探索Java9 模块系统和反应流

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模块系统

Java平台模块系统(JPMS)是Java9中的特性,它是Jigsaw项目的产物。简而言之,它以更简单和易于维护的方式来组织包和类型。

直到Java8,系统仍面临与类型系统相关的两个问题:

1.所有的组件(大多是Jar包)都处在classpath中,没有任何的显式依赖申明。诸如Maven之类的构建工具可以在开发过程中帮助组织这些构件。然而,在运行时却没有这样的支持工具。你最终可能会遇到calsspath中缺少某个类,或者更严重的是存在同个类的两个版本,向这样的错误很难诊断。

2.在API级别上不支持封装。所有的public的类在整个应用中都可以访问,经管事实上这些类只是想供一部分其他类调用。另一方面,私有的类和私有的成员也不是私有的,因为你可以使用反射来绕过访问限制。

这些就是Java 模块系统要应对的地方。Oralce的Java平台首席架构师Mark Reinhold描述了Java模块系统的目标:

1.可靠的配置 - 用程序组件相互声明显式依赖的方法替换脆弱,容易出错的类路径机制。

2.强大的封装 - 允许组件声明其中哪些公共类型可供其他组件访问,哪些不可以。

Java9 允许你使用模块描述符来定义模块。

模块描述符

模块描述符是模块系统的核心,模块描述的声明是在模块目录层次结构的根目录中名为module-info.java的文件中指定的。

模块描述的声明是以module关键字开始的,其后紧跟的是模块的名字。声明结束标记是一对大括号,里边包含零个或者多个模块。你可以像这样声明一个空模块:

module com.stackify { }

在模块声明中你可以列出的指令有这些:

  • require 表示它所依赖的模块,也称作dependency。
  • transitive 仅与require指令一起使用,表明指明的依赖项也可以供此模块的依赖项访问。
  • exports 声明一个可以被其他模块访问的包
  • opens 在运行时曝光一个包,供反射API自省。
  • uses 指定此模块消费的服务的全限定名。
  • provides with – denotes an implementation,specified by the with keyword,for a service,indicated by provides

模块化应用程序示例

  • dist
  • src
    • client
      • com
        • stackify
          • client
            • Main.java
      • module-info.java
    • impl
      • com
        • stackify
          • impl
            • AccessImpl.java
      • module-info.java
    • model
      • com
        • stackify
          • model
            • Person.java
      • module-info.java
    • service
      • com
        • stackify
          • service
            • AccessService.java
      • module-info.java

示例应用程序有四个模块组成——model,service,impl,client。在实际项目中应该使用反向域名模式对模块命名,以避免名称冲突。本文例子中使用了简单的名称,便于掌握。每个模块的代码都在src根目录中,编译之后的文件会放在dist中。

我们先从model模块开始,这个模块只有一个包,包里边有一个class。

package com.stackify.model;

public class Person {
    private int id;
    private String name;

    public Person(int id,String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }
}

模块的声明是这样的:

module model {
    exports com.stackify.model;
    opens com.stackify.model;
}

这个模块导出了com.stackify.model包,并为次包开启了内省。

service模块中定义了一个接口:

package com.stackify.service;

import com.stackify.model.Person;

public interface AccessService {
    public String getName(Person person);
}

鉴于service模块使用了com.stackify.model包,所以它必须要依赖model模块,配置如下:

module service {
    requires transitive model;
    exports com.stackify.service;
}

注意声明中的 transitive 关键字,这个关键字的存在表明依赖了service模块的所有模块都自动获得了model模块的访问许可。为了使AccessService能被其他模块访问,你必须使用exports到处它所在的包。

impl模块为访问服务提供了一个实现:

package com.stackify.impl;

import com.stackify.service.AccessService;
import com.stackify.model.Person;
import java.lang.reflect.Field;

public class AccessImpl implements AccessService {
    public String getName(Person person) {
        try {
            return extract(person);
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private String extract(Person person) throws Exception {
        Field field = person.getClass().getDeclaredField("name");
        field.setAccessible(true);
        return (String) field.get(person);
    }
}

由于model模块中的opens声明使得AccessImpl可以反射Person类。impl模块的模块声明如下:

module impl {
    requires service;
    provides com.stackify.service.AccessService with com.stackify.impl.AccessImpl;
}

service模块中对model模块的导入是transitive的,因此,impl模块只需要引用service模块就可以获得这两个模块的访问了。(service,model)

provides 声明表明impl模块为AccessService接口提供了实现,这个实现是AccessImpl类。

client模块消费这个AccessService服务,需要进行如下声明:

module client {
    requires service;
    uses com.stackify.service.AccessService;
}

client使用这个服务的示例如下:

package com.stackify.client;

import com.stackify.service.AccessService;
import com.stackify.model.Person;
import java.util.ServiceLoader;

public class Main {
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        AccessService service = ServiceLoader.load(AccessService.class).findFirst().get();
        Person person = new Person(1,"John Doe");
        String name = service.getName(person);
        assert name.equals("John Doe");
    }
}

