使用Java 9的模块化来构建零依赖的原生应用

翻译 2018年01月10日 10:28:54

原文Using Java 9 Modularization to Ship Zero-Dependency Native Apps
作者:Steve Perkins
翻译:雁惊寒

摘要:本文通过实例介绍了如果通过Java 9的模块化特性来构建一个独立的、零依赖的可执行程序。以下是译文。

为什么没办法创建一个.EXE程序?

在Java刚刚出现的时候,主流的编程语言要么可以编译为独立的可执行文件(例如C/C++、COBOL),要么运行在解释器中(例如Perl、Tcl)。对于大部分的程序员来说,Java对字节码编译器运行时解释器的需求让他们开始转变自己的思维。编译模型使得Java比“脚本”语言更适合于业务编程。然而,运行时模型则需要在每台目标机器上部署和使用合适的JVM。

人们对此有些抵触。在早期的网络论坛,以及后来的StackOverflow问题中,为了避免在目标机器上安装Java运行时,开发者们都在寻找某种能将Java应用程序发布为“原生”可执行文件的方法。

解决办法从一开始就有。 Excelsior JET是一个超前的Java编译器,提供了部分C++风格的体验。然而,它的许可费用高达数千美元。当然,也有免费工具,例如Launch4j和JDK 8的javapackager工具。这些工具能帮你把Java运行时环境与启动程序捆绑在一起,以使用该JRE来启动应用程序。但是,嵌入JRE会使应用程序增加大约200MB。由于技术上的原因以及许可问题,应用程序的大小很难降下来。

Java 9来了

Java 9中最广为人知的新功能是新的模块化系统,称为Jigsaw项目。简而言之,这个新模块用于隔离代码块及其依赖关系。

这个模块不仅适用于外部库,也适用于Java标准库本身。这意味着应用程序可以声明自己需要标准库的哪些部分,并排除所有其他的部分

这个功能是通过随JDK一同提供的 jlink工具来实现的。乍一看,jlink类似于javapackager。它会生成一个包,包括:

  1. 应用程序代码及其依赖关系;
  2. 一个嵌入式Java运行时环境;
  3. 本地启动器(例如,bash脚本或Windows批处理文件),用于通过嵌入式JRE启动应用程序。

jlink建立了“链接时”这个新的可选阶段,它处于编译时和运行时之间,用于执行优化,例如删除不可达的代码。与捆绑整个标准库的javapackager不同,jlink把精简过的JRE和仅包含应用程序所需的那些模块捆绑在一起。

示例

jlink和老版本的javapackager之间的区别非常的大。为了说明这一点,我们来看一个示例项目:

https://github.com/steve-perkins/jlink-demo

(1)创建一个模块化的项目

这个代码库包含一个多项目的Gradle构建。 cli子目录中是一个“Hello World”命令行程序,而gui是一个JavaFX桌面应用程序。请注意,对于这两者,通过在build.gradle文件中配置下面这一句来让每个项目与Java 9兼容:

sourceCompatibility = 1.9

下面将创建module-info.java文件,为每个项目设置模块化。

/cli/src/main/java/module-info.java:

module cli {
}

/gui/src/main/java/module-info.java:

module gui {
    requires javafx.graphics;
    requires javafx.controls;

    exports gui;
}

这里的CLI应用程序只是对System.out.println()的调用,所以它只依赖于java.base模块(这是隐式的,不需要声明)。

但并不是所有的应用程序都使用JavaFX,所以这里的GUI应用程序必须声明它对javafx.graphicsjavafx.controls模块的依赖。而且,由于JavaFX的工作方式不太一样,所以底层库需要访问我们的代码。export gui这一行赋予了这个库的可见性。

Java开发人员(包括我自己)需要一些时间来感悟新的标准库模块以及它们包含的内容。 JDK包含的jdeps工具可以帮忙用来解决这个问题。而且只要某个项目被设置为模块化,IntelliJ就能识别出丢失的声明并协助开发人员自动完成它们。即使Eclipse和NetBeans没有类似的支持,它们很快也会添加进去的。

