深入理解Java中的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。

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