStream(true);
Map<String, String> env = pb.environment();
env.put("PYTHONIOENCODING", "utf-8");
Process process = pb.start();

// 指定UTF-8编码读取
BufferedReader reader = new BufferedReader(
    new InputStreamReader(process.getInputStream(), "UTF-8"));

2. 路径问题

// 获取项目根目录
String projectDir = System.getProperty("user.dir");

// 构造绝对路径
Path scriptPath = Paths.get(projectDir, "src", "main", "resources", "scripts", "demo.py");
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder("python", scriptPath.toString());

3. 依赖管理

推荐使用虚拟环境：

// Linux/Mac
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder(
    "path/to/venv/bin/python", 
    "script.py"
);

// Windows
ProcessBuilder pb = new ProcessBuilder(
    "path\\to\\venv\\Scripts\\python.exe", 
    "script.py"
);

五、安全注意事项

参数校验：

   // 校验参数防止命令注入
   if (!arg1.matches("[a-zA-Z0-9]+")) {
       throw new IllegalArgumentException("非法参数");
   }

权限控制：

   // 使用受限用户运行
   pb.environment().put("USER", "restricted_user");

资源限制：

   // 使用JNI调用setrlimit限制资源
   // 或通过操作系统工具如cgroups

六、性能对比

方法	启动时间	吞吐量	适用场景
命令行调用	慢	低	简单脚本、低频调用
进程保持	中	中	需要多次交互
Py4J	快	高	高性能要求、复杂交互
Jython(不推荐)	快	低	已弃用