【51CTO.com原創稿件】本文是Java9系列文章的***篇，我會通過幾篇文章系統性地介紹Java9的新特性。Java9的發布對于Java語言來說是新的開始，希望Java能夠一直走下去，因為它是太多程序員賴以為生的編程工具。

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一、模塊化問題

我一直認為，Java這門編程語言已經不再僅僅是一門語言，它是一個由使用者根據自身工程需要所構建起來的生態環境。既然是生態環境，它必然需要根據外部環境的變化不斷調整自己，不斷地吸收外部優良的設計方案，以用來不斷地加強自身，也必然需要不斷地改變擴大自己的范圍，這樣也就不再僅僅局限于語言本身。

我們學習模塊化編程之前，應該想想為什么Java需要引入模塊化設計思維?首先讓我們看看自己打包的jar文件。我們每天在構建的應用程序，也許大家編碼是基于某種框架，例如Spring Cloud，基于Spring Cloud可以很方便地啟動微服務應用，但是Spring Cloud背后引用了大量的Java生態環境里的第三方庫。

長期來看，應用程序如果缺乏結構化設計思維，最終一定會付出代價?；氐絼偛诺膯栴}，模塊化編程為什么會出現?因為它的出現可以讓我們更為簡便、有效地管理庫之間的依賴關系，進而減少了工程的復雜度。大家要問了，不是有Maven可以實現這樣的功能嗎?對的，Maven確實可以，現在Java在JDK庫內設計思維上吸收了Maven的設計思維優點，這樣JDK內部也有了模塊化設計。

需要注意的是，模塊化編程并不是一下子出現的，它會出現首先是基于Java本身就是面向抽象編程的，也就是說，模塊化編程是構建在抽象層之上的。相較于Java8引入的lambda表達式，模塊化編程關注的是整個應用程序的結構擴展問題，而lambda表達式更多的是提供了在一個類里面切換到lambda的方式。模塊化帶來的影響涉及到設計、編譯、打包、部署等等，所以我前面講了，它不僅僅是一個語言級的特性變化，它的意義比lambda表達式的引入大很多。

開始全文前***一個問題，為什么JDK9一再推遲發布時間?JDK9的模塊化工程為了達到預期目標，即功能之間的邊界清晰目標，同時又要保持向后兼容、模塊內定義良好且可讀，這些多重要求導致了JDK9的長時間難產。這就好比我們編寫的應用程序工程，通過20年的積累，成為了一個巨大無比的工程，這時候你再想把它按照模塊切分，難度就非常高了。

Java語言已經積累了20年，現在才開始做模塊化設計，其實是有點晚了，但是一旦做成了這件事情(JDK9的模塊化)，后續的模塊化進程就會變得快速起來，這也就是為什么可能半年后你就會發現JDK10發布了。

二、模塊化編程

1. 什么是模塊化編程

什么是模塊化編程?模塊化編程是將原有的系統分解為若干個自己管理的模塊，但是這些模塊之間又是互相通信(連接)的。模塊，或者可以稱之為組件，也就成了一個個可以識別的獨立物件，它們可以包括代碼、元數據描述，以及和其他模塊之間的關系等。理想地看，這些物件從編譯時期開始就是可以被識別的，生命周期貫穿整個運行時。這樣也就可以想象了，我們的應用程序在運行時應該是由多個模塊組成的。

作為一個Java模塊，必須滿足三個基本要求：

(1) 強封裝性

對于封裝的重要性應該不用和大家解釋了，兩個模塊之間僅需要知道對方的封裝接口、參數、返回值，而對于它內部的實現細節，其他調用方并不關心，內部怎么變化都沒關系，只要能夠繼續調用并返回正確的值就行。

(2) 定義良好的接口

這里包含兩層意思。一是模塊之間的邊界要劃分清楚，不能存在重復的部分，二是對于無法封裝的公開代碼，如果進行了破壞性的修改，那么對其他調用方來說也是破壞性的，因此需要提供定義良好并且穩定的接口給其他調用模塊調用。

(3) 顯式依賴

這是點和面的關系。每一個點代表一個模塊，兩點之間的線代表模塊之間的依賴關系，所有點就組成了模塊調用關系圖。只有擁有清晰的模塊調用關系圖，我們才能確保調用關系的正確性和模塊配置的可用性。Java9之前，我們可以采用maven來幫助管理外部依賴關系。

模塊化帶來的是靈活、可理解、可重用這三大優點。模塊化編程和當今很多軟件架構概念是類同的，都是為了解決相似的抽象層問題，例如基于組件的開發、面向服務系統架構，或者更新的微服務架構。

前面提到了三個基本要求，強封裝性、定義良好的接口、顯式依賴，其實在Java9之前就已經支持了。比如封裝，類型的封裝可以通過使用包和訪問修飾符(例如public、protected、private)的組合方式完成。例如protected，只有在同一個包內的類才能訪問protected類里面的方法。這里你就可以提出一個問題來了。

