模块

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从Java 9开始,JDK又引入了模块(Module)。

什么是模块?这要从Java 9之前的版本说起。

我们知道,.class文件是JVM看到的最小可执行文件,而一个大型程序需要编写很多Class,并生成一堆.class文件,很不便于管理,所以,jar文件就是class文件的容器。

在Java 9之前,一个大型Java程序会生成自己的jar文件,同时引用依赖的第三方jar文件,而JVM自带的Java标准库,实际上也是以jar文件形式存放的,这个文件叫rt.jar,一共有60多M。

如果是自己开发的程序,除了一个自己的app.jar以外,还需要一堆第三方的jar包,运行一个Java程序,一般来说,命令行写这样:

java -cp app.jar:a.jar:b.jar:c.jar com.liaoxuefeng.sample.Main
注意:JVM自带的标准库rt.jar不要写到classpath中,写了反而会干扰JVM的正常运行。

如果漏写了某个运行时需要用到的jar,那么在运行期极有可能抛出ClassNotFoundException

所以,jar只是用于存放class的容器,它并不关心class之间的依赖。

从Java 9开始引入的模块,主要是为了解决“依赖”这个问题。如果a.jar必须依赖另一个b.jar才能运行,那我们应该给a.jar加点说明啥的,让程序在编译和运行的时候能自动定位到b.jar,这种自带“依赖关系”的class容器就是模块。

为了表明Java模块化的决心,从Java 9开始,原有的Java标准库已经由一个单一巨大的rt.jar分拆成了几十个模块,这些模块以.jmod扩展名标识,可以在$JAVA_HOME/jmods目录下找到它们:

  • java.base.jmod
  • java.compiler.jmod
  • java.datatransfer.jmod
  • java.desktop.jmod
  • ...

这些.jmod文件每一个都是一个模块,模块名就是文件名。例如:模块java.base对应的文件就是java.base.jmod。模块之间的依赖关系已经被写入到模块内的module-info.class文件了。所有的模块都直接或间接地依赖java.base模块,只有java.base模块不依赖任何模块,它可以被看作是“根模块”,好比所有的类都是从Object直接或间接继承而来。

把一堆class封装为jar仅仅是一个打包的过程,而把一堆class封装为模块则不但需要打包,还需要写入依赖关系,并且还可以包含二进制代码(通常是JNI扩展)。此外,模块支持多版本,即在同一个模块中可以为不同的JVM提供不同的版本。

编写模块

那么,我们应该如何编写模块呢?还是以具体的例子来说。首先,创建模块和原有的创建Java项目是完全一样的,以oop-module工程为例,它的目录结构如下:

oop-module
├── bin
├── build.sh
└── src
    ├── com
    │   └── itranswarp
    │       └── sample
    │           ├── Greeting.java
    │           └── Main.java
    └── module-info.java

其中,bin目录存放编译后的class文件,src目录存放源码,按包名的目录结构存放,仅仅在src目录下多了一个module-info.java这个文件,这就是模块的描述文件。在这个模块中,它长这样:

module hello.world {
	requires java.base; // 可不写,任何模块都会自动引入java.base
	requires java.xml;
}

其中,module是关键字,后面的hello.world是模块的名称,它的命名规范与包一致。花括号的requires xxx;表示这个模块需要引用的其他模块名。除了java.base可以被自动引入外,这里我们引入了一个java.xml的模块。

当我们使用模块声明了依赖关系后,才能使用引入的模块。例如,Main.java代码如下:

package com.itranswarp.sample;

// 必须引入java.xml模块后才能使用其中的类:
import javax.xml.XMLConstants;

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		Greeting g = new Greeting();
		System.out.println(g.hello(XMLConstants.XML_NS_PREFIX));
	}
}

如果把requires java.xml;module-info.java中去掉,编译将报错。可见,模块的重要作用就是声明依赖关系。

下面,我们用JDK提供的命令行工具来编译并创建模块。

首先,我们把工作目录切换到oop-module,在当前目录下编译所有的.java文件,并存放到bin目录下,命令如下:

$ javac -d bin src/module-info.java src/com/itranswarp/sample/*.java

如果编译成功,现在项目结构如下:

oop-module
├── bin
│   ├── com
│   │   └── itranswarp
│   │       └── sample
│   │           ├── Greeting.class
│   │           └── Main.class
│   └── module-info.class
└── src
    ├── com
    │   └── itranswarp
    │       └── sample
    │           ├── Greeting.java
    │           └── Main.java
    └── module-info.java

注意到src目录下的module-info.java被编译到bin目录下的module-info.class

下一步,我们需要把bin目录下的所有class文件先打包成jar,在打包的时候,注意传入--main-class参数,让这个jar包能自己定位main方法所在的类:

$ jar --create --file hello.jar --main-class com.itranswarp.sample.Main -C bin .

