Java模塊化實戰：JPMS模塊間通信與服務加載詳情 - java,ide,API,軟件研發木子aller 博客

前兩年重構一個遺留項目時，遇到了典型的"類路徑地獄"——項目依賴混亂，明明在類路徑裏的類卻報ClassNotFoundException，排查了半天才發現是不同版本的依賴衝突。後來用Java 9的模塊化（JPMS）重構後，模塊間依賴清晰可見，編譯期就能發現依賴問題，維護起來輕鬆多了。

Java 9引入的JPMS（Java Platform Module System）不僅解決了依賴混亂問題，還通過模塊邊界控制實現了更好的封裝。但很多開發者覺得模塊化複雜，尤其是模塊間通信和服務加載的機制。本文通過實際案例，講解如何定義模塊、實現模塊間通信，以及利用服務加載機制實現模塊解耦。

一、模塊化基礎：模塊定義與依賴

模塊化的核心是module-info.java文件，它定義了模塊的名稱、依賴和導出的包。我們先創建三個基礎模塊，演示最基本的模塊通信。

1. 創建基礎模塊

假設我們有三個模塊：

com.example.api：提供接口定義（API模塊）
com.example.service：實現API的服務（服務模塊）
com.example.app：使用服務的應用（應用模塊）

步驟1：定義API模塊（com.example.api）

在src/main/java下創建module-info.java：

// module-info.java
module com.example.api {
    // 導出包含接口的包，允許其他模塊訪問
    exports com.example.api;
}

創建接口類：

// com/example/api/UserService.java
package com.example.api;

public interface UserService {
    String getUsername(Long id);
}

步驟2：定義服務模塊（com.example.service）

服務模塊依賴API模塊，並實現接口：

// module-info.java
module com.example.service {
    // 聲明依賴API模塊
    requires com.example.api;
    // 導出服務實現包（如果需要被直接引用）
    exports com.example.service.impl;
}

實現接口：

// com/example/service/impl/UserServiceImpl.java
package com.example.service.impl;

import com.example.api.UserService;

public class UserServiceImpl implements UserService {
    @Override
    public String getUsername(Long id) {
        return "user_" + id;
    }
}

步驟3：定義應用模塊（com.example.app）

應用模塊依賴服務模塊，使用其提供的實現：

// module-info.java
module com.example.app {
    requires com.example.service;
}

應用主類：

// com/example/app/Main.java
package com.example.app;

import com.example.service.impl.UserServiceImpl;
import com.example.api.UserService;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        UserService service = new UserServiceImpl();
        System.out.println(service.getUsername(100L)); // 輸出 user_100
    }
}

這種通過requires聲明依賴、exports導出包的方式，是模塊間通信的基礎。但它有個問題：應用模塊直接依賴了服務實現，耦合度高。如果要替換服務實現，必須修改應用代碼。

二、服務加載機制：實現模塊解耦

JPMS的服務加載機制（Service Loader）可以解決模塊耦合問題：應用模塊只依賴API，不依賴具體實現，通過服務接口動態加載實現類。

1. 改進模塊定義

步驟1：修改API模塊

API模塊只需要定義服務接口，無需修改：

// module-info.java（保持不變）
module com.example.api {
    exports com.example.api;
}

步驟2：修改服務模塊

服務模塊不再導出實現類，而是通過provides...with聲明服務實現：

// module-info.java
module com.example.service {
    requires com.example.api;
    // 聲明提供UserService接口的實現（UserServiceImpl）
    provides com.example.api.UserService with com.example.service.impl.UserServiceImpl;
}

實現類可以保持包私有（不被導出），增強封裝性：

// 包名可以不變，但無需被導出
package com.example.service.impl;

import com.example.api.UserService;

// 可以是包私有（不加public），僅模塊內可見
class UserServiceImpl implements UserService {
    @Override
    public String getUsername(Long id) {
        return "user_" + id;
    }
}

步驟3：修改應用模塊

應用模塊通過uses聲明使用的服務接口，無需依賴具體實現模塊：

// module-info.java
module com.example.app {
    requires com.example.api;
    // 聲明使用UserService服務
    uses com.example.api.UserService;
}

應用通過ServiceLoader動態加載服務實現：

// com/example/app/Main.java
package com.example.app;

import com.example.api.UserService;
import java.util.ServiceLoader;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 加載所有實現UserService的服務
        ServiceLoader<UserService> services = ServiceLoader.load(UserService.class);
        // 獲取第一個可用的服務實現
        UserService service = services.findFirst().orElseThrow();
        System.out.println(service.getUsername(100L)); // 輸出 user_100
    }
}