如果我們想要讓一些包外的類可以訪問protected類，又不想讓另外一些包外的類可以訪問，這時候應該怎么處理呢?Java9之前沒有很好的解決方案。對于第二個要求，定義良好的接口，這一點Java語言一直做得不錯，從一開始就做得不錯。你會發現接口方式在整個模塊化編程中扮演了中心角色。

對于顯式依賴，由于Java提供的import關鍵字所引入的jar包需要在編譯時才會真正加載，當你把代碼打入jar包的時候，你并不知道哪一個jar文件包含了你的jar包需要運行的類型。為了解決這個問題，我們可以利用一些外部工具，例如Maven、OSGi。Java9雖然從jvm核心層和語言層解決了依賴控制問題，但是Maven、OSGi還是有用武之地的，它們可以基于Java模塊化編程平臺之上繼續持續自己的依賴管理工作。

圖1：應用程序的jar包關系圖

上面這張圖包含了兩個部分，一部分是應用程序，包含Application.jar的應用程序jar包、該jar包的兩個依賴庫(Google Guava和Hibernate Validator)，以及三個外部依賴jar包。我們可以通過maven工具完成庫之間的依賴關系綁定功能。

Java9出現之前，Java運行時還需要包含rt.jar，如上圖所示。從這張圖上至少可以看出沒有強有力的封裝概念，為什么這么說?以Guava庫為例，它內部的一些類是真的需要被Application.jar工程使用的，但是有一些類是不需要被使用的，但是由于這些類的訪問限制符也是public的，所以外部包里的類是可以訪問到的，所以說沒有履行Java9的封裝要求。

大家知道，當JVM開始加載類時，采用的方式是順序讀取classpath里面設置的類名并找到需要的類，一旦找到了正確的類，檢索工作結束，轉入加載類過程。那么如果classpath里面沒有需要的類呢?那就會拋出運行時錯誤(run-time exception)。又由于JVM采用的延遲加載方式(lazy loading)，因此極有可能某個用戶點了某個按鈕，然后就奔潰了，這是因為JVM不會從一開始就有效地驗證classpath的完整性。那么，如果classpath里面存在重復的類，會出現什么情況呢?可能會出現很多莫名其妙的錯誤，例如類的方法找不到，這有可能是因為配置了兩個不同版本的jar包。

2. 模塊化系統目標

Java9的模塊化系統有兩大目標：

• 模塊化JDK本身;
• 為應用程序的使用提供模塊化系統。

模塊化系統為Java語言和運行時環境引入了本地模塊化概念，提供了強有力的封裝。

如圖1所示，在Java9之后，每一個jar包都變成了一個模塊，包括引用其他模塊的顯示依賴。從圖1可以知道，Application調用了JDK的Java.sql包。

圖2：應用程序的模塊化調用關系

圖3描述的是JDK內部的模型化系統(JSR376和JEP261)，已經被合并到了JDK9。

圖3：JDK內部的模型化系統圖

從圖3大家可以知道，各個模塊之間有著千絲萬縷的引用關系，但是要記住，JDK9的模塊化設計做得很精巧，它僅僅允許單一方向(向下)引用，不允許出現環形結構，這樣可以確保引用關系圖的簡單設計原則。

3. 模塊化的JDK

在Java模塊化系統引入之前，JDK的運行時庫包括了重量級的rt.jar，該jar文件的總大小超過60M，包含了大量的運行時類。為了重構整個Java平臺，也為了Java能夠在輕量級語言解決方案越來越占主導地位的情況下讓Java語言繼續保持旺盛的生命力，JDK團隊引入了JDK的模塊化設計，這個決定可能是關鍵性的。

在過去的20年中，JDK的若干次發布，每一次都會包含許多新的特性，因此也增加了大量的類。以CORBA為例，它在上世紀90年代的時候被認為是企業級計算的未來，當然現在幾乎沒有人記得它了，然而用于支持CORBA的類仍然被包含在rt.jar包里面，也就是說，無論你有沒有用到這些類，只要你的應用程序是分布式的，你都不得不帶著它們一起運行。這樣做的直接后果是浪費了磁盤空間、內存空間，以及CPU資源(需要增大CPU運行耗時)。對于資源受限的硬件載體，或者云端的資源，這樣就產生了浪費，也增加了成本(云端資源是按需申請的，能省就省)。

那么我們可不可以直接移除這些不需要的類呢?不能這么簡單執行，因為我們需要考慮每次發布之后的向前兼容，直接刪除API會導致JDK升級后一些老的應用程序不可用。JDK引入模塊化管理方式后，我們只需要忽略包含CORBA的模塊就可以了。

