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@opengl-8080inTIS株式会社

モジュールグラフが作られる様子を学ぼう

Last updated at Posted at 2018-12-15
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自己紹介

  • opengl-8080
  • 主に Qiita で技術メモを書いたり
  • 関西の SIer 勤務

現場はまだまだ Java 8 が多い？

  • Java 9 以降の変化に警戒
    • リリースサイクルの変更
    • サポートポリシーの変更
  • Java 8 でしのぐ
  • その Java 8 も、来年１月で無償のサポートが終了
  • Java 11 からは LTS 付きの JDK がいくつか
    • Oracle JDK
    • AdoptOpenJDK
    • Amazon Correto
    • etc ?

そろそろ本格的に Java 11 へ移行？

立ちはだかるモジュールシステム

ビルド設定の不備に起因するエラーが増えた

  • Java 8 以前
    • 「パッケージ...は存在しません」
    • 「シンボルを見つけられません」
    • java.lang.ClassNotFoundException
    • java.lang.NoClassDefFoundError
    • java.lang.NoSuchMethodError
  • Java 9 以降（上記に加え。。。）
    • 「モジュールが見つかりません: ...」
    • 「パッケージ...は表示不可です」
      • 「パッケージ...はモジュール...で宣言されていますが、エクスポートされていません」
      • 「パッケージ...はモジュール...で宣言されていますが、モジュールfooに読み込まれていません」
      • 「パッケージ...はモジュール...で宣言されていますが、モジュール・グラフにありません」
    • java.lang.module.FindException
    • java.lang.IllegalAccessException

Java 8 以前のビルドエラーの原因

  • クラスパスに必要な jar がない
  • クラスパスに入れている jar のバージョンが間違っている

だいたい、クラスパスの設定を調べれば解決した（要出典）。

Java 9 で追加されたモジュールシステム

  • クラスをロードするときの仕組みが変わった
  • コンパイラや JVM は、アプリケーションが利用するモジュールの情報を集めて、各モジュールの関係を解析する
  • このステップを モジュールの解決 と呼び、モジュール間の関係を表したものを モジュールグラフ と呼ぶ

Java 9 以降のビルドエラーの原因

  • 設定漏れなどにより、モジュールの解決が正常に完了できなかった
  • 解決されたモジュールグラフが必要な形を満たしていない

モジュールグラフの作られ方を理解していないと、
エラーの原因が特定しづらい（気がする）

モジュールグラフが作られる様子を学ぼう

前提（詳しくは話さないこと、知ってる前提）

  • モジュールシステムが導入された背景やメリット、使い方など
  • Java 8 以前のクラスパスとかの説明
  • Oracle JDK と OpenJDK の違いや、ここ半年ほどの変遷
  • Java 9 以降の新規機能（jlink とか）

モジュールシステムでできること

  • 複数のパッケージを モジュール というカタマリにまとめられる
  • モジュール間の依存関係を定義できる
  • パッケージ単位で外部への公開・非公開を制御できる

jjug-ccc-2018.jpg

モジュールの定義

module-info.java
module foo {      // foo モジュールの定義
    exports foo;  // foo パッケージの公開
    requires bar; // bar モジュールへの依存を宣言
}
  • module-info.java(class) ファイルをモジュール内のルートに配置
  • モジュール名、公開するパッケージ、依存するモジュールなどを宣言できる

モジュールを使った場合の大前提

あるモジュール内のクラスが別のモジュールのクラスを使用するためには、次の条件を満たしている必要がある。

  • 対象のクラスが存在するモジュールを直接 requires している
  • 対象のクラスが存在するパッケージが exports されている

jjug-ccc-2018.jpg

※java.base モジュールは自動的に requires されるので明示的な宣言が不要

推移的な requires

module-info.java
module bar {
    requires transitive fuga; // transitive 修飾子をつける
}
  • requires に transitive 修飾子をつけると、 requires が伝播するようになる
  • この場合、 bar を requires すると、自動的に fuga も requires したことになる

jjug-ccc-2018.jpg

モジュールグラフ

  • モジュール間の関係を表したもの
  • コンパイルや JVM 起動時に、このモジュールグラフが作られる

jjug-ccc-2018.jpg

ルートモジュールを決める

  • モジュールグラフの起点となるモジュール = ルートモジュール を決める

jjug-ccc-2018.jpg

コンパイル時と JVM 起動時でルートモジュールは異なる

コンパイル時

  • コンパイル対象のソース（モジュール）

JVM 起動時

  • --module (-m) オプションで指定したモジュール
  • メインクラスの指定というよりも、先頭のモジュールを指定するためのオプション

module[/mainclass]

