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)。

文件位置

- src
    -main
        -resources
            - META-INF
                - services
                    - org.foo.demo.IShout

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<IShout> shouts = ServiceLoader.load(IShout.class);
        for (IShout s : shouts) {
            s.shout();
        }
    }
}

代码输出:

wang wang
miao miao

4 原理解析

首先看ServiceLoader类的签名类的成员变量:

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

    // 代表被加载的类或者接口
    private final Class<S> 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<String,S> 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<String,S>类型,用于缓存加载成功的类)
    • 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<String,S>类型)是否有缓存实例对象,如果有缓存,直接返回。
    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<String,S>类型)
    然后返回实例对象。

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。

参考

Java核心技术36讲
The Java™ Tutorials
Java Doc
Service Provider Interface: Creating Extensible Java Applications
Service provider interface
Java ServiceLoader使用和解析
Java基础之SPI机制
Java中SPI机制深入及源码解析
SPI机制简介

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