Java中的SPI机制是怎么样的？

上杉夏香
阅读 376 标签：java框架  系统架构  

SPI的概念
SPI在Java中的全称为Service Provider Interface，是JDK内置的一种服务提供发现机制，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。
JAVA SPI = 基于接口的编程＋策略模式＋配置文件的动态加载机制
SPI的使用场景
Java是一种面向对象语言，虽然Java8开始支持函数式编程和Stream，但是总体来说，还是面向对象的语言。在使用Java进行面向对象开发时，一般会推荐使用基于接口的编程，程序的模块与模块之前不会直接进行实现类的硬编码。而在实际的开发过程中，往往一个接口会有多个实现类，各实现类要么实现的逻辑不同，要么使用的方式不同，还有的就是实现的技术不同。为了使调用方在调用接口的时候，明确的知道自己调用的是接口的哪个实现类，或者说为了实现在模块装配的时候不用在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。Java中的SPI加载机制能够满足这样的需求，它能够自动寻找某个接口的实现类。
大量的框架使用了Java的SPI技术，如下：
（1）JDBC加载不同类型的数据库驱动 

（2）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 

（3）Spring中大量使用了SPI
• 对servlet3.0规范
• 对ServletContainerInitializer的实现
• 自动类型转换Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI)等
（4）Dubbo里面有很多个组件，每个组件在框架中都是以接口的形成抽象出来！具体的实现又分很多种，在程序执行时根据用户的配置来按需取接口的实现
SPI的使用
当服务的提供者，提供了接口的一种实现后，需要在Jar包的META-INF/services/目录下，创建一个以接口的名称（包名.接口名的形式）命名的文件，在文件中配置接口的实现类（完整的包名+类名）。
当外部程序通过java.util.ServiceLoader类装载这个接口时，就能够通过该Jar包的META/Services/目录里的配置文件找到具体的实现类名，装载实例化，完成注入。同时，SPI的规范规定了接口的实现类必须有一个无参构造方法。
SPI中查找接口的实现类是通过java.util.ServiceLoader，而在java.util.ServiceLoader类中有一行代码如下：

// 加载具体实现类信息的前缀，也就是以接口命名的文件需要放到Jar包中的META-INF/services/目录下
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

这也就是说，我们必须将接口的配置文件写到Jar包的META/Services/目录下。
SPI实例
这里，给出一个简单的SPI使用实例，演示在Java程序中如何使用SPI动态加载接口的实现类。
注意：实例是基于Java8进行开发的。
1.创建Maven项目
在IDEA中创建Maven项目spi-demo，如下：
2.编辑pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
<artifactId>spi-demo</artifactId>
<groupId>io.binghe.spi</groupId>
<packaging>jar</packaging>
<version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
<modelVersion>4.0.0</modelVersion>
<build>
    <plugins>
        <plugin>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
        </plugin>
        <plugin>
            <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
            <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
            <version>3.6.0</version>
            <configuration>
                <source>1.8</source>
                <target>1.8</target>
            </configuration>
        </plugin>
    </plugins>
</build>
</project>

3.创建类加载工具类
在io.binghe.spi.loader包下创建MyServiceLoader，MyServiceLoader类中直接调用JDK的ServiceLoader类加载Class。代码如下所示。

package io.binghe.spi.loader;
 
import java.util.ServiceLoader;
 
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 类加载工具
 */
public class MyServiceLoader {
 
    /**
     * 使用SPI机制加载所有的Class
     */
    public static <S> ServiceLoader<S> loadAll(final Class<S> clazz) {
        return ServiceLoader.load(clazz);
    }
}

4.创建接口
在io.binghe.spi.service包下创建接口MyService，作为测试接口，接口中只有一个方法，打印传入的字符串信息。代码如下所示：

package io.binghe.spi.service;
 
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 定义接口
 */
public interface MyService {
 
    /**
     *  打印信息
     */
    void print(String info);
}

5.创建接口的实现类
（1）创建第一个实现类MyServiceA
在io.binghe.spi.service.impl包下创建MyServiceA类，实现MyService接口。代码如下所示：

package io.binghe.spi.service.impl;
import io.binghe.spi.service.MyService;
 
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 接口的第一个实现
 */
public class MyServiceA implements MyService {
    @Override
    public void print(String info) {
        System.out.println(MyServiceA.class.getName() + " print " + info);
    }
}

（2）创建第二个实现类MyServiceB
在io.binghe.spi.service.impl包下创建MyServiceB类，实现MyService接口。代码如下所示：

package io.binghe.spi.service.impl;
 
import io.binghe.spi.service.MyService;
 