解決する初期moduleの名前を指定します。
また、moduleで指定されていない場合は、実行するmainclassの名前を指定します。

java | Java Platform, Standard Editionツール・リファレンス

ルートモジュールから依存関係を辿る

  • ルートモジュールが決まったら、 module-info の内容を確認する
  • 依存している(requires している) モジュールを調べ、モジュールグラフを構築していく

jjug-ccc-2018.jpg

観測可能なモジュール

  • モジュールを検索してくる場所
  • ルートモジュールおよび requires しているモジュールは、 観測可能なモジュール でなければならない
  • 大きく２つ存在する
    • システムモジュール
    • モジュールパス
  • 厳密には他にも観測可能なモジュールの候補は存在するが、ここでは割愛（詳細は Javadoc などを参照 ）

システムモジュール

  • 実行環境に組み込まれているモジュール
  • java.base, java.desktop, java.sql などなど
  • 固定ではない
    • jlink で作られたカスタム JRE
    • Oracle Java 9, 10 では JavaFX 系のモジュールが含まれていた
  • ModuleFinder.ofSystem() で一覧を取得可能

モジュールパス

  • --module-path (-p) で指定
  • システムモジュールに存在しないモジュールは、モジュールパスに追加しなければ requires できない
    • アプリケーション自身
    • サードパーティのライブラリ

モジュールグラフの話を整理

jjug-ccc-2018.jpg

  • モジュールグラフとは、モジュール間の関係を表したもの
  • ルートモジュールを起点にして、 requires しているモジュールを紐づけていく
  • ルートモジュールは、コンパイル時は対象のソースが、実行時は --module で指定したモジュールがなる
  • ルートモジュールおよび requires するモジュールは、観測可能なモジュールでなければならない
  • 代表的な観測可能なモジュールとして、システムモジュールとモジュールパスに含まれるモジュールがある

モジュールの解決の様子を確認する

  • java コマンドのオプションに --show-module-resolution を追加すると、モジュールの解決の様子を確認できる
$ java --show-module-resolution \ # モジュールの解決の様子を出力するオプション
       --module-path ... \
       --module ...
実行結果
root foo file:///.../foo/classes/ # ルートモジュール
foo requires bar file:///.../bar/classes/ # requires をたどっている
java.base binds java.desktop jrt:/java.desktop # サービスプロバイダの解決
java.base binds jdk.jartool jrt:/jdk.jartool
java.base binds jdk.jlink jrt:/jdk.jlink
java.base binds jdk.compiler jrt:/jdk.compiler
java.base binds jdk.javadoc jrt:/jdk.javadoc
java.base binds jdk.jdeps jrt:/jdk.jdeps
java.base binds jdk.localedata jrt:/jdk.localedata
java.base binds java.security.sasl jrt:/java.security.sasl
java.base binds jdk.crypto.mscapi jrt:/jdk.crypto.mscapi
java.base binds java.security.jgss jrt:/java.security.jgss
java.base binds java.smartcardio jrt:/java.smartcardio
java.base binds java.xml.crypto jrt:/java.xml.crypto
java.base binds jdk.crypto.cryptoki jrt:/jdk.crypto.cryptoki
java.base binds jdk.security.jgss jrt:/jdk.security.jgss
java.base binds java.naming jrt:/java.naming
java.base binds jdk.crypto.ec jrt:/jdk.crypto.ec
java.base binds jdk.zipfs jrt:/jdk.zipfs
java.base binds jdk.charsets jrt:/jdk.charsets
java.base binds java.logging jrt:/java.logging
java.base binds java.management jrt:/java.management
java.base binds jdk.security.auth jrt:/jdk.security.auth
jdk.security.auth requires java.naming jrt:/java.naming # サービスプロバイダとして読み込まれたモジュールの requires をたどっている
jdk.security.auth requires java.security.jgss jrt:/java.security.jgss
java.naming requires java.security.sasl jrt:/java.security.sasl
jdk.security.jgss requires java.security.jgss jrt:/java.security.jgss
jdk.security.jgss requires java.logging jrt:/java.logging
jdk.security.jgss requires java.security.sasl jrt:/java.security.sasl
jdk.crypto.cryptoki requires jdk.crypto.ec jrt:/jdk.crypto.ec
java.xml.crypto requires java.logging jrt:/java.logging
java.xml.crypto requires java.xml jrt:/java.xml
java.security.jgss requires java.naming jrt:/java.naming
java.security.sasl requires java.logging jrt:/java.logging
jdk.jdeps requires jdk.compiler jrt:/jdk.compiler
jdk.jdeps requires java.compiler jrt:/java.compiler
jdk.javadoc requires jdk.compiler jrt:/jdk.compiler
jdk.javadoc requires java.xml jrt:/java.xml
jdk.javadoc requires java.compiler jrt:/java.compiler
jdk.compiler requires java.compiler jrt:/java.compiler
jdk.jlink requires jdk.internal.opt jrt:/jdk.internal.opt
jdk.jlink requires jdk.jdeps jrt:/jdk.jdeps
java.desktop requires java.datatransfer jrt:/java.datatransfer
java.desktop requires java.xml jrt:/java.xml
java.desktop requires java.prefs jrt:/java.prefs
java.prefs requires java.xml jrt:/java.xml
java.datatransfer binds java.desktop jrt:/java.desktop
java.management binds jdk.management.jfr jrt:/jdk.management.jfr
java.management binds jdk.management jrt:/jdk.management
java.management binds java.management.rmi jrt:/java.management.rmi
java.desktop binds jdk.accessibility jrt:/jdk.accessibility
java.desktop binds jdk.unsupported.desktop jrt:/jdk.unsupported.desktop
java.compiler binds jdk.javadoc jrt:/jdk.javadoc
java.compiler binds jdk.compiler jrt:/jdk.compiler
java.naming binds jdk.naming.rmi jrt:/jdk.naming.rmi
java.naming binds jdk.naming.dns jrt:/jdk.naming.dns
jdk.naming.dns requires java.naming jrt:/java.naming
jdk.naming.rmi requires java.rmi jrt:/java.rmi
jdk.naming.rmi requires java.naming jrt:/java.naming
jdk.unsupported.desktop requires java.desktop jrt:/java.desktop
jdk.accessibility requires java.desktop jrt:/java.desktop
java.management.rmi requires java.management jrt:/java.management
java.management.rmi requires java.rmi jrt:/java.rmi
java.management.rmi requires java.naming jrt:/java.naming
jdk.management requires java.management jrt:/java.management
jdk.management.jfr requires java.management jrt:/java.management
jdk.management.jfr requires jdk.management jrt:/jdk.management
jdk.management.jfr requires jdk.jfr jrt:/jdk.jfr
java.rmi requires java.logging jrt:/java.logging

