模块化与依赖管理——JPMS（Java Platform Module System）
随着 Java 项目规模的不断扩大，应用程序的复杂性和依赖关系也日益增加。为了更好地管理依赖、提升可维护性和安全性，Java 9 引入了 Java 平台模块系统（Java Platform Module System，JPMS），也称为 Java 模块化系统。JPMS 的推出是 Java 生态系统中的一项重大改进，它为 Java 程序提供了模块化的能力，从而提升了系统的可扩展性、灵活性和安全性。
1. 背景：Java 模块化的动机
在 Java 9 之前，Java 中的代码组织主要依赖于包（package）机制。但包系统存在一定的局限性，特别是在大型系统中管理复杂的依赖关系时显得力不从心。
1.1 传统包管理的局限
- 包的可见性问题：在传统的包机制下，所有类都是通过包名来组织的，但没有严格的边界控制。同一个包内的所有类可以相互访问，即使它们在不同的 JAR 文件中。
- 类路径问题：传统的类路径（classpath）是一个全局的命名空间，如果两个库包含同名类，可能会导致类冲突。此外，类路径中的库很难追踪，尤其是在大型项目中，依赖关系复杂，容易出现 “Jar Hell” 问题。
- 不支持模块化构建：Java 缺少模块级别的封装与访问控制机制，所有依赖都是扁平的，使得开发者很难进行精细的依赖管理和版本控制。
1.2 模块化的需求
随着 Java 项目规模的增长，Java 需要一种机制来解决这些问题。为此，Java 9 引入了 JPMS，为开发者提供了一种模块化的方式来组织和管理代码。JPMS 不仅解决了上述问题，还带来了更强的封装能力、更细粒度的依赖控制和更高的可扩展性。
2. 什么是 JPMS？
JPMS 是一种新的模块系统，它将 Java 的包和类进一步组织成模块（module）。一个模块是一个自描述的代码单元，包含其依赖、公开的 API 以及哪些部分需要对外暴露。
2.1 模块的基本结构
每个模块都有一个名为 module-info.java 的模块描述文件，该文件位于模块的根目录，用于定义模块的名称、依赖关系和暴露的包。module-info.java 文件是模块化系统的核心，它为模块提供了元数据。
例如，下面是一个简单的模块描述文件：
module com.example.myapp {requires java.sql;exports com.example.myapp.services;
}
module com.example.myapp：定义模块的名称。requires java.sql：声明该模块依赖于java.sql模块。exports com.example.myapp.services：声明该模块公开com.example.myapp.services包，供其他模块使用。
2.2 模块的基本术语
- 模块：一个独立的逻辑单元，包含多个包和类。每个模块具有明确的边界和依赖声明。
requires：指定当前模块依赖的其他模块。exports：指定当前模块中哪些包对外暴露，允许其他模块访问。opens：指定包在运行时可被反射访问（例如，使用setAccessible），但不会导出包的内容。
3. JPMS 的优势
3.1 强封装
JPMS 允许开发者对模块中的类和包进行强封装，只有通过 exports 明确导出的包，才能被其他模块访问。未导出的包是模块内部的实现细节，不会被外部模块访问到。这种封装机制确保了模块的内部实现可以随时修改，而不会影响外部模块。
3.2 精确的依赖管理
模块依赖是显式声明的。通过 requires 语句，模块的所有依赖关系都可以在 module-info.java 中清晰地看到，这有助于开发者理解模块之间的关系，并避免隐式依赖。此外，JPMS 还可以自动处理模块之间的传递依赖。
3.3 加快应用启动速度
由于模块之间的依赖关系是显式声明的，JVM 可以更快地分析和加载模块，这有助于减少类加载时的开销，从而提高应用程序的启动速度。
3.4 减少类路径问题（Jar Hell）
JPMS 通过模块化的依赖管理解决了类路径冲突问题。由于每个模块都有自己的命名空间，并且模块依赖是精确定义的，因此可以避免不同模块之间的类冲突问题。
4. 使用 JPMS 进行模块化开发
4.1 创建模块化项目
首先，我们来看如何从零开始构建一个简单的模块化项目。假设我们有两个模块：com.example.mylib 和 com.example.myapp，其中 myapp 依赖于 mylib 提供的功能。
4.1.1 定义模块 mylib
创建 mylib 模块，提供简单的数学服务：
// module-info.java
module com.example.mylib {exports com.example.mylib.services;
}
在 com.example.mylib.services 包中定义一个服务类：
package com.example.mylib.services;public class MathService {public int add(int a, int b) {return a + b;}
}
4.1.2 定义模块 myapp
接下来，定义依赖于 mylib 的 myapp 模块：
// module-info.java
module com.example.myapp {requires com.example.mylib;
}
在 com.example.myapp 包中使用 mylib 提供的 MathService：
package com.example.myapp;import com.example.mylib.services.MathService;public class App {public static void main(String[] args) {MathService mathService = new MathService();System.out.println("2 + 3 = " + mathService.add(2, 3));}
}
4.1.3 构建和运行
在命令行中构建和运行这个模块化项目：
-
编译
mylib模块：javac -d mods/com.example.mylib src/com.example.mylib/module-info.java src/com.example.mylib/com/example/mylib/services/MathService.java -
编译
myapp模块，并指定它的依赖：javac --module-path mods -d mods/com.example.myapp src/com.example.myapp/module-info.java src/com.example.myapp/com/example/myapp/App.java -
运行应用：
java --module-path mods -m com.example.myapp/com.example.myapp.App
输出结果为：
2 + 3 = 5
4.2 处理跨模块依赖
有时，一个模块依赖的模块也有自己的依赖。这时，JPMS 可以通过传递依赖机制来自动处理这些情况。例如，如果模块 A 依赖于模块 B，而模块 B 又依赖于模块 C，则 A 可以通过 requires transitive 来显式传递依赖。
module B {requires transitive C;
}
这样，模块 A 只需要声明 requires B，就可以自动使用 C 模块的功能。
5. JPMS 与第三方库的集成
Java 的模块系统能够与现有的 JAR 文件兼容。在 JPMS 中，JAR 文件可以作为模块化的一部分，成为自动模块。自动模块是指那些没有 module-info.java 文件的 JAR 文件，这些 JAR 文件可以自动成为模块，模块名会根据 JAR 文件名推断。
java --module-path libs -m com.example.myapp
通过这种方式，Java 可以逐步将现有的库过渡到模块化体系中，减少迁移的阻力。
6. JPMS 的常见问题
6.1 依赖冲突
在大型项目中，不同的模块可能会依赖于不同版本的同一个库。JPMS 并不解决版本冲突问题（这通常由构建工具如 Maven 或 Gradle 处理），但它提供了更加细粒度的依赖控制，减少了冲突的机会。
6.2 反射访问问题
JPMS 默认阻止跨模块的反射访问。如果需要允许模块通过反射访问，可以使用 opens 关键字：
module com.example.myapp {opens com.example.myapp to some.other.module;
}
7. 结论
JPMS 为 Java 引入了全新的模块化机制，解决了传统包管理中的封装、依赖管理和类路径冲突等问题。通过模块化，开发者可以更加清晰地组织代码、管理依赖，提升系统的可维护性、可扩展性和安全性。
Java 模块化系统虽然是自 Java 9 引入的，但它并不是强制要求的。开发者可以逐步将现有应用迁移到模块化体系中，同时享受模块系统带来的优势。在未来的 Java 开发中，JPMS 将成为构建复杂、模块化应用的有力工具。