你可以看到main函数中并没有使用AccessImpl实现类,事实上,模块系统在运行时基于模块定义中的users,provides...指令自动定位到了AccessService类的具体实现。

编译和执行

本小节介绍编译和执行刚才看到的模块化应用程序的步骤。 请注意,您必须按顺序运行项目根目录中的所有命令(src的父目录),然后显示出来。

编译model模块,并将生成的类文件放入dist目录中的命令为:

javac -d dist/model src/model/module-info.java src/model/com/stackify/model/Person.java

鉴于service模块依赖model模块,当你编译service模块的时候,你需要使用-p指令指定依赖的模块的路径。

javac -d dist/service -p dist src/service/module-info.java src/service/com/stackify/service/AccessService.java

同样的,下面的命令展示了如何编译impl和client模块:

javac -d dist/impl -p dist src/impl/module-info.java src/impl/com/stackify/impl/AccessImpl.java 
javac -d dist/client -p dist src/client/module-info.java src/client/com/stackify/client/Main.java

Main类中使用了断言声明,于是,你在执行Main程序的时候,需要启用断言:

java -ea -p dist -m client/com.stackify.client.Main

注意,你需在Main 类之前加上模块名称,然后传递给 - m 选项。

向后兼容

在java9之前,所有包的声明都不存在“模块”的理念。但是,这并不会妨碍你将这些包部署在新的模块化系统上。你只需要将它添加在类路径中,就像你在java8中做的那样,这个包会成为“未命名”模块的一部分。

“未命名”模块会读取其他所有模块,无论这些模块处在classpath中还是模块路径中。于是乎,在java8上编译运行的程序也可以一样的在java9上嘚瑟。不过,具有显式声明的模块无法访问“未命名”模块,这里你需要另外一个模块了——自动模块。

你可以将祖传的不具备模块声明的老jar包转换成自动模块,方法是将其放入模块路径中。这将定义一个名称来源于jar文件名的模块。这样的一个自动模块可以访问模块路径中的其他所有模块,并公开自己的包。从而实现了包之间的无缝互操作,无论有没有明确的模块。

反应流

反应流是一种编程范例——允许以背压的非阻塞的方式处理异步数据流。实质上,这种机制将接收器置于控制之下,使其能够确定要传输的数据量,而不必在每次请求之后等待响应。

Java平台将反应流作为Java9的一部分集成了进来。该集成允许您以标准方式利用Reactive Streams,从而各种实现可以协同工作。

Flow类

Java api将反应流的接口封装在Flow类中——包括,Publisher,Subscriber,Subscription和Processor。

Publisher提供了条目和相关的控制信息。这个接口只定义了一个方法,即subscribe方法,这个方法添加了一个subscriber(订阅者),改订阅者监听数据和发布者传输的数据。

Subscriber 从一个Publisher接收数据,这个接口定义了四个方法:

  • onSubscribe
  • onNext
  • onError
  • onComplete

Subscription 用来控制发布者,订阅者之间的通信。这个接口定义了两个方法:request和cancel。request方法请求发布者发布特定数量的条目,cancel会导致订阅者取消订阅。

有时候,你可能希望在数据条目从发布者传输到订阅者时对其进行操作。这个时候你可以使用Processor。这个接口拓展了Subscriber和Publisher,使其可以从发布者的角度充当发布者,从订阅者的角度充当订阅者。

内部实现

Java平台为Publisher和Subscription提供了开箱即用的实现。Publisher接口的实现类是SubmissionPublisher.除了Publisher接口中定义的方法,这个类还具有其他方法,包括:

  • submit 发布一个条目给每个subscriber
  • close 给每一个subscriber发送一个onComplete信号,并禁止后续的订阅

Subscription的实现类是一个私有的类,意图仅供SubmissionPublisher使用。当你调用SubmissionPublisher 的带有Subscriber 参数的subscribe方法时,一个Subscription对象被创建并传递给那个subscriber的onSubscribe 方法。

一个简单的应用

有了PublisherSubscription 的现成实现,你仅需要声明一个Subscriber接口的实现类,就可以创建一个反应流的应用。如下,这个类需要String类型的消息:

public class StringSubscriber implements Subscriber<String> {
    private Subscription subscription;
    private StringBuilder buffer;

