Java 9+'da Modüler Uygulama Geliştirmek

   Java Development Kit (JDK), Java uygulaması geliştirmek, geliştirdiğimiz uygulamaları çalıştırmak ve en nihayetinde uygulamamızın dağıtımını yapmak için çeşitli araçlar (javac, java, javadoc, jar, jlink gibi) sunuyor. Uygulamaların dağıtımını yapmak için jar komutundan ve jar formatından yararlanıyoruz. jar komutu projede yer alan .class uzantılı dosyaları tek bir dosyaya arşivleyip, bu arşiv dosyasını jar uzantılı bir dosyaya sıkıştırıyor. Ağırlıklı olarak Linux sistemlerde yer alan tar ve zip komutunun yaptığı işlemi bize sunuyor. Daha sonra bu jar uzantılı uygulamayı java komutu ile çalıştırıyoruz. jar uzantılı dosyada bir uygulama olabileceği gibi bir çok projede ortak olarak kullanılan bir kütüphane de olabilir. 

MODÜL

   Yazılım Mimarisi yazılımı parçalara ayırmakla ilgilidir. Yazılımı öyle birimlere ya da parçalara ayıralım ve daha sonra bu birimleri öyle birleştirelim ki işlevsel olmayan özellikleri sağlasın. İşlevsel olmayan özellikler ölçeklenebilirlik, her zaman erişebilirlik, değiştirilebilirlik gibi yazılımın verdiği hizmetin kalitesine yönelik tanımlar içerir. Örneğin İstemci-Sunucu mimarisinde bu parçalar ya da birimler İstemci ve Sunucudur. Örnek olarak MySQL İlişkisel Veritabanını ele alalım. MySQL İstemci-Sunucu mimarisine sahiptir. Sunucu mysqld prosesi olarak bir makinada çalışırken, istemciler ise Java, C/C++, .Net, PHP, Python ya da node.js platformarından birinde yazılmış birer uygulama olabilir. mysqld sunucusu ise Katmanlı Mimariye (=Layered Architecture) sahiptir. Bu katmanlar, mysqld örneğinde aşağıda verildeği şekildedir: i. Bağlantı katmanı, ii. Ayrıştırıcı (=Parser) ve Sorgu Cep Belleği, iii. En İyileyici (=Optimizer) iv. Depolama Motorları (=Storage Engines)

MySQL'in Mimarisi

   Bu katmanların her birini diğerinden ayırt etmek üzere bir birim ya da modül olarak tanımlamak  isteriz. Böylelikle uygulamayı geliştirmek, test etmek, değiştirmek, bakımını yapmak daha kolay olacaktır. Bir uygulama Yekpare Mimaride (=Monolithic Architecture) olarak geliştirilmiş olsa bile modüler bir yapıda olmasını yeğleriz. Bu birimleri Windows'ta DLL (Dynamic Link Library) olarak, Linux'da SO (=Shared Object) dosyası olarak ve Java'da ise JAR dosyası olarak tanımlıyoruz.

Java 9 ve MODÜLER PROGRAMLAMA

   Java 9'un modüller programlama açısından bakıldığında iki hedefi bulunuyor:

• İlk hedef JDK'nın modüler bir yapıya kavuşturmak getirmek. 
• İkinci hedef JDK üzerinde çalışan onu kullanan uygulamanızın modüler yazılabilmesini sağlamak. 