(2)构建一个可执行的JAR

要使用jlink构建一个可部署的包,首先要将应用程序打包成一个可执行的JAR文件。如果项目依赖第三方库,那么需要使用“shaded”或“fat-JAR”插件来生成包含所有依赖关系的单个JAR。我们这个例子只使用了标准库,所以构建一个可执行的JAR是一件非常简单的事情,只需让Gradle的jar插件包含一个声明可执行类的META-INF/MANIFEST.MF文件:

jar {
    manifest {
        attributes'Main-Class': 'cli.Main'
    }
}

据我所知,Gradle还没有一个插件能够提供干净并且可以无缝集成的jlink。所以,我的构建脚本使用Exec任务来运行该工具。命令行调用是这样的:

[JAVA_HOME]/bin/jlink --module-path libs:[JAVA_HOME]/jmods --add-modules cli --launcher cli=cli/cli.Main --output dist --strip-debug --compress 2 --no-header-files --no-man-pages
  • --module-path标志类似于CLASSPATH。它告诉工具应该在哪里查找已编译的模块二进制文件(即JAR文件或新的JMOD格式文件)。在这里,我们告诉它寻找项目的libs子目录(因为这是Gradle放置可执行JAR的地方)以及标准库模块的JDK目录。

  • --add-modules标志用于声明哪些模块要添加到结果包中。我们只需要声明自己项目的模块即可(cligui),因为所依赖的模块将作为传递依赖被引入。

  • 生成的包将包含/bin子目录,用于执行应用程序的bash脚本或Windows批处理文件。 --launcher标志允许你为这个脚本指定一个名字,以及它应该调用哪个Java类(这看起来有点多余,因为这已经在可执行JAR中指定了)。在上面的命令中,我们将创建一个名为bin/cli的脚本,它将调用模块cli中的cli.Main类。

  • --output标志直观地指定了放置结果包的子目录。在这里,我们使用一个名为dist的目标目录。

  • 最后,这些标志--strip-debug--compress 2--no-header-files--no-man-pages是我所做的一些优化,以减少产生的包的大小。

在项目的根目录下,这个Gradle命令建立并链接了两个子项目:

./gradlew linkAll

由此产生的可部署包可以在以下位置找到:

[PROJECT_ROOT]/cli/build/dist
[PROJECT_ROOT]/gui/build/dist

结果

我们来看看链接出来的CLI和GUI应用程序的大小,以及精简的嵌入式JRE:

应用 原始大小 用7-zip压缩后的大小
cli 21.7 MB 10.8 MB
gui 45.8 MB 29.1 MB

这是在Windows机器上,用64位的JRE打包打出来的结果(Linux包的大小有点大,但比例仍大致相同)。下面是一些注意事项:

  • 作为比较,这个平台上完整的JRE大小是203MB。

  • 用Go编写的“Hello World”命令行程序编译出来是2MB左右。 Hugo是用于发布此博客的网站生成器,它是一个27.2MB大小的Go可执行文件。

  • 对于跨平台的GUI开发,一个典型的Qt或GTK应用程序仅附带大约15MB的Windows DLL。Electron快速开始例程会生成一个131 MB的程序。

结论

说句公道话,一个包含启动脚本的应用程序包并不像“单单一个.EXE程序”那样简单。另外,由于JIT编译器的原因,JRE在启动时相对较为缓慢。

即便如此,Java仍然是一种能够生成大小与其他编译语言相媲美、独立的、零依赖的应用程序的语言(并且比Electron等Web混合程序更为优秀)。此外,Java 9 包含了一个实验性的AOT编译器,这也许可以加速程序的启动。尽管这个jaotc工具最初只适用于64位Linux平台,但它很快就会扩展到其他平台。

虽然Go在早期的云基础设施CLI工具中备受瞩目(例如DockerKubernetesConsulVault等),但Java正在成为一个强有力的替代者,特别是对于具有构建Java经验的项目组。对于跨平台桌面GUI应用程序,我认为JavaFX与Java 9模块化的结合是现在最好的选择。

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