2. 服務加載的工作原理

服務模塊通過provides聲明"我提供某個接口的實現"；
應用模塊通過uses聲明"我需要使用某個接口的服務"；
JVM在運行時自動查找所有提供該服務的模塊，通過ServiceLoader加載實現類。

這種方式下，應用模塊和服務模塊完全通過API接口交互，實現瞭解耦。如果要替換服務實現，只需新增一個提供相同接口的服務模塊，無需修改應用代碼。

三、實戰進階：多服務實現與動態切換

實際開發中可能有多個服務實現（如MySQL實現、Oracle實現），服務加載機制支持動態選擇。

1. 新增服務實現模塊

創建com.example.service.mysql模塊，提供另一種實現：

// module-info.java
module com.example.service.mysql {
    requires com.example.api;
    provides com.example.api.UserService with com.example.service.mysql.MySQLUserService;
}

// 實現類
package com.example.service.mysql;

import com.example.api.UserService;

class MySQLUserService implements UserService {
    @Override
    public String getUsername(Long id) {
        return "mysql_user_" + id;
    }
}

2. 應用模塊動態選擇服務

應用可以遍歷所有服務實現，根據條件選擇：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ServiceLoader<UserService> services = ServiceLoader.load(UserService.class);
        
        // 遍歷所有服務實現
        for (UserService service : services) {
            String username = service.getUsername(100L);
            System.out.println("服務實現：" + service.getClass().getName() + "，結果：" + username);
        }
        
        // 根據實現類選擇
        UserService mysqlService = services.stream()
                .map(ServiceLoader.Provider::get)
                .filter(s -> s.getClass().getName().contains("mysql"))
                .findFirst()
                .orElseThrow();
    }
}

運行時如果同時包含com.example.service和com.example.service.mysql模塊，會輸出兩種實現的結果。這種動態發現機制非常適合插件化開發。

四、模塊邊界控制：exports與opens的區別

模塊間通信時，需要明確控制哪些類可以被訪問，exports和opens是兩種常用的訪問控制方式：

exports com.example.api：允許其他模塊在編譯期和運行時訪問該包的public類和成員；
opens com.example.internal：只允許其他模塊在運行時通過反射訪問該包的類（如JSON序列化需要反射私有字段時使用）。

例如，服務實現中的內部包需要被JSON庫反射時：

// com.example.service的module-info.java
module com.example.service {
    requires com.example.api;
    requires com.fasterxml.jackson.databind; // 依賴Jackson
    
    provides com.example.api.UserService with com.example.service.impl.UserServiceImpl;
    
    // 允許Jackson在運行時反射訪問impl包
    opens com.example.service.impl to com.fasterxml.jackson.databind;
}

五、模塊化常見問題與解決方案

找不到模塊依賴：確保module-info.java中正確聲明requires，且模塊路徑（module-path）包含依賴的模塊JAR。
類可見性問題：如果編譯時報package is not visible，檢查是否忘記exports對應的包，或依賴模塊是否正確requires當前模塊。
服務加載失敗：確保服務模塊用provides...with聲明瞭實現，應用模塊用uses聲明瞭服務，且兩個模塊都在模塊路徑中。
反射訪問被拒絕：如果框架需要反射訪問模塊內的非導出類，用opens聲明包，並指定允許訪問的模塊（如opens com.example.internal to spring.core）。

六、模塊化的適用場景

大型項目：通過模塊邊界控制依賴，減少類路徑衝突；
框架開發：用服務加載機制實現插件化（如日誌框架適配不同實現）；
需要嚴格封裝的場景：隱藏內部實現，只暴露API接口。

小型項目如果依賴簡單，可能不需要模塊化，避免增加複雜度。

總結

Java模塊化通過module-info.java定義模塊依賴和邊界，解決了傳統類路徑的混亂問題。服務加載機制（provides/uses+ServiceLoader）則實現了模塊間的解耦，讓應用可以動態發現和使用服務實現，非常適合插件化和可擴展的系統。

實際開發中，不必一開始就將所有代碼模塊化，可以從核心模塊逐步遷移。關鍵是理解模塊邊界的控制（exports/opens）和服務加載的原理，這樣才能充分發揮JPMS的優勢，構建更清晰、更易維護的系統。

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