SPI

深入理解 Java SPI机制

一种服务发现机制,自动加载文件里所定义的类。

Posted by Sunfy on 2021-08-02
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SPI ,全称为 Service Provider Interface,是一种服务发现机制。在ClassPath路径下的META-INF/services文件夹查找文件,自动加载文件里所定义的类。

一、什么是SPI

SPI ,全称为 Service Provider Interface,是一种服务发现机制。通过在ClassPath路径下的META-INF/services文件夹查找文件,自动加载文件里所定义的类。

这一机制为很多框架扩展提供了可能,比如在Dubbo、JDBC中都使用到了SPI机制。我们先通过一个很简单的例子来看下它是怎么用的。

1、例子

首先,我们需要定义一个接口,Animal

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package com.sunfy.Animal;
public interface Animal {
void noise();
}

然后,定义两个实现类,没任何具体业务,简单输出一句话。

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package com.sunfy.Animal;
public class Dog implements Animal {
@Override
public void noise() {
System.out.println("wang");
}
}
--------------------------------------------
package com.sunfy.Animal;
public class Cat implements Animal{
@Override
public void noise() {
System.out.println("miao");
}
}

最后呢,要在ClassPath路径下配置添加一个文件。文件名字是接口的全限定类名,内容是实现类的全限定类名,多个实现类用换行符分隔。
文件路径如下:

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SPI配置文件位置

内容就是实现类的全限定类名:

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com.sunfy.Animal.Cat
com.sunfy.Animal.Dog

2、测试

然后我们就可以通过ServiceLoader.load或者Service.providers方法拿到实现类的实例。其中,Service.providers包位于sun.misc.Service,而ServiceLoader.load包位于java.util.ServiceLoader

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package com.sunfy;
import com.sunfy.Animal.Animal;
import sun.misc.Service;
import java.util.Iterator;
import java.util.ServiceLoader;
public class SpiDemoMain {
public static void main(String[] args) {
// Spi机制获取Animal接口所有的实现类,在不修改业务代码的基础上,很方便的进行数据扩展
ServiceLoader<Animal> animals = ServiceLoader.load(Animal.class);
animals.forEach(animal -> animal.noise());
System.out.println("--------------------------------");
Iterator<Animal> providers = Service.providers(Animal.class);
ServiceLoader<Animal> load = ServiceLoader.load(Animal.class);
while(providers.hasNext()) {
Animal animal = providers.next();
animal.noise();
}
System.out.println("--------------------------------");
Iterator<Animal> iterator = load.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Animal animal = iterator.next();
animal.noise();
}
}
}

两种方式的输出结果是一致的:

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miao
wang
--------------------------------
miao
wang
--------------------------------
miao
wang

二、源码分析

我们看到一个位于sun.misc包,一个位于java.util包,sun包下的源码看不到。我们就以ServiceLoader.load为例,通过源码看看它里面到底怎么做的。

1、ServiceLoader

首先,我们先来了解下ServiceLoader,看看它的类结构。

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public final class ServiceLoader<S>
implements Iterable<S> {
// 配置文件路径
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
// The class or interface representing the service being loaded
// 加载的服务类或接口
private final Class<S> service;
// The class loader used to locate, load, and instantiate providers
// 类加载器
private final ClassLoader loader;
// The access control context taken when the ServiceLoader is created
private final AccessControlContext acc;
// Cached providers, in instantiation order
// 已加载的服务类集合
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// The current lazy-lookup iterator
// 当前的惰性查找迭代器
private LazyIterator lookupIterator;
}

2、Load

load方法创建了一些属性,重要的是实例化了内部类,LazyIterator。最后返回ServiceLoader的实例。

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public void reload() {
providers.clear();
// 实例化ServiceLoader<S> 内部类
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
// svc,要加载类接口 非空校验
service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
// 返回用于委托的系统类加载器
loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
// 获取系统安全性接口,及访问权限
acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
// 重新加载系统接口
reload();
}

3、查找实现类

查找实现类和创建实现类的过程,都在LazyIterator完成。当我们调用iterator.hasNext和iterator.next方法的时候,实际上调用的都是LazyIterator的相应方法。

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public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
ClassLoader loader){
// 调用load方法,最终还是调用ServiceLoader初始化方法,调用---》new LazyIterator(service, loader)
return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
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public Iterator<S> iterator() {
return new Iterator<S>() {
public boolean hasNext() {
return lookupIterator.hasNext();
}
public S next() {
return lookupIterator.next();
}
.......
};
}

所以,我们重点关注lookupIterator.hasNext()方法,它最终会调用到hasNextService。

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//sunfy- SPI核心的获取实现类的方法
private boolean hasNextService() {
// 类名不等于Null,代表类已经加载完成
if (nextName != null) {
return true;
}
if (configs == null) {
try {
// 待加载文件路径
// PREFIX = "META-INF/services/"
// service.getName() 为自定义的类的全限定名
// META-INF/services/com.sunfy.Animal.Animal
String fullName = PREFIX + service.getName();
// 判断是否有传入类的加载器,如果传入则使用传入的,否则使用默认的类加载器加载
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;
}
// 将给定URL的内容解析为提供程序配置文件。
// parse方法中,真正的解析文件,读取文件内容,并将读取内容封装后返回(此处只是读取到类的全限定名,还没有创建类对象)
pending = parse(service, configs.nextElement());
}
// 拿到第一个实现类的类名
nextName = pending.next();
return true;
}

