聊聊 SPI 机制

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勇哥java实战分享

发布于 2023-11-25 20:37:07

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发布于 2023-11-25 20:37:07

文章被收录于专栏：勇哥编程游记

短信平台是通过 SPI 机制加载三方渠道插件，所以这篇文章，我们有必要温习 SPI 机制。

SPI 全称为 Service Provider Interface，是一种服务发现机制。

SPI 的本质是将接口实现类的全限定名配置在文件中，并由服务加载器读取配置文件，加载实现类。这样可以在运行时，动态为接口替换实现类。正因此特性，我们可以很容易的通过 SPI 机制为我们的程序提供拓展功能。

1 Java SPI 示例

本节通过一个示例演示 Java SPI 的使用方法。首先，我们定义一个接口，名称为 Robot。

public interface Robot {
    void sayHello();
}

接下来定义两个实现类，分别为 OptimusPrime 和 Bumblebee。

public class OptimusPrime implements Robot {
    
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am Optimus Prime.");
    }
}

public class Bumblebee implements Robot {

    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am Bumblebee.");
    }
  
}

接下来 META-INF/services 文件夹下创建一个文件，名称为 Robot 的全限定名 org.apache.spi.Robot。文件内容为实现类的全限定的类名，如下：

org.apache.spi.OptimusPrime
org.apache.spi.Bumblebee

做好所需的准备工作，接下来编写代码进行测试。

public class JavaSPITest {
    @Test
    public void sayHello() throws Exception {
        ServiceLoader<Robot> serviceLoader = ServiceLoader.load(Robot.class);
        System.out.println("Java SPI");
        // 1. forEach 模式
        serviceLoader.forEach(Robot::sayHello);
        // 2. 迭代器模式
        Iterator<Robot> iterator = serviceLoader.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Robot robot = iterator.next();
       	  //System.out.println(robot);
          //robot.sayHello();
        }
    }
}

最后来看一下测试结果，如下：

2 经典 Java SPI 应用 : JDBC DriverManager

在JDBC4.0 之前，我们开发有连接数据库的时候，通常先加载数据库相关的驱动，然后再进行获取连接等的操作。

// STEP 1: Register JDBC driver
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
// STEP 2: Open a connection
String url = "jdbc:xxxx://xxxx:xxxx/xxxx";
Connection conn = DriverManager.getConnection(url,username,password);

JDBC4.0之后使用了 Java 的 SPI 扩展机制，不再需要用 Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver") 来加载驱动，直接就可以获取 JDBC 连接。

接下来，我们来看看应用如何加载 MySQL JDBC 8.0.22 驱动：

首先 DriverManager类是驱动管理器，也是驱动加载的入口。

/**
 * Load the initial JDBC drivers by checking the System property
 * jdbc.properties and then use the {@code ServiceLoader} mechanism
 */
static {
     loadInitialDrivers();
     println("JDBC DriverManager initialized");
}

在 Java 中，static 块用于静态初始化，它在类被加载到 Java 虚拟机中时执行。

静态块会加载实例化驱动，接下来我们看看loadInitialDrivers 方法。

加载驱动代码包含四个步骤：

系统变量中获取有关驱动的定义。
使用 SPI 来获取驱动的实现类（字符串的形式）。
遍历使用 SPI 获取到的具体实现，实例化各个实现类。
根据第一步获取到的驱动列表来实例化具体实现类。

我们重点关注 SPI 的用法，首先看第二步，使用 SPI 来获取驱动的实现类 , 对应的代码是：

ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);

这里没有去 META-INF/services目录下查找配置文件，也没有加载具体实现类，做的事情就是封装了我们的接口类型和类加载器，并初始化了一个迭代器。

接着看第三步，遍历使用SPI获取到的具体实现，实例化各个实现类，对应的代码如下：

Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
//遍历所有的驱动实现
while(driversIterator.hasNext()) {
    driversIterator.next();
}

在遍历的时候，首先调用driversIterator.hasNext()方法，这里会搜索 classpath 下以及 jar 包中所有的META-INF/services目录下的java.sql.Driver文件，并找到文件中的实现类的名字，此时并没有实例化具体的实现类。