當然，分解單體型(monolithic)的JDK并不僅僅是移除過時(例如CORBA)的類。JDK包含的很多技術都是這樣的，對于一些人有用，對于另一些人則是無用的，但是并不是說它們過時了，僅僅是應用程序不需要使用。Java語言一直以來就存在安全性漏洞，通過模塊化設計可以減少類的應用，自然也就降低了漏洞發生的幾率。

截止目前，JDK9大約有超過90個平臺模塊，這種方式取代了以往的單一型大庫形態。平臺模塊是JDK的一部分，它和應用程序模塊是不一樣的，應用程序模塊是由程序員自己創建的。但是從技術層面來看，平臺模塊和應用程序模塊又沒有什么區別。每一個平臺模塊構造了一個JDK功能，從日志到XML的支持，等等，覆蓋了原有單一型JDK的功能。

在JDK9里，所有的模塊都需要在外部顯示地定義與其他模塊之間的依賴關系，這就好比我們買可拆裝家具時的各模塊之間的榫頭，你一看就知道需要和哪些其他模塊進行拼接，而一些其他模塊都可以拿來公用的模塊，比如java.logging，你就會發現很多模塊都會應用它。也正是由于引入了模塊化，JDK內部終于在各個模塊之間有了清晰的界限，互相的引用關系終于清晰了。

注意，按照JDK9目前的模塊化設計理念，所有的依賴關系都是指向向下方向的，不會出現編譯時的各模塊間環形依賴情況，你自己編寫的應用程序模塊也需要避免這種情況發生。

4. 模塊資源介紹

一個模塊包含模塊名稱、相關的代碼和資源，這些都被保存在稱為module-info.java的模塊描述文件里，以下面這個文件為例，描述java.prefs平臺模塊。

(1) 清單1 module-info.java

module java.prefs{ 
     requires java.xml; 
     exports java.util.prefs; 
} 

代碼清單1內包含了requires和exports兩個關鍵字，逐一解釋：

• requires關鍵字表示了依賴關系，這里明確模塊需要依賴java.xml模塊，如果沒有依賴生命，java.prefs模塊在編譯時會拒絕執行編譯命令。這一點是向Maven借鑒的，使用前必須聲明才能使用。
• exports關鍵字表示了其他模塊如何可以引用java.prefs包，由于模塊化編程已經把強封裝性設置成了默認選項，因此只有當包被顯式地聲明導出(就是這里的exported)，導出為本例的java.util.prefs包。Exports是針對原有的訪問方式(public、protected、private)的一個補充，是針對強一致性的補充，Java9之后，public僅僅是針對模塊內部類之間的訪問權限，如果你想要從外部能夠應用模塊內部類，你必須要exports。

注意，模塊名由于是全局變量，所以需要是全局唯一的。

5. HelloWorld案例

接下來簡單介紹一個HelloWorld示例。如清單2所示，HelloModularWorld類的main函數負責打印字符串“Hello World, new modular World!”。

(2) 清單2 HelloModularWorld類

package org.michael.demo.jpms;   
public class HelloModularWorld {   
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println("Hello World, new modular World!"); 
    }   
} 

為了實現模塊化，需要在工程的根目錄下創建一個名為module-info.Java的類，內容如清單3所示：

(3) 清單3 module-info.Java源碼

module org. michael.demo.jpms_hello_world { 
    // this module only needs types from the base module 'Java.base'; 
    // because every Java module needs 'Java.base', it is not necessary 
    // to explicitly require it - I do it nonetheless for demo purposes 
    requires Java.base; 
    // this export makes little sense for the application, 
    // but once again, I do this for demo purposes 
    exports org.michael.demo.jpms; 
} 

如代碼清單3所示，引用了Java.base，輸出至org.michael.demo.jpms包。接下來開始編譯，如清單4所示。

(4) 清單4 編譯模塊化系統

$ Javac 
    -d target/classes 
    ${source-files} 
$ jar --create 
    --file target/jpms-hello-world.jar 
    --main-class org.michael.demo.jpms.HelloModularWorld 
    -C target/classes . 
$ Java 
    --module-path target/jpms-hello-world.jar 
--module org. michael.demo.jpms_hello_world 

就這個簡單的示例來看，除了增加了一個文件、編譯時的差別替換為使用模塊路徑方式(module path)，以及工程沒有了manifest文件以外，其他和Java9之前的編程/編譯方式是一樣。

三、結束語

本文主要介紹了什么是Java9模塊化編程。首先從Java9為什么遲遲不能發布說起，然后引申出什么是模塊化編程，接著系統性地介紹模塊化編程的系統目標、特點、要求，再通過JDK的模塊化案例介紹，讓讀者能夠了解JDK的發展趨勢。***，通過一個HelloWorld實例讓讀者能夠深入淺出地了解Java模塊化編程。下一篇文章我會介紹模塊化對應的服務和模式。

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【本文為51CTO專欄作者“周明耀”原創稿件，轉載請聯系原作者】

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