Java中的Java 9新特性：模块化系统（JPMS）详解

模块化系统（Java Platform Module System，JPMS）是Java 9引入的最重要的特性之一，旨在解决大型应用和Java平台自身的可维护性、安全性和可扩展性问题。它将平台本身和应用程序代码组织成模块，明确定义模块之间的依赖关系和可访问性。JPMS的核心是Project Jigsaw的实现。

一、模块化的背景与目标

在Java 9之前，类路径（classpath）存在以下问题：

• 脆弱的封装：任何类都可以通过反射访问其他类的内部实现，即使它们声明为private或包私有，这破坏了封装性。
• 类路径地狱：当多个库依赖同一个库的不同版本时，类路径机制无法处理版本冲突，导致不可预测的行为。
• 平台臃肿：整个Java运行时环境（JRE）包含大量类，即使小型应用也需要完整JRE，难以部署到资源受限的设备。

JPMS的主要目标：

1. 强封装：模块可以明确导出哪些包供外部访问，隐藏其他包。
2. 可靠的依赖管理：模块声明其所需的其他模块，避免隐式依赖和版本冲突。
3. 可扩展的平台：允许用户组合自定义的运行时映像，只包含必要的模块，减少体积。
4. 提升安全性和性能：强封装减少了攻击面，且明确的依赖关系有助于优化类加载。

二、模块的基本概念

一个模块是一个自描述的代码和资源单元，其核心是模块描述符文件module-info.java。

1. 模块描述符

• 位于模块根目录，编译后生成module-info.class。
• 语法示例：

  module com.example.myapp {
      requires java.base;        // 依赖其他模块
      requires java.sql;
      exports com.example.api;   // 导出包给其他模块
  }
  

• 关键字说明：
  • module：声明模块，模块名遵循包名的反向域名约定。
  • requires：声明依赖的模块，依赖是传递的（除非使用requires static或requires transitive）。
  • exports：导出包，只有导出的包中的公共类型才能被其他模块访问。
  • opens：允许其他模块通过反射访问包中的类型（但不一定允许编译时访问）。
  • uses：声明该模块使用的服务接口（用于服务提供者机制）。
  • provides ... with：声明该模块提供的服务实现。

2. 模块路径（Modulepath）

• 替代了传统的类路径，包含模块化JAR（包含module-info.class）或模块目录。
• 运行时，JVM从模块路径解析模块依赖，如果依赖缺失或冲突，启动失败。

3. 隐式可读性

• 使用requires transitive可以让依赖的模块对其使用者可见。
• 示例：模块A声明requires transitive B，模块C声明requires A，则C可以读取B的导出包。

4. 开放模块与开放包

• 如果模块希望所有其他模块都能反射访问其所有包，可声明为开放模块：open module com.example { ... }。
• 也可开放特定包：opens com.example.internal;。

三、模块类型

1. 命名模块：定义了module-info.java的模块，显式声明依赖和导出。
2. 自动模块：传统的非模块化JAR放在模块路径上时，自动转换为模块。模块名从JAR文件名推导，导出所有包，依赖所有其他模块。这是一种迁移手段。
3. 未命名模块：所有在类路径（而不是模块路径）上的JAR和类文件都属于未命名模块。它导出所有包，但只能被其他未命名模块访问，不能被命名模块读取（除非使用--add-reads命令行选项）。

四、模块化迁移步骤

1. 分析现有依赖：使用jdeps工具分析项目的依赖关系。
2. 创建模块描述符：为每个模块编写module-info.java，声明必要的requires和exports。
3. 编译模块：使用javac --module-path <path>编译模块。
4. 打包和运行：使用jar工具打包模块化JAR，用java --module-path <path> --module <模块名/主类>运行。

五、模块化对反射的影响

• 强封装默认禁止跨模块的反射访问非导出包。如需反射，必须通过opens显式开放包。
• 例如，框架如Spring、Hibernate需要反射构造对象，模块必须开放相应包，或框架代码需通过--add-opens命令行选项绕过限制。

六、模块化相关工具与命令

1. java：
   • --module-path：指定模块路径。
   • --list-modules：列出所有可用模块。
   • --describe-module：描述指定模块。
2. javac：
   • --module-path：编译时模块路径。
   • --module-source-path：多模块编译时指定源码路径。
3. jdeps：分析依赖，帮助迁移。
4. jlink：创建自定义运行时映像，只包含应用所需的模块，减少部署体积。

七、模块化实践示例

假设有两个模块：

• 模块A（com.example.a），导出一个包。
• 模块B（com.example.b），依赖模块A，并有一个主类。

模块A的module-info.java：

module com.example.a {
    exports com.example.api;
}

模块B的module-info.java：

module com.example.b {
    requires com.example.a;
    requires java.base; // 隐式依赖，可省略
}

编译和运行：

# 编译模块A
javac -d out/a src/com.example.a/module-info.java src/com.example.a/com/example/api/MyClass.java
# 编译模块B
javac --module-path out/a -d out/b src/com.example.b/module-info.java src/com.example.b/com/example/app/Main.java
# 运行模块B的主类
java --module-path out/a:out/b --module com.example.b/com.example.app.Main

八、模块化的挑战与注意事项

• 迁移成本：大型遗留代码库迁移到模块化需要大量重构和分析。
• 库兼容性：许多第三方库在Java 9早期未模块化，需作为自动模块处理。
• 反射滥用：许多框架严重依赖反射，可能因强封装而失败，需通过opens或命令行参数解决。
• 模块路径与类路径：两者可共存，但可能导致复杂的类加载问题。

九、总结

JPMS为Java平台带来了革命性的改进，通过强封装和显式依赖提升了应用的可靠性、安全性和性能。虽然迁移过程可能复杂，但对于新项目和逐步重构的大型系统，模块化是构建可维护、可扩展Java应用的重要基础。理解模块描述符的编写、模块路径的使用以及迁移策略，是掌握现代Java开发的关键。