    @Override
    public void onSubscribe(Subscription subscription) {
        this.subscription = subscription;
        this.buffer = new StringBuilder();
        subscription.request(1);
    }

    public String getData() {
        return buffer.toString();
    }

    // other methods
}

如你所见,StringSubscriber 将当订阅一个发布者时得到的Subscription 存储在其私有的成员变量中。同时,它使用了一个buffer成员来存储它接收的String消息 。你可以通过getData()方法来取回buffer数据。onSubscribe 方法请求了发布者发出单个数据条目。

onNext 方法的定义如下:

@Override
public void onNext(String item) {
    buffer.append(item);
    if (buffer.length() < 5) {
        subscription.request(1);
        return;
    }
    subscription.cancel();
}

这个方法接收Publisher发布的新消息,并叠加在前一消息后面,当接收到5条消息之后,订阅者便停止了接收。

并不重要的 onErroronComplete 两个方法的实现如下:

@Override
public void onError(Throwable throwable) {
    throwable.printStackTrace();
}

@Override
public void onComplete() {
    System.out.println("Data transfer is complete");
}

这个Test验证了我们的实现:

@Test
public void whenTransferingDataDirectly_thenGettingString() throws Exception {
    StringSubscriber subscriber = new StringSubscriber();
    SubmissionPublisher<String> publisher = new SubmissionPublisher<>();
    publisher.subscribe(subscriber);

    String[] data = { "0","1","2","3","4","5","6","7","8","9" };
    Arrays.stream(data).forEach(publisher::submit);

    Thread.sleep(100);
    publisher.close();

    assertEquals("01234",subscriber.getData());
}

在上面的test方法中,sleep方法啥都没干,只是等着异步的数据传输完成。

应用Processor

我们来添加Processor来让这个简单应用变得复杂一点,这个processor将发布的String转换成Integer,如果转换失败就抛出一个异常。转换之后,processor将这个结果number转发给subscriber。Subscriber的代码实现如下:

public class NumberSubscriber implements Subscriber<Integer> {
    private Subscription subscription;
    private int sum;
    private int remaining;

    @Override
    public void onSubscribe(Subscription subscription) {
        this.subscription = subscription;
        subscription.request(1);
        remaining = 1;
    }

    public int getData() {
        return sum;
    }

    @Override
	public void onNext(Integer item) {
  	 sum += item;
   	 if (--remaining == 0) {
     	   subscription.request(3);
    	    remaining = 3;
    	}
	}	
}

代码和之前的Subscriber类似,不做解释。Processor 的实现如下:

public class StringToNumberProcessor extends SubmissionPublisher<Integer> implements Subscriber<String> {
    private Subscription subscription;

    @Override
    public void onSubscribe(Subscription subscription) {
        this.subscription = subscription;
        subscription.request(1);
    }

    // other methods
}

本例中,这个processor继承了SubmissionPublisher,因此Subscriber接口的抽象方法。其他的几个方法是:

@Override
public void onNext(String item) {
    try {
        submit(Integer.parseInt(item));
    } catch (NumberFormatException e) {
        closeExceptionally(e);
        subscription.cancel();
        return;
    }
    subscription.request(1);
}

@Override
public void onError(Throwable throwable) {
    closeExceptionally(throwable);
}

@Override
public void onComplete() {
    System.out.println("Data conversion is complete");
    close();
}

注意,当publisher关闭的时候,processor也需要关闭,向subscriber发布onComplete信号。同样的,当错误发生时——无论是processor还是publisher——processor本身应该通知subscriber这个错误。

你可以通过调用closecloseExceptionally 方法来实现通知流。

测试用例如下:

@Test
public void whenProcessingDataMidway_thenGettingNumber() throws Exception {
    NumberSubscriber subscriber = new NumberSubscriber();
    StringToNumberProcessor processor = new StringToNumberProcessor();
    SubmissionPublisher<String> publisher = new SubmissionPublisher<>();

    processor.subscribe(subscriber);
    publisher.subscribe(processor);

    String[] data = { "0","9" };
    Arrays.stream(data).forEach(publisher::submit);

    Thread.sleep(100);
    publisher.close();

    assertEquals(45,subscriber.getData());
}

API使用

通过上面的应用,你可以更好的理解反应流。但是,它们决不是用于从头开始构建反应式程序的指南。实现一个反应流规范并不容易,因为它要解决的问题一点也不简单。你应该利用有效的库(例如RxJava或者Project Reactor)来编写高效的应用。

将来,当许多Reactive库支持Java 9时,甚至可以组合来自不同工具的各种实现,以充分利用API。

总结

这篇文章涉及了Java9中的两个核心技术——模块系统和反应流。

模块化系统是新的特性,预计不久就会被广泛使用。然而,整个java世界走向模块化系统是必然的,你应该为此做好准备。

反应流已经存在了一段时间了,Java 9的推出有助于标准化范例,这可能会加速它的运用。

原文地址:https://stackify.com/exploring-java-9-module-system-and-reactive-streams/

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