然后是调用driversIterator.next();方法，此时就会根据驱动名字具体实例化各个实现类了，现在驱动就被找到并实例化了。

3 Java SPI 机制源码解析

我们根据第二节 JDK SPI 示例，学习 ServiceLoader 类的实现。

进入 ServiceLoader 类的load方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
     ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
     return ServiceLoader.load(service, cl);
}

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service , ClassLoader loader) {
     return new ServiceLoader<>(service, loader);
}

上面的代码， load 方法会通过传递的服务类型和类加载器classLoader 创建一个 ServiceLoader 对象。

private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
     service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
     loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
     acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
     reload();
}

// 缓存已经被实例化的服务提供者，按照实例化的顺序存储
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

public void reload() {
     providers.clear();
     lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}

私有构造器会创建懒迭代器 LazyIterator 对象，所谓懒迭代器，就是对象初始化时，仅仅是初始化，只有在真正调用迭代方法时，才执行加载逻辑。

创建完 serviceLoader 之后，调用iterator()方法：

Iterator<Robot> iterator = serviceLoader.iterator();

// 迭代方法实现
public Iterator<S> iterator() {
     return new Iterator<S>() {
          Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders
                = providers.entrySet().iterator();

          public boolean hasNext() {
                if (knownProviders.hasNext())
                    return true;
                return lookupIterator.hasNext();
          }

          public S next() {
                if (knownProviders.hasNext())
                    return knownProviders.next().getValue();
                return lookupIterator.next();
          }

          public void remove() {
                throw new UnsupportedOperationException();
          }
     };
}

从迭代方法的实现来看，本质上是调用懒迭代器 lookupIterator 的 hasNext() 和 next() 方法。

private boolean hasNextService() {
        if (nextName != null) {
              return true;
        }
        if (configs == null) {
             try {
                 String fullName = PREFIX + service.getName();
                 if (loader == null)
                     configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
                 else
                     configs = loader.getResources(fullName);
              } catch (IOException x) {
                    fail(service, "Error locating configuration files", x);
              }
         }
         while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
             if (!configs.hasMoreElements()) {
                  return false;
             }
             pending = parse(service, configs.nextElement());
         }
         nextName = pending.next();
         return true;
}

懒迭代器的hasNextService方法首先会通过加载器通过文件全名获取配置对象 Enumeration<URL> configs ，然后调用解析parse方法解析classpath下的META-INF/services/目录里以服务接口命名的文件。

当 hasNextService 方法返回 true ，我们可以调用迭代器的 next 方法，本质是调用懒加载器 lookupIterator 的 next() 方法：

Robot robot = iterator.next();

// 底层是调用懒加载器 lookupIterator 的  `next()` 方法
private S nextService() {
          if (!hasNextService())
              throw new NoSuchElementException();
          String cn = nextName;
          nextName = null;
          Class<?> c = null;
          try {
              c = Class.forName(cn, false, loader);
          } catch (ClassNotFoundException x) {
             fail(service,
                   "Provider " + cn + " not found");
          }
          if (!service.isAssignableFrom(c)) {
              fail(service,
                     "Provider " + cn  + " not a subtype");
          }
          try {
              S p = service.cast(c.newInstance());
              providers.put(cn, p);
              return p;
          } catch (Throwable x) {
              fail(service,
                     "Provider " + cn + " could not be instantiated",
                     x);
          }
          throw new Error();  // This cannot happen
  }

通过反射方法 Class.forName()加载类对象，并用newInstance方法将类实例化，并把实例化后的类缓存到providers对象中，(LinkedHashMap<String,S>类型）然后返回实例对象。

4 Java SPI 机制的缺陷

通过上面的解析，可以发现，我们使用 JDK SPI 机制的缺陷：

不能按需加载，需要遍历所有的实现，并实例化，然后在循环中才能找到我们需要的实现。如果不想用某些实现类，或者某些类实例化很耗时，它也被载入并实例化了，这就造成了浪费。
获取某个实现类的方式不够灵活，只能通过 Iterator 形式获取，不能根据某个参数来获取对应的实现类。
多个并发多线程使用 ServiceLoader 类的实例是不安全的。