MODÜLER JDK

Java'da Java 9'a kadar modülü ayırt edecek herhangi bir gösterim bulunmuyordu. Jar dosyası kavramsal olarak bir modül içerse bile JVM'nin (Java Virtual Machine) ve Class Loader'ın bunu ayırt etmesini sağlayacak herhangi bir tanımlama jar dosyası içinde yer almaz. Üstelik JVM'nin kendisi modüler değildir: rt.jar ve tools.jar. Platform devasa bu iki jar dosyasından ibarettir ve her yeni sürümde bu jar dosyasının boyutu artmaktadır. Java 9 hem platformun hem de bu platformun üzerinde çalışacak uygulamanın modüler olarak geliştirilmesini sağlayacak yenilikler içeriyor. Bu yazıda bu yenilikler tanıtılmaya çalışılacaktır.
Makinanıza JDK 9+ kurduğunuzda artık içinden rt.jar çıkmadığını göreceksiniz. rt.jar içinde sağlanan işlevler modüller halinde yerinden jmods dizini altında düzenlendiğini görüyoruz:

c:\stage\opt\jdk-9.0.4>dir
 Directory of c:\stage\opt\jdk-9.0.4

01/19/2020  08:01 AM    <DIR>          .
01/19/2020  08:01 AM    <DIR>          ..
01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          bin
01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          conf
12/19/2017  06:31 PM             3,244 COPYRIGHT
01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          include
01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          jmods
01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          legal
01/19/2020  08:01 AM    <DIR>          lib
11/04/2019  12:40 PM               158 README.html
11/04/2019  12:40 PM             1,950 release

jmods dizini içinde 98 adet jmod uzantılı dosya yer alıyor. Bu modüllerin her birinin tek bir sorumluluğu olacak şekilde düzenlendiğini görüyoruz:

c:\stage\opt\jdk-9.0.4\jmods>dir

 Directory of c:\stage\opt\jdk-9.0.4\jmods

01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          .
01/19/2020  08:00 AM    <DIR>          ..
11/04/2019  12:40 PM            61,160 java.activation.jmod
11/04/2019  12:40 PM        16,673,580 java.base.jmod
11/04/2019  12:40 PM           111,467 java.compiler.jmod
11/04/2019  12:40 PM         2,689,556 java.corba.jmod
11/04/2019  12:40 PM            51,910 java.datatransfer.jmod
11/04/2019  12:40 PM        13,681,645 java.desktop.jmod
11/04/2019  12:40 PM           127,281 java.instrument.jmod
11/04/2019  12:40 PM            18,864 java.jnlp.jmod
11/04/2019  12:40 PM           120,151 java.logging.jmod
11/04/2019  12:40 PM           880,278 java.management.jmod

.

.

.

11/04/2019  12:40 PM            78,541 jdk.security.auth.jmod
11/04/2019  12:40 PM            24,052 jdk.security.jgss.jmod
11/04/2019  12:40 PM           527,308 jdk.snmp.jmod
11/04/2019  12:40 PM            18,490 jdk.unsupported.jmod
11/04/2019  12:40 PM         1,940,012 jdk.xml.bind.jmod
11/04/2019  12:40 PM            42,434 jdk.xml.dom.jmod
11/04/2019  12:40 PM           741,290 jdk.xml.ws.jmod
11/04/2019  12:40 PM            87,995 jdk.zipfs.jmod
11/04/2019  12:40 PM             2,624 oracle.desktop.jmod
11/04/2019  12:40 PM             8,938 oracle.net.jmod

jmod dosyası aslında bir jar dosyasıdır. İçinde modül bilgisi, modülü oluşturan class dosyaları yer alıyor. Modül bilgisi ve modüller arasındaki bağımlılıklar module-info.class dosyası içinde tanımlıdır. Modül listesini Java Sanal Makinasından list-modules seçeneği ile öğrenebilirsiniz:

c:\stage\opt\jdk-9.0.4>java --list-modules
java.activation@9.0.4
java.base@9.0.4
java.compiler@9.0.4
java.corba@9.0.4
java.datatransfer@9.0.4
java.desktop@9.0.4
java.instrument@9.0.4
java.jnlp@9.0.4
java.logging@9.0.4
java.management@9.0.4

.

.

