高级开发必须理解的Java中SPI机制
本文通过探析JDK提供的，在开源项目中比较常用的Java SPI机制，希望给大家在实际开发实践、学习开源项目提供参考。
1 SPI是什么
SPI全称Service Provider Interface，是Java提供的一套用来被第三方实现或者扩展的API，它可以用来启用框架扩展和替换组件。
整体机制图如下：
Java SPI 实际上是“基于接口的编程＋策略模式＋配置文件”组合实现的动态加载机制。
系统设计的各个抽象，往往有很多不同的实现方案，在面向的对象的设计里，一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。
Java SPI就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制。有点类似IOC的思想，就是将装配的控制权移到程序之外，在模块化设计中这个机制尤其重要。所以SPI的核心思想就是解耦
2 使用场景
概括地说，适用于：调用者根据实际使用需要，启用、扩展、或者替换框架的实现策略
比较常见的例子：
- 数据库驱动加载接口实现类的加载
JDBC加载不同类型数据库的驱动 - 日志门面接口实现类加载
SLF4J加载不同提供商的日志实现类 - Spring
Spring中大量使用了SPI,比如：对servlet3.0规范对ServletContainerInitializer的实现、自动类型转换Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI)等 - Dubbo
Dubbo中也大量使用SPI的方式实现框架的扩展, 不过它对Java提供的原生SPI做了封装，允许用户扩展实现Filter接口
3 使用介绍
要使用Java SPI，需要遵循如下约定：
- 1、当服务提供者提供了接口的一种具体实现后，在jar包的META-INF/services目录下创建一个以“接口全限定名”为命名的文件，内容为实现类的全限定名；
- 2、接口实现类所在的jar包放在主程序的classpath中；
- 3、主程序通过java.util.ServiceLoder动态装载实现模块，它通过扫描META-INF/services目录下的配置文件找到实现类的全限定名，把类加载到JVM；
- 4、SPI的实现类必须携带一个不带参数的构造方法；
示例代码
步骤1、定义一组接口 (假设是org.foo.demo.IShout)，并写出接口的一个或多个实现，(假设是org.foo.demo.animal.Dog、org.foo.demo.animal.Cat)。
public interface IShout {
void shout();
}
public class Cat implements IShout {
@Override
public void shout() {
System.out.println("miao miao");
}
}
public class Dog implements IShout {
@Override
public void shout() {
System.out.println("wang wang");
}
}步骤2、在 src/main/resources/ 下建立 /META-INF/services 目录， 新增一个以接口命名的文件 (org.foo.demo.IShout文件)，内容是要应用的实现类（这里是org.foo.demo.animal.Dog和org.foo.demo.animal.Cat，每行一个类）。
文件内容
org.foo.demo.animal.Dog
org.foo.demo.animal.Cat步骤3、使用 ServiceLoader 来加载配置文件中指定的实现。
public class SPIMain {
public static void main(String[] args) {
ServiceLoader shouts = ServiceLoader.load(IShout.class);
for (IShout s : shouts) {
s.shout();
}
}
} 代码输出:
wang wang
miao miao4 原理解析
首先看ServiceLoader类的签名类的成员变量:
public final class ServiceLoader implements Iterable{
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
// 代表被加载的类或者接口
private final Class service;
// 用于定位，加载和实例化providers的类加载器
private final ClassLoader loader;
// 创建ServiceLoader时采用的访问控制上下文
private final AccessControlContext acc;
// 缓存providers，按实例化的顺序排列
private LinkedHashMap providers = new LinkedHashMap<>();
// 懒查找迭代器
private LazyIterator lookupIterator;
......
} 参考具体ServiceLoader具体源码，代码量不多，加上注释一共587行，梳理了一下，实现的流程如下：
-
1 应用程序调用ServiceLoader.load方法
ServiceLoader.load方法内先创建一个新的ServiceLoader，并实例化该类中的成员变量，包括：- loader(ClassLoader类型，类加载器)
- acc(AccessControlContext类型，访问控制器)
- providers(LinkedHashMap
- lookupIterator(实现迭代器功能)
-
2 应用程序通过迭代器接口获取对象实例
ServiceLoader先判断成员变量providers对象中(LinkedHashMap
如果没有缓存，执行类的装载，实现如下： -
(1) 读取META-INF/services/下的配置文件，获得所有能被实例化的类的名称，值得注意的是，ServiceLoader可以跨越jar包获取META-INF下的配置文件，具体加载配置的实现代码如下：
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);
}- (2) 通过反射方法Class.forName()加载类对象，并用instance()方法将类实例化。
- (3) 把实例化后的类缓存到providers对象中，(LinkedHashMap
然后返回实例对象
SPI相关的源码解析
//ServiceLoader实现了Iterable接口，可以遍历所有的服务实现者
public final class ServiceLoader
implements Iterable
{
//查找配置文件的目录
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
//表示要被加载的服务的类或接口
private final Class service;
//这个ClassLoader用来定位，加载，实例化服务提供者
private final ClassLoader loader;
// 访问控制上下文
private final AccessControlContext acc;
// 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 providers = new LinkedHashMap<>();
// 迭代器
private LazyIterator lookupIterator;
//重新加载，就相当于重新创建ServiceLoader了，用于新的服务提供者安装到正在运行的Java虚拟机中的情况。
public void reload() {
//清空缓存中所有已实例化的服务提供者
providers.clear();
//新建一个迭代器，该迭代器会从头查找和实例化服务提供者
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
//私有构造器
//使用指定的类加载器和服务创建服务加载器
//如果没有指定类加载器，使用系统类加载器，就是应用类加载器。
private ServiceLoader(Class 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();
}
//解析失败处理的方法
private static void fail(Class service, String msg, Throwable cause)
throws ServiceConfigurationError
{
throw new ServiceConfigurationError(service.getName() + ": " + msg,
cause);
}
private static void fail(Class service, String msg)
throws ServiceConfigurationError
{
throw new ServiceConfigurationError(service.getName() + ": " + msg);
}
