写在后面
SPI 机制可能十分不便的为某个接口动静指定其实现类，在某种程度上，这也是某些框架具备高度可扩展性的根底。明天，咱们就从源码级别深入探讨下 Java 中的 SPI 机制。
注：文章已收录到：https://github.com/sunshinelyz/technology-binghe
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大的 API，它能够用来启用框架扩大和替换组件。
JAVA SPI = 基于接口的编程+策略模式+配置文件的动静加载机制 SPI 的应用场景
Java 是一种面向对象语言，尽管 Java8 开始反对函数式编程和 Stream，然而总体来说，还是面向对象的语言。在应用 Java 进行面向对象开发时，个别会举荐应用基于接口的编程，程序的模块与模块之前不会间接进行实现类的硬编码。而在理论的开发过程中，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，要么应用的形式不同，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，明确的晓得本人调用的是接口的哪个实现类，或者说为了实现在模块拆卸的时候不必在程序里动静指明，这就须要一种服务发现机制。Java 中的 SPI 加载机制可能满足这样的需要，它可能主动寻找某个接口的实现类。
大量的框架应用了 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 中大量应用了 SPI
- 对 servlet3.0 标准
- 对 ServletContainerInitializer 的实现
- 主动类型转换 Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI) 等
（4）Dubbo 外面有很多个组件，每个组件在框架中都是以接口的造成形象进去！具体的实现又分很多种，在程序执行时依据用户的配置来按需取接口的实现
SPI 的应用
当服务的提供者，提供了接口的一种实现后，须要在 Jar 包的 META-INF/services/ 目录下，创立一个以接口的名称（包名. 接口名的模式）命名的文件，在文件中配置接口的实现类（残缺的包名 + 类名）。
当内部程序通过 java.util.ServiceLoader 类装载这个接口时，就可能通过该 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，实现注入。同时，SPI 的标准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须要放到 Jar 包中的 META-INF/services/ 目录下
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";这也就是说，咱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，给出一个简略的 SPI 应用实例，演示在 Java 程序中如何应用 SPI 动静加载接口的实现类。
留神：实例是基于 Java8 进行开发的。
1. 创立 Maven 我的项目
在 IDEA 中创立 Maven 我的项目 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. 创立类加载工具类
在 io.binghe.spi.loader 包下创立 MyServiceLoader，MyServiceLoader 类中间接调用 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 {
/**
* 应用 SPI 机制加载所有的 Class
*/
public static <S> ServiceLoader<S> loadAll(final Class<S> clazz) {return ServiceLoader.load(clazz);
}
}4. 创立接口
在 io.binghe.spi.service 包下创立接口 MyService，作为测试接口，接口中只有一个办法，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. 创立接口的实现类
（1）创立第一个实现类 MyServiceA
在 io.binghe.spi.service.impl 包下创立 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）创立第二个实现类 MyServiceB
在 io.binghe.spi.service.impl 包下创立 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. 创立接口文件
在我的项目的 src/main/resources 目录下创立 META/Services/ 目录，在目录中创立 io.binghe.spi.service.MyService 文件，留神：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.MyServiceB7. 创立测试类
在我的项目的 io.binghe.spi.main 包下创立 Main 类，该类为测试程序的入口类，提供一个 main() 办法，在 main() 办法中调用 ServiceLoader 类加载 MyService 接口的实现类。并通过 Java8 的 Stream 将后果打印进去，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 办法
*/
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() 办法，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通过打印信息能够看出，通过 Java SPI 机制正确加载出接口的实现类，并调用接口的实现办法。
源码解析
这里，次要是对 SPI 的加载流程波及到的 java.util.ServiceLoader 的源码的解析。
进入 java.util.ServiceLoader 的源码，能够看到 ServiceLoader 类实现了 java.lang.Iterable 接口，如下所示。
public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S> 阐明 ServiceLoader 类是能够遍历迭代的。
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须要放到 Jar 包中的 META-INF/services/ 目录下
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
// 须要加载的接口
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;
// 创立 ServiceLoader 时采纳的访问控制上下文环境
private final AccessControlContext acc;
// 用来缓存曾经加载的接口实现类，其中，Key 是接口实现类的残缺类名，Value 为实现类对象
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// 用于提早加载实现类的迭代器
private LazyIterator lookupIterator;能够看到 ServiceLoader 类中定义了加载前缀为“META-INF/services/”，所以，接口文件必须要在我的项目的 src/main/resources 目录下的 META-INF/services/ 目录下创立。
从 MyServiceLoader 类调用 ServiceLoader.load(clazz) 办法进入源码，如下所示：
// 依据类的 Class 对象加载指定的类，返回 ServiceLoader 对象
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
// 获取以后线程的类加载器
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
// 动静加载指定的类，将类加载到 ServiceLoader 中
return ServiceLoader.load(service, cl);
}办法中调用了 ServiceLoader.load(service, cl) 办法，持续跟踪代码，如下所示：
// 通过 ClassLoader 加载指定类的 Class，并将返回后果封装到 ServiceLoader 对象中
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader){return new ServiceLoader<>(service, loader);
}能够看到 ServiceLoader.load(service, cl) 办法中，调用了 ServiceLoader 类的构造方法，持续跟进代码，如下所示：
// 结构 ServiceLoader 对象
private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
