Java 模块系统概述

Java 模块系统（Java Platform Module System，简称 JPMS）是 Java 9（2017 年发布）引入的一项重大特性，也被称为 Project Jigsaw。该系统旨在解决 Java 早期版本中类路径（classpath）管理的痛点，如 JAR Hell（依赖冲突）、模块化不足和封装性弱等问题。通过模块化，Java 应用可以更好地组织代码、提高安全性、减少依赖并提升性能。下面我将详细解释 Java 模块的核心概念、语法、用法以及优势与注意事项。

1. 什么是 Java 模块？

  • 基本定义：模块（Module）是 Java 中一种新的代码组织单位，它是一组相关包（packages）的集合，加上一个模块描述文件（module-info.java）。模块可以明确定义其依赖的其他模块、导出的包（exposed packages），以及对反射的访问权限。
  • 与包（Package）的区别：包是命名空间，用于组织类；模块是包的更高层抽象，用于组织应用或库的整体结构。模块可以包含多个包，但一个包只能属于一个模块。
  • 模块类型：
    • 命名模块（Named Module）：有明确名称的模块，通常由开发者定义。
    • 自动模块（Automatic Module）：将旧的 JAR 文件作为模块使用时自动生成的模块，名称基于 JAR 文件名（去掉版本号和扩展名）。
    • 未命名模块（Unnamed Module）：所有类路径上的类默认属于未命名模块，不能被其他模块依赖。
  • 模块路径（Module Path）：类似于类路径，但专用于模块化的 JAR 文件。编译和运行时使用 --module-path 或 -p 选项指定。

2. 如何定义一个模块？

模块的核心是 module-info.java 文件，它位于模块的根目录下，必须是源代码的一部分。以下是其基本语法：

module module.name {  // 模块名称，通常是小写字母和点分隔，如 com.example.mymodule
    // 依赖声明
    requires other.module;  // 依赖其他模块（transitive 表示传递依赖）
    
    // 导出包
    exports com.example.package;  // 导出包给所有模块使用
    exports com.example.internal to friend.module;  // 限定导出，只给特定模块使用
    
    // 打开包（用于反射）
    opens com.example.reflection;  // 允许运行时反射访问
    
    // 服务提供与使用
    provides com.example.Service with com.example.Impl;  // 提供服务实现
    uses com.example.Service;  // 使用服务接口
    
    // 其他（可选）
    requires static another.module;  // 编译时依赖，运行时可选
}
  • 关键指令：
    • requires：声明依赖的模块。如果加上 transitive，则依赖是传递的（被依赖的模块也会被下游模块看到）。
    • exports：导出包中的公共类型（public classes/interfaces），允许其他模块访问。未导出的包是内部的，无法从外部访问。
    • opens：允许反射访问包中的类型（即使是非公共的）。在 Java 9+ 中，反射默认受限，需要显式打开。
    • provides ... with：注册服务实现（Service Provider Interface, SPI）。
    • uses：声明使用某个服务接口。
  • 模块名称规则：建议使用反向域名（如 com.example.mymodule），避免冲突。

3. 模块的使用流程

  • 创建模块：
    1. 在项目中创建 src/module.name 目录结构。
    2. 在根目录下添加 module-info.java。
    3. 编写代码，确保包结构匹配导出声明。
  • 编译模块：
    使用 javac 命令：
    javac -d mods/module.name --module-source-path src $(find src -name "*.java")
    这会生成模块化的 .class 文件。
  • 打包模块：
    使用 jar 命令创建模块化 JAR（Modular JAR）：
    jar --create --file mlib/module.name.jar --module-version 1.0 -C mods/module.name .
  • 运行模块：
    使用 java 命令指定主模块：
    java --module-path mlib -m module.name/com.example.MainClass
  • 多模块项目：在 Maven 或 Gradle 中支持模块化。例如，在 Maven 的 pom.xml 中添加 <module>module.name</module>，并使用 multi-module 项目结构。

4. 模块的优势

使用表格总结模块系统的关键优势与传统 classpath 的比较：

方面传统 Classpath模块系统 (JPMS)
封装性弱，所有 public 类型全局可见强，只有导出的包可见
依赖管理容易冲突（JAR Hell）显式依赖，减少冲突
安全性反射无限制默认限制反射，需显式 opens
性能启动慢，加载所有类更小镜像（jlink），更快启动
可维护性代码组织松散模块边界清晰，便于大型项目
兼容性旧代码直接兼容支持自动模块过渡旧 JAR
  • jlink 工具：用于创建自定义运行时镜像，只包含所需模块，显著减小 JDK 体积（从数百 MB 到数十 MB）。
  • 服务加载：模块化增强了 ServiceLoader，允许更精确的服务发现。

5. 常见问题与注意事项

  • 兼容旧代码：Java 9+ 兼容旧 JAR，但推荐逐步迁移。使用 --add-modules 添加模块，或 --add-exports 临时导出包。
  • 反射限制：许多库（如 Spring、Hibernate）依赖反射，在模块中使用时需添加 --add-opens 或在 module-info 中 opens 包。
  • 版本问题：模块不支持版本化依赖（不像 Maven），依赖名称唯一。
  • 分模块 JDK：JDK 本身被拆分成模块（如 java.base、java.sql），应用只需 requires 所需模块。
  • 潜在挑战：
    • 迁移成本高：大型遗留项目需重构 module-info。
    • 第三方库兼容：不是所有库都模块化，使用自动模块作为桥接。
    • 测试：使用 JUnit 时，确保测试模块 requires junit。
  • 最新发展（截至 2025 年）：Java 模块系统在 Java 21+ 中进一步优化，如支持更细粒度的反射控制和更好的工具集成（例如 jpackage 用于打包模块化应用）。在云原生环境中，模块化有助于创建更小的 Docker 镜像。

6. 示例：一个简单的模块化应用

假设有两个模块：com.example.logger（提供日志服务）和 com.example.app（主应用）。

  • com.example.logger/module-info.java：

    module com.example.logger {
    exports com.example.logger;
}

  • com.example.app/module-info.java：

    module com.example.app {
    requires com.example.logger;
}

  • 主类 com.example.app.Main：

    package com.example.app;
import com.example.logger.Logger;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Logger.log("Hello, Modules!");
    }
}

编译、打包后运行，即可看到模块化效果。