下位互換の話が入ってくるとややこしくなる

Java 8 以前のコードを Java 9 以上で動かす

$ java --classpath path/to/classes foo.bar.MainClassName
  • Java 8 以前同様、 jar ファイルなどをクラスパスを追加して起動する
  • クラスパスは引き続き存在している
  • 表面上は変わっていないが、内部の動きは大きく変わっている

無名モジュール（unnamed module）

  • クラスパスから読み込まれたクラスは、無名モジュール に所属するようになる
    • モジュール定義（module-info）を持つ通常のモジュールは、名前付きモジュール（named module）と呼ぶ
  • 無名モジュールはモジュール定義を持っていない（持てない）
    • 全てのパッケージを exports している扱いになる
    • モジュールグラフ上の全てのモジュールを requires している扱いになる

無名モジュールが起点となった場合

無名モジュールが起点（コンパイル対象, Main クラス）になった場合、ルートモジュールの決定方法が変わる。
ザックリ言うと、システムモジュール内のほぼ全てのモジュールがルートになる。

厳密なルールは以下。

  • --upgrade-module-path で指定した場所に存在するモジュール
    • 任意のモジュールの内容を上書きするオプション
  • システムモジュール内に存在し、 to による公開先の制限なしで最低１つはパッケージを exports しているモジュール
    • exports は to で公開先のモジュールを制限できる
    • ルートになるのは、 to による制限のないモジュールが１つ以上存在するモノのみ

