了解Java模块化

到现在这个时间点，JDK 19已经发布，但是从JDK 9开始出现的、可以说是Java平台破坏性最大的一次改动——模块化（Project Jigsaw），说实话直到这几天之前，我依然不是特别清楚。曾经也有尝试去了解过这个东西，但都不了了之，这可能与我主要是做后端开发有关，确实是没有什么接触这个东西的机会，在Maven、IDE、DevOps的加持下，真的是干就完了。但是看下来它是个值得了解学习的“没用“的知识，感觉应该还是有不少同志有相同的情况，便在此说它一说。

模块化的目的

这里抄一段官网的内容：

• Make it easier for developers to construct and maintain libraries and large applications;
• Improve the security and maintainability of Java SE Platform Implementations in general, and the JDK in particular;
• Enable improved application performance; and
• Enable the Java SE Platform, and the JDK, to scale down for use in small computing devices and dense cloud deployments.

第一点，在我看来不明显；第二点，安全性、可维护性，源自它提供的更细致的访问控制能力；第三点，比较虚，当然我相信它是有的；第四点，JDK裁切，为存储资源受限的小型设备和云服务赋能。所以我们记住第二点和第四点，这是模块化最核心的内容和目标。

推荐看看大佬对这几个目标的解释：https://www.zhihu.com/question/39112373/answer/79768859

Module Info文件

那什么是模块呢，它可以是说是Java包（Package）的基础上的又一层新的抽象，由Java平台模块系统（JPMS）管理处理。通俗来讲，可以就把它当成一个带有描述文件的Java包，当然了，模块可以由多个Package组成。所以模块的重点就在它的描述文件module-info.java文件中。示例和解释如下：

// 模块名称声明
module sample.module {

// 表明需要依赖、访问某个模块，在模块化的情况下如果要使用其他模块的内容
    // 除了java.base这个模块之外都需要显式声明
    // 同时，被使用的包也需要在模块中显式声明导出
    requires com.another.module;

// 如果依赖只需要在编译期使用，比如测试代码或者一些代码生成库，那么可以选择静态依赖
    // 这就和maven的scope provided比较像
    requires static com.abc.module;

// 传递型依赖，显然有依赖就会有依赖链，默认情况下依赖不传递，需要显式使用 transitive
    requires transitive com.sample.jkl;

// 公开模块下的某个包。默认情况下，模块不会向其他模块公开其任何内容
    // 这种强力的封装是模块化能够做到更细的访问控制的关键
    exports com.sample.package.abc;

// 限制某个包只开放给指定的其他模块
    exports com.sample.package.def to specific.module;

// 为了解耦服务提供方和使用方，模块化提供了use和provides两个关键字
    // 这就和SPI机制非常的相似，理解SPI就能理解这个，我觉得也不需要多解释
    use com.sample.abcinterface;

// 服务提供方的声明方式，当然你只能with本模块下的内容
    provides com.specific.defInterface with com.sample.defImpl;

// 反射API的安全性得到了改进，在模块化下，默认不允许进行反射，需要显式打开反射许可
    // 这里我们显式开放了某个包的反射许可
    // 如果整个模块都允许反射，那么可以文件开头直接使用 open module sample.module { ... } 的形式
    opens com.sample.reflect;

// 同样的，开放反射也可以指定只给到特定的模块
    opens com.sample.more to specific.module;

}

从中我们看到，模块描述文件指明了依赖关系、对外暴露控制、反射控制、类SPI服务解耦，public不再意味着能够直接访问，反射也进入了可控范畴。正是这些特质，实现了模块化所带来的更加细致的访问控制和安全性的提升。至于裁切、缩小体积，那是因为JDK本身也做了模块化处理，做到了按需取用，显著减小了Runtime基座的物理体积。

Hello World

说了这么多，还是得要动手试一试才能更好的理解，就以官网最简单的例子来做个简单说明。

首先在IDEA创建一个纯Java项目，SDK选择9以上的版本。

然后我们创建主类，写点Hello world代码，添加module-info文件。可以试试引用java.base模块之外的内容，idea会提示你进行依赖处理。注意在这种情况下，module-info只能放在那个位置。

然后我们手动进行编译和打包，打开命令行工具，执行如下命令。注意win下命令会有所不同，以及java版本是否正确。

// 编译处理
$ mkdir -p mods/com.greetings

$ javac -d mods/com.greetings \
        src/module-info.java \
        src/com/greetings/Main.java

// 打包处理
$ mkdir mlib

$ jar --create --file=mlib/com.greetings.jar \
        --main-class=com.greetings.Main -C mods/com.greetings .