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 接口第二个实现
 */
public class MyServiceB implements MyService {
    @Override
    public void print(String info) {
        System.out.println(MyServiceB.class.getName() + " print " + info);
    }
}

6.创建接口文件
在项目的src/main/resources目录下创建META/Services/目录，在目录中创建io.binghe.spi.service.MyService文件，注意：文件必须是接口MyService的全名，之后将实现MyService接口的类配置到文件中，如下所示：

io.binghe.spi.service.impl.MyServiceA
io.binghe.spi.service.impl.MyServiceB

7.创建测试类
在项目的io.binghe.spi.main包下创建Main类，该类为测试程序的入口类，提供一个main()方法，在main()方法中调用ServiceLoader类加载MyService接口的实现类。并通过Java8的Stream将结果打印出来，如下所示：

package io.binghe.spi.main;
 
import io.binghe.spi.loader.MyServiceLoader;
import io.binghe.spi.service.MyService;
 
import java.util.ServiceLoader;
import java.util.stream.StreamSupport;
 
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 测试的main方法
 */
public class Main {
 
    public static void main(String[] args){
        ServiceLoader<MyService> loader = MyServiceLoader.loadAll(MyService.class);
        StreamSupport.stream(loader.spliterator(), false).forEach(s -> s.print("Hello World"));
    }
}

8.测试实例
运行Main类中的main()方法，打印出的信息如下所示：

io.binghe.spi.service.impl.MyServiceA print Hello World
io.binghe.spi.service.impl.MyServiceB print Hello World
Process finished with exit code 0

通过打印信息可以看出，通过Java SPI机制正确加载出接口的实现类，并调用接口的实现方法。
源码解析
这里，主要是对SPI的加载流程涉及到的java.util.ServiceLoader的源码的解析。
进入java.util.ServiceLoader的源码，可以看到ServiceLoader类实现了java.lang.Iterable接口，如下所示。
public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>
说明ServiceLoader类是可以遍历迭代的。
java.util.ServiceLoader类中定义了如下的成员变量：

// 加载具体实现类信息的前缀，也就是以接口命名的文件需要放到Jar包中的META-INF/services/目录下
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
// 需要加载的接口
private final Class<S> service;
// 类加载器，用于加载以接口命名的文件中配置的接口的实现类
private final ClassLoader loader;
// 创建ServiceLoader时采用的访问控制上下文环境
private final AccessControlContext acc;
// 用来缓存已经加载的接口实现类，其中，Key是接口实现类的完整类名，Value为实现类对象
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// 用于延迟加载实现类的迭代器
private LazyIterator lookupIterator;

可以看到ServiceLoader类中定义了加载前缀为“META-INF/services/”，所以，接口文件必须要在项目的src/main/resources目录下的META-INF/services/目录下创建。
从MyServiceLoader类调用ServiceLoader.load(clazz)方法进入源码，如下所示：

//根据类的Class对象加载指定的类，返回ServiceLoader对象
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
 //获取当前线程的类加载器
 ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
 //动态加载指定的类，将类加载到ServiceLoader中
 return ServiceLoader.load(service, cl);
}

方法中调用了ServiceLoader.load(service, cl)方法，继续跟踪代码，如下所示：

//通过ClassLoader加载指定类的Class，并将返回结果封装到ServiceLoader对象中
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader){
 return new ServiceLoader<>(service, loader);
}

可以看到ServiceLoader.load(service, cl)方法中，调用了ServiceLoader类的构造方法，继续跟进代码，如下所示：

//构造ServiceLoader对象
private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
 //如果传入的Class对象为空，则判处空指针异常
 service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
 //如果传入的ClassLoader为空，则通过ClassLoader.getSystemClassLoader()获取，否则直接使用传入的ClassLoader
 loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
 acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
 reload();
}

继续跟reload()方法，如下所示。

//重新加载
public void reload() {
 //清空保存加载的实现类的LinkedHashMap
 providers.clear();
 //构造延迟加载的迭代器
 lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}

继续跟进懒加载迭代器的构造函数，如下所示。

private LazyIterator(Class<S> service, ClassLoader loader) {
 this.service = service;
 this.loader = loader;
}

可以看到，会将需要加载的接口的Class对象和类加载器赋值给LazyIterator的成员变量。
当我们在程序中迭代获取对象实例时，首先在成员变量providers中查找是否有缓存的实例对象。如果存在则直接返回，否则调用lookupIterator延迟加载迭代器进行加载。
迭代器进行逻辑判断的代码如下所示：

