深入理解 Java 模塊系統 (The Java Module System)

Nicolai Parlog

開發者、作家、演講者、培訓師，曾任SitePoint Java頻道編輯。
自2011年以來，尼科萊一直是一名專業的Java開發人員，並已成為自由開發者、培訓師和多個開源項目的長期貢獻者。
他還時常通過博客、演講、交流和寫作等方式傳播軟件開發知識。

【譯者介紹】

張悅

戴爾科技集團中國研發中心研發經理，專注於企業級存儲、雲計算、
軟件工程效率等領域，擁有十餘年軟件開發、測試和管理經驗。

黃禮駿

畢業於北京大學，曾任職於京東、EMC、百度等知名公司，代碼愛好者，
擁有多年Java開發經驗，熟悉分佈式系統、Web開發、區塊鍊等領域。

張海深

曾任職於京東、EMC、亞馬遜等一線互聯網公司，高級架構師，
擁有十餘年開發和管理經驗，熟悉分佈式存儲、中間件、區塊鍊等領域。

第 一部分 你好，模塊
第　1 章 第 一塊拼圖　2
1.1　什麽是模塊化　3
1.1.1　用圖將軟件可視化　3
1.1.2　設計原則的影響　5
1.1.3　什麽是模塊化　6
1.2　Java 9之前的模塊擦除　6
1.3　Java 9之前的問題　9
1.3.1　JAR之間未言明的依賴　9
1.3.2　同名類的覆蓋　10
1.3.3　同一項目不同版本間的沖突　12
1.3.4　復雜的類加載　13
1.3.5　JAR的弱封裝　13
1.3.6　手動安全檢查　14
1.3.7　較差的啟動性能　15
1.3.8　死板的Java運行時環境　15
1.4　鳥瞰模塊系統　15
1.5　你的第 一個模塊　17
1.5.1　模塊系統實戰　18
1.5.2　非模塊化項目基本不受影響　21
1.6　模塊系統的目標　22
1.6.1　可靠配置：不放過一個JAR　23
1.6.2　強封裝：控制模塊內部代碼的訪問權限　23
1.6.3　自動化的安全性和改善的可維護性　24
1.6.4　改善的啟動性能　24
1.6.5　可伸縮的Java平臺　24
1.6.6　非目標　25
1.7　新舊技能　25
1.7.1　你將學到什麽　25
1.7.2　你應該知道些什麽　26
1.8　小結　27

第　2 章 模塊化應用程序剖析　28
2.1　初識ServiceMonitor　28
2.2　模塊化ServiceMonitor　32
2.3　將ServiceMonitor劃分為模塊　32
2.4　文件的目錄結構佈局　33
2.5　聲明和模塊描述　34
2.5.1　聲明模塊依賴　36
2.5.2　定義模塊的公有API　36
2.5.3　用模塊圖可視化ServiceMonitor　36
2.6　編譯和打包模塊　37
2.7　運行ServiceMonitor　39
2.8　擴展模塊化代碼庫　39
2.9　總結：模塊系統的效果　40
2.9.1　模塊系統能為你做什麽　40
2.9.2　模塊系統還能為你做些什麽　41
2.9.3　允許可選依賴　43
2.10　小結　44

第　3 章 定義模塊及其屬性　45
3.1　模塊：模塊化應用程序的基石　46
3.1.1　隨JDK發布的Java模塊（JMOD）　46
3.1.2　模塊化JAR：內生模塊　46
3.1.3　模塊聲明：定義模塊的屬性　47
3.1.4　模塊的眾多類型　51
3.2　可讀性：連接所有片段　53
3.2.1　實現可靠配置　54
3.2.2　用不可靠配置進行實驗　55
3.3　可訪問性：定義公有API　60
3.3.1　實現強封裝　62
3.3.2　封裝傳遞依賴　63
3.3.3　封裝的小沖突　64
3.4　模塊路徑：讓Java瞭解模塊　68
3.4.1　模塊解析：分析和驗證應用程序的結構　69
3.4.2　模塊圖：展示應用程序結構　71
3.4.3　向圖中添加模塊　73
3.4.4　向圖中添加邊　74
3.4.5　訪問性是一項持續的工程　74
3.5　小結　75

第　4 章 從源碼到JAR構建模塊　76
4.1　組織項目的目錄結構　76
4.1.1　新提議——新約定　77
4.1.2　默認的目錄結構　77
4.1.3　模塊聲明的位置　78
4.2　編譯單個模塊　79
4.2.1　編譯模塊代碼　79
4.2.2　模塊或非模塊　80
4.3　編譯多個模塊　82
4.3.1　直接編譯　82
4.3.2　模塊源代碼路徑：將項目結構告知編譯器　83
4.3.3　星號作為模塊名稱的標記　84
4.3.4　多模塊源路徑入口　85
4.3.5　設置初始模塊　85
4.3.6　值得嗎　86
4.4　編譯器選項　87
4.5　打包模塊化JAR　88
4.5.1　快速回顧jar工具　88
4.5.2　分析JAR　89
4.5.3　定義模塊入口點　89
4.5.4　歸檔選項　90
4.6　小結　91