此时我们可以尝试执行如下命令，都可以得到打印输出：

// 执行编译完class文件
$ java --module-path mods -m com.greetings/com.greetings.Main

// 执行jar包
$ java -p mlib -m com.greetings

对比一下java8和java9 java命令的help说明，--module-path和-m都是新出现的选项，可以看到module path和class path是两条路，完全遵从模块化就没有class path老的那一套了。

最后尝试一下JLink，有了这个指令，前文所述的JDK裁切、缩减Java运行时大小才能够达成。JLink是将Module进行打包的工具，创建定制的模块化运行时映像。

$ jlink --module-path $JAVA_HOME/jmods:mlib --add-modules com.greetings --output greetingsapp

此时我们可以尝试执行如下命令，成功得到打印输出：

$ ./greetingsapp/bin/java -m com.greetings

基本上相当于这个命令把用户模块和需要的JRE模块打包成了一个自定义的JRE，基础库和用户库融合成一体了，这样出来的java命令可以直接执行用户代码。也可以看到打包出来的文件夹大小在40mb左右（根据环境有所不同）。

那为什么说这是“没用”的知识呢，一是因为兼容性足以无缝迁移旧项目，二是在服务端开发场景上用处不多，原来惯有的思维没有改变的动力。虽然说模块化是一个破坏性很“大”的改变，但是Java并没有也不敢让迭代出现太大的裂痕。这就不得不重点说明一下模块化的兼容性，而且理解兼容性可能是一件更重要的事情。

为了保证兼容性，除了正规的module（带有module-info且位于module path下）之外，还有两种特殊的module来为向后兼容或者说辅助迁移提供帮助。

Unnamed Module

每个classloader在classpath下加载的所有JAR（不管是否模块化）共同组成一个unnamed module（未命名模块），未命名模块自动声明依赖所有的显式模块，同时exports自己的所有包，而一个显式模块并不能声明依赖未命名模块。

存在JVM默认选项--illegal-access=permit，即允许unnamed modules反射（java.lang.reflect / java.lang.invoke）使用所有显式模块中的类，但这个不确定java 9之后是不是移除了。

所以，如果我们继续使用传统的classpath方式运行，那就和之前在使用上不会有任何差别，还是public / protected / private那一条，该反射还是能反射。

Automatic Module

模块系统会为在module path上找到的每个JAR包创建一个内部模块，对于模块化的JAR包来说，因为包含了module-info文件，它的模块名、依赖、导出等都是有明确描述的，所以没有什么问题。但是迁移的过程中无法避免非模块化的JAR包依赖。这种情况下模块系统会为它自动创建一个模块，即Automatic module（自动模块），并且对该模块的属性进行最安全的补全。

• Name：对于模块的名称，如果在MANIFEST文件中定义了Automatic-module-name这个header则以此值为准，否则使用JAR包文件名。
• Requires：模块系统允许自动模块读取所有其他模块，也就是说自动模块依赖其他所有模块。与其他显式定义的正规模块不同，自动模块可以读取未命名模块。
• Exports / Opens：模块系统Export、Open Jar包内的所有package

引入模块的原因之一是为了使编译和启动应用程序相比较于classpath形式来说更加可靠、更快地发现错误。为了保持可靠性，模块没有任何办法声明require除了标准模块之外的内容，这其中就包含了从classpath加载的所有东西。如果保持这种状态，那么模块化的JAR只能依赖其他模块化的JAR，这将迫使整个生态系统自底向上全部模块化。很明显这样是不可接受的，因此自动模块作为模块JAR依赖于非模块JAR的一种手段被引入，只要将普通JAR放在模块路径上，并且按照模块系统赋予它的名称进行require就可以正常运转。
另外可以看到，由于自动模块可以读取未命名模块，因此将它的依赖项保留在类路径上是可行的。这样，自动模块就充当了从module到classpath的桥梁。

目前看来模块化的核心作用还是在裁剪JRE体积上，对于客户端开发比较有用，对服务端影响有限。之前没能解决的JAR Hell问题模块化也解决不了，也会有Module Hell。Maven / Gradle这些工具已经能帮助解决绝大多数问题了，在服务端开发上，一来硬件存储基本不在乎这减少的100mb，二来微服务的情况下每个JVM的功能范围都是往小了走的，更加精细的权限控制对编码没有什么正向效果，主要是安全方面。

所以先天动力缺失，在能不动就不懂的“铁原则”下，就算不了解这个东西，照样继续敲代码。本人工作上的服务也基本已经迁移到了Java 11，迁移过程中在代码上基本没什么大的改动。

当然了，这仅是皮毛上的感觉和简介，了解熟悉这个东西对于Java开发人员来说还是很有必要的。