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4、创建实例

当然,调用next方法的时候,实际调用到的是,lookupIterator.nextService。它通过反射的方式,创建实现类的实例并返回。

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public S next() throws ServiceConfigurationError {
if (!this.hasNext()) {
throw new NoSuchElementException();
} else {
String var1 = this.nextName;
this.nextName = null;
Class var2 = null;
try {
var2 = Class.forName(var1, false, this.loader);
......
}
}
}
-------------------------
# 无论调用的是哪种便利的方法,都会在next的遍历方法中调用Class.forName()反射生成最终的我们所需要的类对象

看到这儿,我想已经很清楚了。获取到类的实例,我们自然就可以对它为所欲为了!

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三、JDBC中的应用

我们开头说,SPI机制为很多框架的扩展提供了可能,其实JDBC就应用到了这一机制。回忆一下JDBC获取数据库连接的过程。在早期版本中,需要先设置数据库驱动的连接,再通过DriverManager.getConnection获取一个Connection。

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String url = "jdbc:mysql:///consult?serverTimezone=UTC";
String user = "root";
String password = "root";
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
Connection connection = DriverManager.getConnection(url, user, password);

在较新版本中,设置数据库驱动连接,这一步骤就不再需要,那么它是怎么分辨是哪种数据库的呢?答案就是SPI机制。

1、加载

我们把目光回到DriverManager类,它在静态代码块里面做了一件比较重要的事。很明显,它已经通过SPI机制, 把数据库驱动连接初始化了。

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public class DriverManager {
static {
loadInitialDrivers();
println("JDBC DriverManager initialized");
}
}

具体过程还得看loadInitialDrivers,它在里面查找的是Driver接口的服务类,所以它的文件路径就是:META-INF/services/java.sql.Driver。

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public class DriverManager {
private static void loadInitialDrivers() {
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
//很明显,它要加载Driver接口的服务类,Driver接口的包为:java.sql.Driver
//所以它要找的就是META-INF/services/java.sql.Driver文件
ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
try{
//查到之后创建对象
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
} catch(Throwable t) {
// Do nothing
}
return null;
}
});
}
}

那么,这个文件哪里有呢?我们来看MySQL的jar包,就是这个文件,文件内容为:com.mysql.cj.jdbc.Driver

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MySQL SPI文件

2、创建实例

上一步已经找到了MySQL中的com.mysql.cj.jdbc.Driver全限定类名,当调用next方法时,就会创建这个类的实例。它就完成了一件事,向DriverManager注册自身的实例。

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package com.mysql.jdbc;
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
static {
try {
//注册
//调用DriverManager类的注册方法
//往registeredDrivers集合中加入实例
java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
public Driver() throws SQLException {
// Required for Class.forName().newInstance()
}
}

3、创建Connection

在DriverManager.getConnection()方法就是创建连接的地方,它通过循环已注册的数据库驱动程序,调用其connect方法,获取连接并返回。

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private static Connection getConnection(
String url, java.util.Properties info, Class<?> caller) throws SQLException {
//registeredDrivers中就包含com.mysql.cj.jdbc.Driver实例
for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) {
if(isDriverAllowed(aDriver.driver, callerCL)) {
try {
//调用connect方法创建连接
Connection con = aDriver.driver.connect(url, info);
if (con != null) {
return (con);
}
}catch (SQLException ex) {
if (reason == null) {
reason = ex;
}
}
} else {
println(" skipping: " + aDriver.getClass().getName());
}
}
}

4、再扩展

既然我们知道JDBC是这样创建数据库连接的,我们能不能再扩展一下呢?如果我们自己也创建一个java.sql.Driver文件,自定义实现类MyDriver,那么,在获取连接的前后就可以动态修改一些信息。

还是先在项目ClassPath下创建文件,文件内容为自定义驱动类com.viewscenes.netsupervisor.spi.MyDriver

自定义数据库驱动程序

我们的MyDriver实现类,继承自MySQL中的NonRegisteringDriver,还要实现java.sql.Driver接口。这样,在调用connect方法的时候,就会调用到此类,但实际创建的过程还靠MySQL完成。

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package com.viewscenes.netsupervisor.spi
public class MyDriver extends NonRegisteringDriver implements Driver{
static {
try {
java.sql.DriverManager.registerDriver(new MyDriver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
public MyDriver()throws SQLException {}
public Connection connect(String url, Properties info) throws SQLException {
System.out.println("准备创建数据库连接.url:"+url);
System.out.println("JDBC配置信息:"+info);
info.setProperty("user", "root");
Connection connection = super.connect(url, info);
System.out.println("数据库连接创建完成!"+connection.toString());
return connection;
}
}
--------------------输出结果---------------------
准备创建数据库连接.url:jdbc:mysql:///consult?serverTimezone=UTC
JDBC配置信息:{user=root, password=root}
数据库连接创建完成!com.mysql.cj.jdbc.ConnectionImpl@7cf10a6f

四、其他应用场景

ShardingSphere

分布式数据库中间件中使用了非常多的SPI来提高ShardingSphere的可扩展性

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