第　5 章 運行和調試模塊化應用程序　92
5.1　通過JVM啟動模塊化應用程序　92
5.1.1　指定主類　93
5.1.2　如果初始模塊並非主模塊　93
5.1.3　向應用程序傳遞參數　95
5.2　從模塊中加載資源　95
5.2.1　Java 9之前的資源加載　96
5.2.2　Java 9及以上版本的資源加載　97
5.2.3　跨越模塊邊界加載包中資源　98
5.3　調試模塊及模塊化應用程序　99
5.3.1　分析單個模塊　99
5.3.2　驗證模塊集　100
5.3.3　驗證模塊圖　101
5.3.4　列出可見模塊及其依賴　102
5.3.5　在解析過程中排除模塊　104
5.3.6　通過日誌信息觀察模塊系統　106
5.4　Java虛擬機選項　109
5.5　小結　110

第二部分　改寫現實世界中的項目
第　6 章 遷移到Java 9及以上版本的兼容性挑戰　112
6.1　使用JEE模塊　113
6.1.1　為什麽JEE模塊很特殊　114
6.1.2　人工解析JEE模塊　115
6.1.3　JEE 模塊的第三方實現　116
6.2　轉化為URLClassLoader　117
6.2.1　應用程序類加載器的變化　117
6.2.2　不再通過URLClassLoader來獲得類加載器　118
6.2.3　尋找製造麻煩的強制類型轉換　119
6.3　更新後的運行時鏡像目錄佈局　119
6.4　選擇、替換和擴展平臺　121
6.4.1　不再支持緊湊配置　121
6.4.2　擴展機制被移除　122
6.4.3　授權標準覆蓋機制被移除　122
6.4.4　某些啟動類路徑選項被移除　122
6.4.5　不支持Java 5編譯　122
6.4.6　JRE版本選擇被移除　123
6.5　一著不慎，滿盤皆輸　123
6.5.1　新的版本字符串　123
6.5.2　工具減少　124
6.5.3　瑣碎的事情　125
6.5.4　Java 9、Java 10和Java 11中新廢棄的功能　125
6.6　小結　125

第　7 章 在Java 9及以上版本中運行應用程序時會反復出現的挑戰　127
7.1　內部API的封裝　128
7.1.1　微觀視角下的內部API　129
7.1.2　使用JDeps分析依賴　131
7.1.3　編譯內部API　133
7.1.4　運行內部API　134
7.1.5　訪問內部API的編譯器和JVM選項　138
7.2　修復包分裂　139
7.2.1　包分裂的問題是什麽　141
7.2.2　包分裂的影響　141
7.2.3　處理包分裂的多種方法　144
7.2.4　擴展模塊：處理包分裂的最後手段　145
7.2.5　使用JDeps查找分裂的包　146
7.2.6　關於依賴版本沖突的說明　147
7.3　小結　147

第　8 章 增量模塊化現有項目　149
8.1　為什麽選擇增量模塊化　150
8.1.1　如果每個JAR都必須是模塊化的……　150
8.1.2　讓普通JAR和模塊化JAR混搭　150
8.1.3　增量模塊化的技術基礎　151
8.2　無名模塊（類路徑）　152
8.2.1　無名模塊捕獲的類路徑混亂　154
8.2.2　無名模塊的模塊解析　155
8.2.3　取決於無名模塊　156
8.3　自動模塊：模塊路徑上的普通JAR　158
8.3.1　自動模塊名稱：小細節，大影響　159
8.3.2　自動模塊的模塊解析　162
8.3.3　無條件選擇自動模塊　168
8.3.4　依賴自動模塊　169
8.4　小結　170

第　9 章 遷移和模塊化策略　172
9.1　遷移策略　172
9.1.1　更新準備　173
9.1.2　工作量評估　173
9.1.3　基於Java 9及以上版本持續構建　175
9.1.4　關於命令行選項的領悟　178
9.2　模塊化策略　180
9.2.1　自下而上的模塊化：如果項目的所有依賴都已模塊化　182
9.2.2　自上而下的模塊化：如果應用程序無法等待其依賴　182
9.2.3　由內而外的模塊化：如果項目位於中間層級　183
9.2.4　在項目中應用這些策略　184
9.3　將JAR模塊化　185
9.3.1　作為中間步驟的開放式模塊　185
9.3.2　使用JDeps生成模塊聲明　186
9.3.3　黑客破譯第三方JAR　188
9.3.4　發布Java 8及更老版本的模塊化JAR　190
9.4　小結　192