5 Spring SPI 机制

Spring SPI 沿用了 Java SPI 的设计思想，Spring 采用的是 spring.factories 方式实现 SPI 机制，可以在不修改 Spring 源码的前提下，提供 Spring 框架的扩展性。

1、创建 MyTestService 接口

public interface MyTestService {
  
    void printMylife();

}

2、创建 MyTestService 接口实现类

WorkTestService :

public class WorkTestService implements MyTestService {
  
    public WorkTestService(){
        System.out.println("WorkTestService");
    }

    public void printMylife() {
        System.out.println("我的工作");
    }
  
}

FamilyTestService :

public class FamilyTestService implements MyTestService {

    public FamilyTestService(){
        System.out.println("FamilyTestService");
    }

    public void printMylife() {
        System.out.println("我的家庭");
    }

}

3、在资源文件目录，创建一个固定的文件 META-INF/spring.factories。

#key是接口的全限定名，value是接口的实现类
com.courage.platform.sms.demo.service.MyTestService = com.courage.platform.sms.demo.service.impl.FamilyTestService,com.courage.platform.sms.demo.service.impl.WorkTestService

4、运行代码

// 调用 SpringFactoriesLoader.loadFactories 方法加载 MyTestService 接口所有实现类的实例
List<MyTestService> myTestServices = SpringFactoriesLoader.loadFactories(
              MyTestService.class,
              Thread.currentThread().getContextClassLoader()
);

for (MyTestService testService : myTestServices) {
     testService.printMylife();
}

运行结果：

FamilyTestService
WorkTestService
我的家庭
我的工作

Spring SPI 机制非常类似，但还是有一些差异：

Java SPI 是一个服务提供接口对应一个配置文件，配置文件中存放当前接口的所有实现类，多个服务提供接口对应多个配置文件，所有配置都在 services 目录下。
Spring SPI 是一个 spring.factories 配置文件存放多个接口及对应的实现类，以接口全限定名作为key，实现类作为value来配置，多个实现类用逗号隔开，仅 spring.factories 一个配置文件。

和 Java SPI 一样，Spring SPI 也无法获取某个固定的实现，只能按顺序获取所有实现。

6 Dubbo SPI 机制

基于 Java SPI 的缺陷支持按需加载接口实现类，Dubbo 并未使用 Java SPI，而是重新实现了一套功能更强的 SPI 机制。

Dubbo SPI 的相关逻辑被封装在了 ExtensionLoader 类中，通过 ExtensionLoader，我们可以加载指定的实现类。

Dubbo SPI 所需的配置文件需放置在 META-INF/dubbo 路径下，配置内容如下：

optimusPrime = org.apache.spi.OptimusPrime
bumblebee = org.apache.spi.Bumblebee

与 Java SPI 实现类配置不同，Dubbo SPI 是通过键值对的方式进行配置，这样我们可以按需加载指定的实现类。

另外，在测试 Dubbo SPI 时，需要在 Robot 接口上标注 @SPI 注解。

下面来演示 Dubbo SPI 的用法：

public class DubboSPITest {

    @Test
    public void sayHello() throws Exception {
        ExtensionLoader<Robot> extensionLoader = 
            ExtensionLoader.getExtensionLoader(Robot.class);
        Robot optimusPrime = extensionLoader.getExtension("optimusPrime");
        optimusPrime.sayHello();
        Robot bumblebee = extensionLoader.getExtension("bumblebee");
        bumblebee.sayHello();
    }
}

测试结果如下：

Dubbo SPI 除了支持按需加载接口实现类，还增加了 IOC 和 AOP 等特性。

Dubbo SPI :
https://cn.dubbo.apache.org/zh-cn/docsv2.7/dev/source/dubbo-spi/
JDK/Dubbo/Spring 三种 SPI 机制，谁更好？
https://segmentfault.com/a/1190000039812642

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