private static void fail(Class service, URL u, int line, String msg)
throws ServiceConfigurationError
{
fail(service, u + ":" + line + ": " + msg);
}
//解析服务提供者配置文件中的一行
//首先去掉注释校验，然后保存
//返回下一行行号
//重复的配置项和已经被实例化的配置项不会被保存
private int parseLine(Class service, URL u, BufferedReader r, int lc,
List names)
throws IOException, ServiceConfigurationError
{
//读取一行
String ln = r.readLine();
if (ln == null) {
return -1;
}
//#号代表注释行
int ci = ln.indexOf('#');
if (ci >= 0) ln = ln.substring(0, ci);
ln = ln.trim();
int n = ln.length();
if (n != 0) {
if ((ln.indexOf(' ') >= 0) || (ln.indexOf('\t') >= 0))
fail(service, u, lc, "Illegal configuration-file syntax");
int cp = ln.codePointAt(0);
if (!Character.isJavaIdentifierStart(cp))
fail(service, u, lc, "Illegal provider-class name: " + ln);
for (int i = Character.charCount(cp); i < n; i += Character.charCount(cp)) {
cp = ln.codePointAt(i);
if (!Character.isJavaIdentifierPart(cp) && (cp != '.'))
fail(service, u, lc, "Illegal provider-class name: " + ln);
}
if (!providers.containsKey(ln) && !names.contains(ln))
names.add(ln);
}
return lc + 1;
}
//解析配置文件，解析指定的url配置文件
//使用parseLine方法进行解析，未被实例化的服务提供者会被保存到缓存中去
private Iterator parse(Class service, URL u)
throws ServiceConfigurationError
{
InputStream in = null;
BufferedReader r = null;
ArrayList names = new ArrayList<>();
try {
in = u.openStream();
r = new BufferedReader(new InputStreamReader(in, "utf-8"));
int lc = 1;
while ((lc = parseLine(service, u, r, lc, names)) >= 0);
}
return names.iterator();
}
//服务提供者查找的迭代器
private class LazyIterator
implements Iterator
{
Class service;//服务提供者接口
ClassLoader loader;//类加载器
Enumeration configs = null;//保存实现类的url
Iterator pending = null;//保存实现类的全名
String nextName = null;//迭代器中下一个实现类的全名
private LazyIterator(Class service, ClassLoader loader) {
this.service = service;
this.loader = loader;
}
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);
}
}
while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
if (!configs.hasMoreElements()) {
return false;
}
pending = parse(service, configs.nextElement());
}
nextName = pending.next();
return true;
}
private S nextService() {
if (!hasNextService())
throw new NoSuchElementException();
String cn = nextName;
nextName = null;
Class c = null;
try {
c = Class.forName(cn, false, loader);
}
if (!service.isAssignableFrom(c)) {
fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
}
try {
S p = service.cast(c.newInstance());
providers.put(cn, p);
return p;
}
}
public boolean hasNext() {
if (acc == null) {
return hasNextService();
} else {
PrivilegedAction action = new PrivilegedAction() {
public Boolean run() { return hasNextService(); }
};
return AccessController.doPrivileged(action, acc);
}
}
public S next() {
if (acc == null) {
return nextService();
} else {
PrivilegedAction action = new PrivilegedAction() {
public S run() { return nextService(); }
};
return AccessController.doPrivileged(action, acc);
}
}
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
//获取迭代器
//返回遍历服务提供者的迭代器
//以懒加载的方式加载可用的服务提供者
//懒加载的实现是：解析配置文件和实例化服务提供者的工作由迭代器本身完成
public Iterator iterator() {
return new Iterator() {
//按照实例化顺序返回已经缓存的服务提供者实例
Iterator> 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();
}
};
}
//为指定的服务使用指定的类加载器来创建一个ServiceLoader
public static ServiceLoader load(Class service,
ClassLoader loader)
{
return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
//使用线程上下文的类加载器来创建ServiceLoader
public static ServiceLoader load(Class service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
//使用扩展类加载器为指定的服务创建ServiceLoader
//只能找到并加载已经安装到当前Java虚拟机中的服务提供者，应用程序类路径中的服务提供者将被忽略
public static ServiceLoader loadInstalled(Class service) {
ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
ClassLoader prev = null;
while (cl != null) {
prev = cl;
cl = cl.getParent();
}
return ServiceLoader.load(service, prev);
}
public String toString() {
return "java.util.ServiceLoader[" + service.getName() + "]";
}
}
5 总结
优点：
使用Java SPI机制的优势是实现解耦，使得第三方服务模块的装配控制的逻辑与调用者的业务代码分离，而不是耦合在一起。应用程序可以根据实际业务情况启用框架扩展或替换框架组件。
缺点：
- 虽然ServiceLoader也算是使用的延迟加载，但是基本只能通过遍历全部获取，也就是接口的实现类全部加载并实例化一遍。如果你并不想用某些实现类，它也被加载并实例化了，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。