// 如果传入的 Class 对象为空，则判处空指针异样
service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
// 如果传入的 ClassLoader 为空，则通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 获取，否则间接应用传入的 ClassLoader
loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
reload();}持续跟 reload() 办法，如下所示。
// 从新加载
public void reload() {
// 清空保留加载的实现类的 LinkedHashMap
providers.clear();
// 结构提早加载的迭代器
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}持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;
}能够看到，会将须要加载的接口的 Class 对象和类加载器赋值给 LazyIterator 的成员变量。
当咱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。如果存在则间接返回，否则调用 lookupIterator 提早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 的办法
public Iterator<S> iterator() {return new Iterator<S>() {
// 获取保留实现类的 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，则间接返回 true
if (knownProviders.hasNext())
return true;
// 返回提早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，则间接获取
if (knownProviders.hasNext())
return knownProviders.next().getValue();
// 获取提早迭代器 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
// 判断是否领有下一个实例
private boolean hasNextService() {
// 如果领有下一个实例，间接返回 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() 办法获取
if (loader == null)
configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
else
// 类加载器不为空，则间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，则间接返回 false
if (!configs.hasMoreElements()) {return false;}
// 解析包构造
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留到缓存中（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);
}
}最初，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须要放到 Jar 包中的 META-INF/services/ 目录下
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
// 须要加载的接口
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;
// 创立 ServiceLoader 时采纳的访问控制上下文环境
private final AccessControlContext acc;
// 用来缓存曾经加载的接口实现类，其中，Key 是接口实现类的残缺类名，Value 为实现类对象
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// 用于提早加载实现类的迭代器
private LazyIterator lookupIterator;
// 从新加载
public void reload() {
// 清空保留加载的实现类的 LinkedHashMap
providers.clear();
// 结构提早加载的迭代器
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
// 结构 ServiceLoader 对象
private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
// 如果传入的 Class 对象为空，则判处空指针异样
service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
// 如果传入的 ClassLoader 为空，则通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 获取，否则间接应用传入的 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;
}
// 判断是否领有下一个实例
private boolean hasNextService() {
// 如果领有下一个实例，间接返回 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() 办法获取
if (loader == null)
configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
else
// 类加载器不为空，则间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，则间接返回 false
if (!configs.hasMoreElements()) {return false;}
// 解析包构造
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留到缓存中（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 的办法
public Iterator<S> iterator() {return new Iterator<S>() {
// 获取保留实现类的 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，则间接返回 true
if (knownProviders.hasNext())
return true;
// 返回提早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，则间接获取
if (knownProviders.hasNext())
return knownProviders.next().getValue();
// 获取提早迭代器 lookupIterator 中的元素
return lookupIterator.next();}
public void remove() {throw new UnsupportedOperationException();
}
};
}
// 通过 ClassLoader 加载指定类的 Class，并将返回后果封装到 ServiceLoader 对象中
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
ClassLoader loader)
{return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
// 依据类的 Class 对象加载指定的类，返回 ServiceLoader 对象
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
// 获取以后线程的类加载器
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
// 动静加载指定的类，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
最初，对 Java 提供的 SPI 机制进行简略的总结。
长处：
可能实现我的项目解耦，使得第三方服务模块的拆卸管制的逻辑与调用者的业务代码拆散，而不是耦合在一起。应用程序能够依据理论业务状况启用框架扩大或替换框架组件。
毛病：
- 多个并发多线程应用 ServiceLoader 类的实例是不平安的
- 尽管 ServiceLoader 也算是应用的提早加载，然而根本只能通过遍历全副获取，也就是接口的实现类全副加载并实例化一遍。
参考：深刻了解 Java 中的 spi 机制
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