※Java 10 まではもっと複雑だった。詳細は モジュールシステムを学ぶ - Qiita を参照。

無名モジュールで起動したときのモジュールの解決を見る

$ java --show-module-resolution \
       --classpath ... \
       ...
実行結果
root java.sql jrt:/java.sql
root jdk.management.jfr jrt:/jdk.management.jfr
root java.rmi jrt:/java.rmi
root jdk.jdi jrt:/jdk.jdi
root java.transaction.xa jrt:/java.transaction.xa
root java.logging jrt:/java.logging
root java.xml.crypto jrt:/java.xml.crypto
root java.xml jrt:/java.xml
root jdk.xml.dom jrt:/jdk.xml.dom
root jdk.jfr jrt:/jdk.jfr
root java.datatransfer jrt:/java.datatransfer
root jdk.httpserver jrt:/jdk.httpserver
root jdk.net jrt:/jdk.net
root java.desktop jrt:/java.desktop
root java.naming jrt:/java.naming
root java.prefs jrt:/java.prefs
root java.net.http jrt:/java.net.http
root jdk.compiler jrt:/jdk.compiler
root java.security.sasl jrt:/java.security.sasl
root jdk.jconsole jrt:/jdk.jconsole
root jdk.attach jrt:/jdk.attach
root java.base jrt:/java.base
root jdk.javadoc jrt:/jdk.javadoc
root jdk.jshell jrt:/jdk.jshell
root java.sql.rowset jrt:/java.sql.rowset
root jdk.sctp jrt:/jdk.sctp
root jdk.jsobject jrt:/jdk.jsobject
root java.management jrt:/java.management
root jdk.unsupported jrt:/jdk.unsupported
root java.smartcardio jrt:/java.smartcardio
root jdk.scripting.nashorn jrt:/jdk.scripting.nashorn
root java.instrument jrt:/java.instrument
root java.security.jgss jrt:/java.security.jgss
root jdk.management jrt:/jdk.management
root jdk.security.auth jrt:/jdk.security.auth
root java.compiler jrt:/java.compiler
root java.scripting jrt:/java.scripting
root jdk.dynalink jrt:/jdk.dynalink
root jdk.unsupported.desktop jrt:/jdk.unsupported.desktop
root jdk.accessibility jrt:/jdk.accessibility
root jdk.jartool jrt:/jdk.jartool
root java.management.rmi jrt:/java.management.rmi
root jdk.security.jgss jrt:/jdk.security.jgss
jdk.security.jgss requires java.security.sasl jrt:/java.security.sasl
（以下略）

システムモジュール内の様々なモジュールがルートとして読み込まれているのがわかる。

互換性が保たれる仕組み

  • システムモジュール内のモジュールは、ほぼ全てルートモジュールになる（モジュールグラフに追加される）
  • 無名モジュールは、モジュールグラフ内の全てのモジュールを requires する

結果、無名モジュールは基本的に全てのモジュールを利用できるようになり、互換性が保たれる。

--add-modules で任意のモジュールをルートに追加する

  • Java 9, 10 の頃は、システムモジュールにあってもルートにならないモジュールがあった
    • Java EE 関係のモジュール
    • java.transaction, java.xml.bind など
    • Java 11 で削除された
  • これらのモジュールに依存しているアプリケーションをクラスパスを使ってビルドすると、コンパイルが通らない
    • 無名モジュールはモジュールグラフ上のモジュールを自動的に requires する
    • 言い替えると、モジュールグラフに存在しないモジュールは requires されない（参照できない）
    • Java EE 関係のモジュールはルートにならなかったので、そのままだと requires されない

jjug-ccc-2018.jpg

  • --add-modules オプションを使うと、観測可能なモジュール内の任意のモジュールをルートモジュールに追加できる
$ javac --add-modules java.xml.bind \
        --classpath ...

jjug-ccc-2018.jpg

  • Java EE 関係のモジュールは Java 11 で削除されたので、 11 以降は普通にサードパーティのライブラリ扱いで利用すればいい
  • クラスパスに jar を追加すれば、アプリケーションのコードからは参照できるようになる（--add-modules は不要）

まとめ

モジュールグラフの作られ方

  1. ルートモジュールを決める
    • コンパイル対象 or --module で指定したモジュール
    • --add-modules で指定したモジュール
  2. ルートモジュールから requires をたどってモジュールグラフを構築する

観測可能なモジュール

  • ルートモジュールおよび requires するモジュールは、観測可能なモジュールでなければならない
    • システムモジュール
    • モジュールパス

他のモジュールのクラスを利用できる条件

  • そのモジュールを requires している
  • そのクラスが所属するパッケージが exports されている

互換の話が入るとちょっとややこしい

  • 無名モジュール
    • クラスパスから読み込んだクラスが所属するモジュール
    • 無名モジュールが起点になると、ルートモジュールの決定方法が変わる
    • 全てのパッケージを exports し、モジュールグラフ上の全てのモジュールを requires

エラーとの関係

前述のルールから外れた設定があると、モジュール絡みのエラーが発生する。

モジュールが見つかりません

  • 観測可能でないモジュールを利用しようとした（コンパイル時）
    • --add-modules で指定したモジュールが存在しない
    • --module で指定したモジュールが存在しない

パッケージ...は表示不可です

パッケージ...はモジュール...で宣言されていますが、エクスポートされていません

  • import しているパッケージが exports されていない

パッケージ...はモジュール...で宣言されていますが、モジュール...に読み込まれていません

  • import しているパッケージが所属するモジュールを requires で読み込んでいない

パッケージ...はモジュール...で宣言されていますが、モジュール・グラフにありません

  • 無名モジュール内で import しているパッケージを含むモジュールが、モジュールグラフ上に存在しない
  • 観測可能なモジュールには存在している

java.lang.module.FindException

  • 観測可能でないモジュールを利用しようとした（実行時）

java.lang.IllegalAccessException

  • 参照できないクラスにリフレクションでアクセスしようとした
    • requires していないモジュール
    • exports されていないパッケージのクラス

より詳細な話

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