//迭代ServiceLoader的方法
public Iterator<S> iterator() {
 return new Iterator<S>() {
  //获取保存实现类的LinkedHashMap<String,S>的迭代器
  Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();
  //判断是否有下一个元素
  public boolean hasNext() {
   //如果knownProviders存在元素，则直接返回true
   if (knownProviders.hasNext())
    return true;
   //返回延迟加载器是否存在元素
   return lookupIterator.hasNext();
  }
  //获取下一个元素
  public S next() {
   //如果knownProviders存在元素，则直接获取
   if (knownProviders.hasNext())
    return knownProviders.next().getValue();
   //获取延迟迭代器lookupIterator中的元素
   return lookupIterator.next();
  }
  public void remove() {
   throw new UnsupportedOperationException();
  }
 };
}

LazyIterator加载类的流程如下代码所示

//判断是否拥有下一个实例
private boolean hasNextService() {
 //如果拥有下一个实例，直接返回true
 if (nextName != null) {
  return true;
 }
 //如果实现类的全名为null
 if (configs == null) {
  try {
   //获取全文件名，文件相对路径+文件名称（包名+接口名）
   String fullName = PREFIX + service.getName();
   //类加载器为空，则通过ClassLoader.getSystemResources()方法获取
   if (loader == null)
    configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
   else
    //类加载器不为空，则直接通过类加载器获取
    configs = loader.getResources(fullName);
  } catch (IOException x) {
   fail(service, "Error locating configuration files", x);
  }
 }
 while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
  //如果configs中没有更过的元素，则直接返回false
  if (!configs.hasMoreElements()) {
   return false;
  }
  //解析包结构
  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 {
  //加载类对象
  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 {
  //通过c.newInstance()生成对象实例
  S p = service.cast(c.newInstance());
  //将生成的对象实例保存到缓存中（LinkedHashMap<String,S>）
  providers.put(cn, p);
  return p;
 } catch (Throwable x) {
  fail(service,
    "Provider " + cn + " could not be instantiated",
    x);
 }
 throw new Error();          // This cannot happen
}
public boolean hasNext() {
 if (acc == null) {
  return hasNextService();
 } else {
  PrivilegedAction<Boolean> action = new PrivilegedAction<Boolean>() {
   public Boolean run() { return hasNextService(); }
  };
  return AccessController.doPrivileged(action, acc);
 }
}
public S next() {
 if (acc == null) {
  return nextService();
 } else {
  PrivilegedAction<S> action = new PrivilegedAction<S>() {
   public S run() { return nextService(); }
  };
  return AccessController.doPrivileged(action, acc);
 }
}

最后，给出整个java.util.ServiceLoader的类，如下所示：

package java.util;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.URL;
import java.security.AccessControlContext;
import java.security.AccessController;
import java.security.PrivilegedAction;
public final class ServiceLoader<S>  implements Iterable<S> {
    // 加载具体实现类信息的前缀，也就是以接口命名的文件需要放到Jar包中的META-INF/services/目录下
    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
    // 需要加载的接口
    private final Class<S> service;
    
    // 类加载器，用于加载以接口命名的文件中配置的接口的实现类
    private final ClassLoader loader;
    
    // 创建ServiceLoader时采用的访问控制上下文环境
    private final AccessControlContext acc;
    
    // 用来缓存已经加载的接口实现类，其中，Key是接口实现类的完整类名，Value为实现类对象
    private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
    
    // 用于延迟加载实现类的迭代器
    private LazyIterator lookupIterator;
    
    //重新加载
    public void reload() {
        //清空保存加载的实现类的LinkedHashMap
        providers.clear();
        //构造延迟加载的迭代器
        lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
    }
    
    //构造ServiceLoader对象
    private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
        //如果传入的Class对象为空，则判处空指针异常
        service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
        //如果传入的ClassLoader为空，则通过ClassLoader.getSystemClassLoader()获取，否则直接使用传入的ClassLoader
        loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
        acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
        reload();
    }
    
    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);
    }
    
    // Parse a single line from the given configuration file, adding the name
    // on the line to the names list.
    //
    private int parseLine(Class<?> service, URL u, BufferedReader r, int lc,
                          List<String> names)
        throws IOException, ServiceConfigurationError
    {
        String ln = r.readLine();
        if (ln == null) {
            return -1;
        }
        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;
    }
    
    private Iterator<String> parse(Class<?> service, URL u)
        throws ServiceConfigurationError
    {
        InputStream in = null;
        BufferedReader r = null;
        ArrayList<String> 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);
        } catch (IOException x) {
            fail(service, "Error reading configuration file", x);
        } finally {
            try {
                if (r != null) r.close();
                if (in != null) in.close();
            } catch (IOException y) {
                fail(service, "Error closing configuration file", y);
            }
        }
        return names.iterator();
    }
    