.

jdk.security.auth@9.0.4
jdk.security.jgss@9.0.4
jdk.snmp@9.0.4
jdk.unsupported@9.0.4
jdk.xml.bind@9.0.4
jdk.xml.dom@9.0.4
jdk.xml.ws@9.0.4
jdk.zipfs@9.0.4
oracle.desktop@9.0.4
oracle.net@9.0.4

Modül dosyası oluşturmak, modül dosyası içindeki dosyaları listelemek ve açmak ve modüller arasındaki bağımlılığı listelemek için jmod komutunu kullanabilirsiniz. Aşağıda jmod komutunun kullanımları örneklenmiştir:

c:\stage\opt\jdk-9.0.4>jmod describe jmods\java.sql.jmod
java.sql@9.0.4
exports java.sql
exports javax.sql
exports javax.transaction.xa
requires java.base mandated
requires java.logging transitive
requires java.xml transitive
uses java.sql.Driver
platform windows-amd64

c:\stage\opt\jdk-9.0.4>jmod list jmods\java.sql.jmod
classes/module-info.class
classes/java/sql/Array.class
classes/java/sql/BatchUpdateException.class
classes/java/sql/Blob.class
classes/java/sql/CallableStatement.class
classes/java/sql/ClientInfoStatus.class
classes/java/sql/Clob.class
classes/java/sql/Connection.class
classes/java/sql/ConnectionBuilder.class
classes/java/sql/DatabaseMetaData.class

.

.

.

classes/javax/sql/RowSetReader.class
classes/javax/sql/RowSetWriter.class
classes/javax/sql/StatementEvent.class
classes/javax/sql/StatementEventListener.class
classes/javax/sql/XAConnection.class
classes/javax/sql/XAConnectionBuilder.class
classes/javax/sql/XADataSource.class
classes/javax/transaction/xa/XAException.class
classes/javax/transaction/xa/XAResource.class
classes/javax/transaction/xa/Xid.class
legal/COPYRIGHT
legal/LICENSE

JDK'nın bu yeni modüler yapısı sayesinde uygulamanıza özel bir JDK oluşturabilirsiniz. Bunun için öncelikle uygulamanızın ihtiyacı olan modüllerin bir listesini çıkarmanız gerekir. Ardından jlink komutu ile sadece tanımladığınız bu listede yer alan modüllerden oluşan bir JDK oluşturabilirsiniz:

c:\stage\opt\jdk-9.0.4>jlink --module-path jmods --add-modules java.sql,java.sql.rowset,java.xml --output c:\tmp\jdk9-app42

Sadece ihtiyacımız olan modüllerden oluşan JDK c:\tmp\jdk9-app42 dizininde oluştu:

c:\tmp\jdk9-app42>dir
 Directory of c:\tmp\jdk9-app42

04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          .
04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          ..
04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          bin
04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          conf
04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          include
04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          legal
04/11/2019  10:49 PM    <DIR>          lib
04/11/2019  10:49 PM               121 release

Bu yeni JDK bir taraftan uygulamanızın daha hızlı açılmasını sağlarken diğer taraftan uygulamanızı kullanmadığı modüllerde oluşabilecek güvenlik açıklarından korumanızı sağlayacaktır. Uygulamanızı çalıştırmak için eskiden olduğu gibi java komutunu kullanacaksınız. Ancak bu kez java komutu olarak yeni JDK'daki bin dizininde yer alan java komutunu kullanacaksınız: 

