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。

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:

高级开发必须理解的Java中SPI机制 - 图1

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

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

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)。

  1. public interface IShout {
  2. void shout();
  3. }
  4. public class Cat implements IShout {
  5. @Override
  6. public void shout() {
  7. System.out.println("miao miao");
  8. }
  9. }
  10. public class Dog implements IShout {
  11. @Override
  12. public void shout() {
  13. System.out.println("wang wang");
  14. }
  15. }

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:

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/";


    private final Class<S> service;


    private final ClassLoader loader;


    private final AccessControlContext acc;


    private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();


    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 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 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 类型)
    然后返回实例对象。

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。

相比使用提供接口 jar 包,供第三方服务模块实现接口的方式,SPI 的方式使得源框架,不必关心接口的实现类的路径,可以不用通过下面的方式获取接口实现类:

  • 代码硬编码 import 导入实现类
  • 指定类全路径反射获取:例如在 JDBC4.0 之前,JDBC 中获取数据库驱动类需要通过Class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”),类似语句先动态加载数据库相关的驱动,然后再进行获取连接等的操作
  • 第三方服务模块把接口实现类实例注册到指定地方,源框架从该处访问实例

通过 SPI 的方式,第三方服务模块实现接口后,在第三方的项目代码的 META-INF/services 目录下的配置文件指定实现类的全路径名,源码框架即可找到实现类

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。

Java 核心技术 36 讲
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Java ServiceLoader 使用和解析
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