第三部分　模塊系統高級特性
第　10 章 用服務來解耦模塊　194
10.1　探索對服務的需求　194
10.2　JPMS中的服務　196
10.2.1　使用、提供和消費服務　196
10.2.2　服務的模塊解析　201
10.3　良好地設計服務　203
10.3.1　可以作為服務的類型　204
10.3.2　將工廠用作服務　204
10.3.3　從全局狀態中隔離消費者　206
10.3.4　將服務、消費者和提供者組織成模塊　208
10.3.5　使用服務打破循環依賴　209
10.3.6　在不同的Java版本中聲明服務　211
10.4　使用ServiceLoader API訪問服務　213
10.4.1　加載和訪問服務　213
10.4.2　服務加載的特性　215
10.5　小結　216

第　11 章 完善依賴關系和API　218
11.1　隱式可讀性：傳遞依賴　219
11.1.1　公開模塊的依賴　219
11.1.2　傳遞修飾符：依賴的隱式可讀性　221
11.1.3　何時使用隱式可讀性　223
11.1.4　何時依賴隱式可讀性　223
11.1.5　基於隱式可讀性重構模塊　225
11.1.6　通過合並模塊來重構　228
11.2　可選依賴　229
11.2.1　可靠配置的難題　229
11.2.2　靜態修飾符：標記可選依賴　230
11.2.3　可選依賴的模塊解析　231
11.2.4　針對可選依賴編寫代碼　232
11.3　合規導出：將可訪問性限制在指定的模塊中　234
11.3.1　公開內部API　235
11.3.2　將包導出給模塊　236
11.3.3　什麽時候使用合規導出　238
11.3.4　通過命令行導出包　239
11.4　小結　240

第　12 章 模塊化世界中的反射　241
12.1　為何exports指令不能很好地適用於反射　243
12.1.1　深入非模塊化代碼　243
12.1.2　使內部類型強制公有　243
12.1.3　合規導出導致對具體模塊的耦合　244
12.1.4　不支持深反射　244
12.2　開放式包和模塊：為反射而生　245
12.2.1　為運行時訪問開放式包　245
12.2.2　為特定模塊開放式包　246
12.2.3　導出包與開放式包的對比　247
12.2.4　開放式模塊：批量反射　248
12.3　針對模塊進行反射　249
12.3.1　更新模塊的反射代碼（或不更新）　249
12.3.2　使用變量句柄代替反射　251
12.3.3　通過反射分析模塊屬性　253
12.3.4　通過反射修改模塊屬性　255
12.3.5　轉發開放式包　256
12.4　動態創建帶有層的模塊圖　257
12.4.1　什麽是層　258
12.4.2　分析模塊層　260
12.4.3　創建模塊層　262
12.5　小結　266

第　13 章 模塊版本：可能和不可能　268
13.1　JPMS中缺乏版本支持　268
13.1.1　不支持多版本　269
13.1.2　不支持版本選擇　271
13.1.3　未來會怎樣　273
13.2　記錄版本信息　273
13.2.1　在構建模塊時記錄版本　273
13.2.2　訪問模塊版本　274
13.3　在不同的層中運行同一個模塊的多個版本　276
13.3.1　為什麽需要一個添加額外層的啟動器　277
13.3.2　為你的應用程序、Apache Twill 和Cassandra JavaDriver啟動層　277
13.4　小結　280

第　14 章 通過jlink定製運行時鏡像　281
14.1　創建自定義運行時鏡像　282
14.1.1　jlink入門　282
14.1.2　鏡像內容和結構　283
14.1.3　在運行時鏡像中包含服務　284
14.1.4　用jlink和jdeps調整鏡像大小　287
14.2　創建獨立的應用程序鏡像　288
14.2.1　在鏡像中包含應用程序模塊　289
14.2.2　為應用程序生成一個本地啟動程序　292
14.2.3　安全性、性能和穩定性　293
14.3　生成跨操作系統的鏡像　294
14.4　使用jlink插件優化鏡像　295
14.4.1　jlink的插件　295
14.4.2　減小鏡像尺寸　297
14.4.3　提高運行時性能　301
14.5　jlink選項　301
14.6　小結　302

第　15 章 完成拼圖　304
15.1　為ServiceMonitor添加裝飾　304
15.1.1　多樣化依賴　307
15.1.2　降低的可見性　308
15.1.3　通過服務解耦　308
15.1.4　在運行時通過層來加載代碼　308
15.1.5　處理對普通JAR的依賴　309
15.2　模塊化應用程序小貼士　309
15.2.1　是否模塊化　309
15.2.2　理想的模塊　310
15.2.3　註意模塊聲明　314
15.2.4　更改模塊聲明可能破壞代碼　316
15.3　技術前景　318
15.3.1　Maven、Gradle 以及其他構建工具　318
15.3.2　OSGi　320
15.3.3　微服務　323
15.4　關於模塊化生態系統的思考　325
15.5　小結　325
附錄A　類路徑回顧　326
附錄B　反射API的高級介紹　328
附錄C　通過統一日誌觀察JVM　331
附錄D　利用JDeps 分析項目的依賴　336
附錄E　通過多發行版JAR支持多個Java版本　343