c:\tmp\jdk9-app42\bin>java -jar c:\tmp\app42.jar

MODÜLER JAVA UYGULAMASI GELİŞTİRMEK

Java 9 öncesinde en üst paketleme yapısı sınıftır. Sınıfı detaylarını gizler dışarıya vereceği hizmetleri ise açarız. Bunu üyeleri public, private ya da protected  tanımlayarak sağlarız. private tanımladığınız üyelere dışarıdan bir referans üzerinden ya da türetilmiş sınıftan erişemezsiniz. public tanımladığınız bir üyeye her yerden erişebilirsiniz. Ancak bir projede ya da jar dosyası içinde yer alan bir sınıfın import edilmesini engelleyemezsiniz. Bir sınıf istediği ihtiyaç duyduğu herhangi bir paketteki sınıfı kullanır. Bir paketi paketteki sınıfları nasıl gizleyebilirsiniz? Java 9 ile birlikte bir üst paketleme seviyesine kavuştuk: modül. Varsayılan davranış olarak bir modül içindeki tüm sınıflar gizlenmiştir. Modülden dışarıya açmak istediğiniz paketleri, module-info.java dosyasında exports anahtar kelimesini kullanarak tanımlamanız gerekir. Her bir modülün dağıtımı bir jar dosyası olarak gerçekleştirilir. Şimdi modül yapısını ve özelliklerini incelemek için örnek bir uygulama olarak üç modülden oluşan bir Sayısal Loto uygulaması geliştirelim. Her bir modülün tek bir sorumluluğu olacak şekilde parçalıyoruz: 

• Random Module: Sözde rastgele sayı üretmekten sorumlu modül
• Lottery Module: Sayısal Loto için sayı üretmekten sorumlu modül
• Application Module: Uygulama modülü

Random Module

Random modülü sözde rastgele sayı üretmekten sorumlu bir modül olarak tasarlanmıştır. Modülün vereceği bu hizmeti dışarıya bir Java arayüzü (com.example.random.service.RandomService) üzerinden açacağız. Bu arayüzün gerçeklemelerine ait detaylarını (com.example.random.service.business.SimpleRandomService ve com.example.random.service.business.SecureRandomService sınıfları) ise modül içinde gizliyoruz.

module-info.java:

module com.example.random {
    exports com.example.random.service;
    provides com.example.random.service.RandomNumberService with com.example.random.service.business.SimpleRandomNumberService, com.example.random.service.business.SecureRandomNumberService;
}

QualityLevel.java:

package com.example.random.service;

public enum QualityLevel {
 SECURE, SIMPLE
}

Quality.java:

package com.example.random.service;

import static java.lang.annotation.ElementType.METHOD;
import static java.lang.annotation.ElementType.TYPE;
import static java.lang.annotation.RetentionPolicy.RUNTIME;

import java.lang.annotation.Documented;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.Target;

@Documented
@Retention(RUNTIME)
@Target({ TYPE, METHOD })
public @interface Quality {
 QualityLevel value();
}

SecureRandomNumberService.java:

package com.example.random.service.business;

import java.security.SecureRandom;
import java.util.Random;

import com.example.random.service.Quality;
import com.example.random.service.QualityLevel;
import com.example.random.service.RandomNumberService;

@Quality(QualityLevel.SECURE)
public class SecureRandomNumberService implements RandomNumberService {
 private Random rand = new SecureRandom();

 public SecureRandomNumberService() {
  System.err.println("SecureRandomNumberService is created!");
 }

 @Override
 public int generate(int min, int max) {
  System.err.println("SECURE implementation is used!");
  return rand.nextInt(max - min) + min;
 }

}

SimpleRandomNumberService.java:

package com.example.random.service.business;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

import com.example.random.service.Quality;
import com.example.random.service.QualityLevel;
import com.example.random.service.RandomNumberService;

@Quality(QualityLevel.SIMPLE)
public class SimpleRandomNumberService implements RandomNumberService {
 private Random rand = ThreadLocalRandom.current();

 public SimpleRandomNumberService() {
  System.err.println("SimpleRandomNumberService is created!");
 }

 @Override
 public int generate(int min, int max) {
  System.err.println("CHEAP implementation is used!");
  return rand.nextInt(max - min + 1) + min;
 }