现在我们就在当前目录下得到了hello.jar这个jar包,它和普通jar包并无区别,可以直接使用命令java -jar hello.jar来运行它。但是我们的目标是创建模块,所以,继续使用JDK自带的jmod命令把一个jar包转换成模块:

$ jmod create --class-path hello.jar hello.jmod

于是,在当前目录下我们又得到了hello.jmod这个模块文件,这就是最后打包出来的传说中的模块!

运行模块

要运行一个jar,我们使用java -jar xxx.jar命令。要运行一个模块,我们只需要指定模块名。试试:

$ java --module-path hello.jmod --module hello.world

结果是一个错误:

Error occurred during initialization of boot layer
java.lang.module.FindException: JMOD format not supported at execution time: hello.jmod

原因是.jmod不能被放入--module-path中。换成.jar就没问题了:

$ java --module-path hello.jar --module hello.world
Hello, xml!

那我们辛辛苦苦创建的hello.jmod有什么用?答案是我们可以用它来打包JRE。

打包JRE

前面讲了,为了支持模块化,Java 9首先带头把自己的一个巨大无比的rt.jar拆成了几十个.jmod模块,原因就是,运行Java程序的时候,实际上我们用到的JDK模块,并没有那么多。不需要的模块,完全可以删除。

过去发布一个Java应用程序,要运行它,必须下载一个完整的JRE,再运行jar包。而完整的JRE块头很大,有100多M。怎么给JRE瘦身呢?

现在,JRE自身的标准库已经分拆成了模块,只需要带上程序用到的模块,其他的模块就可以被裁剪掉。怎么裁剪JRE呢?并不是说把系统安装的JRE给删掉部分模块,而是“复制”一份JRE,但只带上用到的模块。为此,JDK提供了jlink命令来干这件事。命令如下:

$ jlink --module-path hello.jmod --add-modules java.base,java.xml,hello.world --output jre/

我们在--module-path参数指定了我们自己的模块hello.jmod,然后,在--add-modules参数中指定了我们用到的3个模块java.basejava.xmlhello.world,用,分隔。最后,在--output参数指定输出目录。

现在,在当前目录下,我们可以找到jre目录,这是一个完整的并且带有我们自己hello.jmod模块的JRE。试试直接运行这个JRE:

$ jre/bin/java --module hello.world
Hello, xml!

要分发我们自己的Java应用程序,只需要把这个jre目录打个包给对方发过去,对方直接运行上述命令即可,既不用下载安装JDK,也不用知道如何配置我们自己的模块,极大地方便了分发和部署。

访问权限

前面我们讲过,Java的class访问权限分为public、protected、private和默认的包访问权限。引入模块后,这些访问权限的规则就要稍微做些调整。

确切地说,class的这些访问权限只在一个模块内有效,模块和模块之间,例如,a模块要访问b模块的某个class,必要条件是b模块明确地导出了可以访问的包。

举个例子:我们编写的模块hello.world用到了模块java.xml的一个类javax.xml.XMLConstants,我们之所以能直接使用这个类,是因为模块java.xmlmodule-info.java中声明了若干导出:

module java.xml {
    exports java.xml;
    exports javax.xml.catalog;
    exports javax.xml.datatype;
    ...
}

只有它声明的导出的包,外部代码才被允许访问。换句话说,如果外部代码想要访问我们的hello.world模块中的com.itranswarp.sample.Greeting类,我们必须将其导出:

module hello.world {
    exports com.itranswarp.sample;

    requires java.base;
	requires java.xml;
}

因此,模块进一步隔离了代码的访问权限。

练习

请下载并练习如何打包模块和JRE。

打包模块和JRE

小结

Java 9引入的模块目的是为了管理依赖;

使用模块可以按需打包JRE;

使用模块对类的访问权限有了进一步限制。


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