    // Private inner class implementing fully-lazy provider lookupload
    private class LazyIterator
        implements Iterator<S>
    {
    
        Class<S> service;
        ClassLoader loader;
        Enumeration<URL> configs = null;
        Iterator<String> pending = null;
        String nextName = null;
    
        private LazyIterator(Class<S> service, ClassLoader loader) {
            this.service = service;
            this.loader = loader;
        }
    
        //判断是否拥有下一个实例
        private boolean hasNextService() {
            //如果拥有下一个实例，直接返回true
            if (nextName != null) {
                return true;
            }
            //如果实现类的全名为null
            if (configs == null) {
                try {
                    //获取全文件名，文件相对路径+文件名称（包名+接口名）
                    String fullName = PREFIX + service.getName();
                    //类加载器为空，则通过ClassLoader.getSystemResources()方法获取
                    if (loader == null)
                        configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
                    else
                        //类加载器不为空，则直接通过类加载器获取
                        configs = loader.getResources(fullName);
                } catch (IOException x) {
                    fail(service, "Error locating configuration files", x);
                }
            }
            while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
                //如果configs中没有更过的元素，则直接返回false
                if (!configs.hasMoreElements()) {
                    return false;
                }
                //解析包结构
                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 {
                //加载类对象
                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 {
                //通过c.newInstance()生成对象实例
                S p = service.cast(c.newInstance());
                //将生成的对象实例保存到缓存中（LinkedHashMap<String,S>）
                providers.put(cn, p);
                return p;
            } catch (Throwable x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " could not be instantiated",
                     x);
            }
            throw new Error();          // This cannot happen
        }
    
        public boolean hasNext() {
            if (acc == null) {
                return hasNextService();
            } else {
                PrivilegedAction<Boolean> action = new PrivilegedAction<Boolean>() {
                    public Boolean run() { return hasNextService(); }
                };
                return AccessController.doPrivileged(action, acc);
            }
        }
    
        public S next() {
            if (acc == null) {
                return nextService();
            } else {
                PrivilegedAction<S> action = new PrivilegedAction<S>() {
                    public S run() { return nextService(); }
                };
                return AccessController.doPrivileged(action, acc);
            }
        }
    
        public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    
    }
    
    //迭代ServiceLoader的方法
    public Iterator<S> iterator() {
        return new Iterator<S>() {
            //获取保存实现类的LinkedHashMap<String,S>的迭代器
            Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();
            //判断是否有下一个元素
            public boolean hasNext() {
                //如果knownProviders存在元素，则直接返回true
                if (knownProviders.hasNext())
                    return true;
                //返回延迟加载器是否存在元素
                return lookupIterator.hasNext();
            }
            //获取下一个元素
            public S next() {
                //如果knownProviders存在元素，则直接获取
                if (knownProviders.hasNext())
                    return knownProviders.next().getValue();
                //获取延迟迭代器lookupIterator中的元素
                return lookupIterator.next();
            }
    
            public void remove() {
                throw new UnsupportedOperationException();
            }
    
        };
    }
    
    //通过ClassLoader加载指定类的Class，并将返回结果封装到ServiceLoader对象中
    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
                                            ClassLoader loader)
    {
        return new ServiceLoader<>(service, loader);
    }
    
    //根据类的Class对象加载指定的类，返回ServiceLoader对象
    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
        //获取当前线程的类加载器
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        //动态加载指定的类，将类加载到ServiceLoader中
        return ServiceLoader.load(service, cl);
    }
    
    public static <S> ServiceLoader<S> loadInstalled(Class<S> service) {
        ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader prev = null;
        while (cl != null) {
            prev = cl;
            cl = cl.getParent();
        }
        return ServiceLoader.load(service, prev);
    }
    
    /**
     * Returns a string describing this service.
     *
     * @return  A descriptive string
     */
    public String toString() {
        return "java.util.ServiceLoader[" + service.getName() + "]";
    }
}

SPI总结
最后，对Java提供的SPI机制进行简单的总结。
优点：
能够实现项目解耦，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：
• 多个并发多线程使用ServiceLoader类的实例是不安全的
• 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。
参考：深入理解Java中的spi机制

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标签: java框架 系统架构
上杉夏香
上杉夏香
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