}

LotteryService.java:

package com.example.random.service;

public interface RandomNumberService {
 int generate(int min,int max);
}

Lottery Module

Lottery modülü Sayısal Loto için 6 tane birbirinden farklı 1 ile 49 arasında sıralı sayı üretmekten sorumlu bir modül olarak tasarlanmıştır. Lottery modülü rastgele sayı üretmekten sorumlu olan Random Modülünü kullanıyor. Bu durumu module-info.java dosyasında requires anahtar kelime ile ifade ediyoruz: 

module-info.java:

import com.example.random.service.RandomNumberService;

module com.example.lottery {
 requires com.example.random;
 exports com.example.lottery.service;
 uses RandomNumberService;
 provides com.example.lottery.service.LotteryService with com.example.lottery.service.business.SimpleLotteryService;
}

LotteryService.java:

package com.example.lottery.service;

import com.example.random.service.RandomNumberService;

import java.util.List;

public interface LotteryService {
 List<Integer> draw();
 List<List<Integer>> draw(int n);
 void setRandomNumberService(RandomNumberService randomNumberService);
}

SimpleLotteryService.java:

package com.example.lottery.service.business;

import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.IntStream;

import com.example.lottery.service.LotteryService;
import com.example.random.service.RandomNumberService;

public class SimpleLotteryService implements LotteryService {
    private RandomNumberService randomNumberService;

    @Override
    public void setRandomNumberService(RandomNumberService randomNumberService) {
        this.randomNumberService = randomNumberService;
    }

    @Override
    public List<Integer> draw() {
        return IntStream.generate(() -> randomNumberService.generate(1, 50))
                .distinct()
                .limit(6)
                .sorted()
                .boxed()
                .collect(Collectors.toList());
    }

    @Override
    public List<List<Integer>> draw(int n) {
        return IntStream.range(0, n)
                .mapToObj(i -> this.draw())
                .collect(Collectors.toList());
    }

}

Application Module

Uygulama modülü hem Lottery modülüne hem de Random Modülüne bağımlılığı bulunuyor. Bu durumu module-info.java dosyasında requires anahtar kelimesi ile tanımlıyoruz. Uygulamamız ayrıca bu modüllerdeki LotteryService ve RandomNumberService arayüzlerini gerçekleyen servis sınıflarını kullanacağını ise uses anahtar kelimesi ile tanımlıyoruz: 

module-info.java:

import com.example.lottery.service.LotteryService;
import com.example.random.service.RandomNumberService;

module com.example.lottery.app {
    requires com.example.lottery;
    requires com.example.random;
    uses LotteryService;
    uses RandomNumberService;
}

application.properties:

random.number.service.level=SECURE

LotteryApp.java:

package com.example.app;

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.ServiceLoader;
import java.util.function.Consumer;


import com.example.lottery.service.LotteryService;
import com.example.random.service.Quality;
import com.example.random.service.QualityLevel;
import com.example.random.service.RandomNumberService;

public class LotteryApp {

 public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, IOException {
  Properties props = new Properties();
  props.load(new FileInputStream(new File("src","application.properties")));
  QualityLevel level = QualityLevel.valueOf(props.getProperty("random.number.service.level"));
  LotteryService sls = ServiceLoader.load(LotteryService.class).findFirst().get();
  sls.setRandomNumberService(extractService(level));
  Consumer<List<Integer>> println = System.err::println;
  sls.draw(10).forEach(println);
 }

 private static RandomNumberService extractService(QualityLevel level) {
  ServiceLoader<RandomNumberService> loader = ServiceLoader.load(RandomNumberService.class);
  RandomNumberService randomNumberService = null;
  for (RandomNumberService rns : loader) {
   Class<?> clazz = rns.getClass();
   if(clazz.isAnnotationPresent(Quality.class)) {
    Quality quality = clazz.getAnnotation(Quality.class);
    if (quality.value() == level) {
     randomNumberService = rns;
     break;
    }
   }
  }
  return randomNumberService;
 }

}

Örnek uygulamaya https://github.com/deepcloudlabs/modular-programming-example-java9 adresinden erişebilirsiniz.