Java SPI 源码解析

Posted 2020-12-16 i-nine 的博客

注：代码环境基于 JDK 1.8

一、SPI 是什么？

SPI(Service Provider Interface)：是一个可以被第三方扩展或实现的 API，它可以用来实现框架扩展和可替换的模块，优势是实现解耦。简单来说就是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。若在代码里涉及具体的实现类就违反了可挺拔的原则。从而 java SPI 提供了这种服务发现机制：为某个接口寻找服务实现的机制。

二、SPI 与 API 的区别

• API 直接为提供了功能，使用 API 就能完成任务。
• API 和 SPI 都是相对的概念，差别只在语义上，API 直接被应用开发人员使用，SPI 被框架扩张人员使用。
• API 大多数情况下，都是实现方来制定接口并完成对接口的不同实现，调用方仅仅依赖却无权选择不同实现。SPI 是调用方来制定接口，实现方来针对接口来实现不同的实现。调用方来选择自己需要的实现方。

三、SPI 使用及示例

1. 服务调用方通过 ServiceLoader.load 加载服务接口的实现类实例
2. 服务提供方实现服务接口后， 在自己Jar包的 META-INF/services 目录下新建一个接口名全名的文件， 并将具体实现类全名写入。

示例：

1. 创建接口：

public interface Search {
    List<String> searchDoc(String keyword);
}

2. 创建 DatabaseSearch 实现类：

public class DatabaseSearch implements Search {
    @Override
    public List<String> searchDoc(String keyword) {
        System.out.printf("数据库搜索：" + keyword);
        return null;
    }
}

3. 创建 FileSearch 实现类：

public class FileSearch implements Search {
    @Override
    public List<String> searchDoc(String keyword) {
        System.out.println("文件搜索：" + keyword);
        return null;
    }
}

4. META-INF.services 中创建接口全限定名文件：spi.learn.Search：

spi.learn.FileSearch
spi.learn.DatabaseSearch

5. 测试类：

public static void main(String[] args) {
    ServiceLoader<Search> s = ServiceLoader.load(Search.class);
    Iterator<Search> iterator = s.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        Search search = iterator.next();
        search.searchDoc("spi");
    }
}

-----输出：-----
文件搜索：spi
数据库搜索：spi

四、源码解读

先来看下 ServiceLoader 类的全局变量：

//spi 默认加载的路径
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

// 表示正在被加载的类或接口
// The class or interface representing the service being loaded
private final Class<S> service;

// 用于定位、装入和实例化提供程序的类加载器
// The class loader used to locate, load, and instantiate providers
private final ClassLoader loader;

// 权限控制上下文
// The access control context taken when the ServiceLoader is created
private final AccessControlContext acc;

// 基于实例的顺序缓存类的实现实例，其中Key为实现类的全限定类名
// Cached providers, in instantiation order
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

// 当前的"懒查找"迭代器，ServiceLoader的核心
// The current lazy-lookup iterator
private LazyIterator lookupIterator;

ServiceLoader.load(Search.class) 加载入口：

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(); 
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader) {
    // 因为 ServiceLoader 的构造为私有，这里只能依赖此静态方法来访问私有构造实例化，典型的静态工厂方法。
    return new ServiceLoader<>(service, loader);
}

private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
    // svc 为 null,抛 NullPointerException
    service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
    // 若没有指定加载器，默认使用系统加载器
    loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
    // Java安全管理器  
    acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
    reload();
}

public void reload() {
    // 清空实例化好的缓存。
    providers.clear();
    // "懒查找"，ServiceLoader 的核心。
    lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}

LazyIterator 为 ServiceLoader 的核心，来看看具体源码：

private class LazyIterator implements Iterator<S> {
    Class<S> service;
    ClassLoader loader;
    // 加载资源的URL集合
    Enumeration<URL> configs = null; 
    // 需加载的实现类的全限定类名的集合
    Iterator<String> pending = null;
    // 下一个需要加载的实现类的全限定类名
    String nextName = null;

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

    private boolean hasNextService() {
        //资源已存在，无需加载
        if (nextName != null) {
            return true;
        }
        // 资源为null,尝试加载
        if (configs == null) {
            try {
                // 资源名称，META-INF/services + 全限定名
                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);
            }
        }
        // 从资源中解析出需要加载的所有实现类的全限定类名
        while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
            if (!configs.hasMoreElements()) {
                return false;
            }
            pending = parse(service, configs.nextElement());
        }
        // 下一个需要加载的实现类的全限定类名
        nextName = pending.next();
        return true;
    }
    
    private S nextService() {
        if (!hasNextService()) throw new NoSuchElementException();
        String cn = nextName;
        nextName = null;
        Class<?> c = null;
        try {
            // 反射构造 Class 实例
            c = Class.forName(cn, false, loader);
        } catch (ClassNotFoundException x) {
            fail(service, "Provider " + cn + " not found");
        }
        // 类型判断，校验实现类必须与当前加载的类/接口的关系是派生或相同，否则抛出异常终止
        if (!service.isAssignableFrom(c)) {
            fail(service, "Provider " + cn  + " not a subtype");
        }
        try {
            // 实例并强转
            S p = service.cast(c.newInstance());
            // 实例完成，添加缓存，Key：实现类全限定类名，Value：实现类实例
            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();
    }
}

LazyIterator 机制总结：LazyIterator 也实现了 Iterator接口的实现，Lazy特性体现在只有在使用 ServiceLoader 调用 iterator() 方法获取 Iterator 接口匿名实现类后， 再调用 hasNext() 方法时，才会"懒判断"或者"懒加载"下一个实现类的实例。调用的入口，也就是示例 main 方法中 while 那一步，我们再看下 iterator() 的 Iterator 匿名实现类源码：

public Iterator<S> iterator() {
    return new Iterator<S>() {
        Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();
        
        public boolean hasNext() {
            if (knownProviders.hasNext()) return true;
            return lookupIterator.hasNext();
        }

        public S next() {
            if (knownProviders.hasNext())   return knownProviders.next().getValue();
            return lookupIterator.next();
        }

        public void remove() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    };
}

调用链分析完，最后看下 hasNextService 中解析限定名文件的 parse 方法，主要检查文件内容的字符合法性、缓存过滤避免重复加载。

private Iterator<String> parse(Class<?> service, URL u) throws ServiceConfigurationError {
    InputStream in = null;
    BufferedReader r = null;
    // 存放 META-INF/services 下文件中的实现类的全类名
    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);
        }
    }
    // 解析完返回迭代器
    return names.iterator();
}

//具体解析资源文件中每一行内容
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;   //-1表示解析完成
    }
    // 如果存在‘#‘字符，截取第一个‘#‘字符串之前的内容，‘#‘字符之后的属于注释内容
    int ci = ln.indexOf(‘#‘);
    if (ci >= 0) ln = ln.substring(0, ci);
    ln = ln.trim();
    int n = ln.length();
    if (n != 0) {
        //不合法的标识：‘ ‘、‘	‘
        if ((ln.indexOf(‘ ‘) >= 0) || (ln.indexOf(‘	‘) >= 0))
            fail(service, u, lc, "Illegal configuration-file syntax");
        int cp = ln.codePointAt(0);
        //判断第一个 char 是否一个合法的 Java 起始标识符
        if (!Character.isJavaIdentifierStart(cp))
            fail(service, u, lc, "Illegal provider-class name: " + ln);
        //判断所有其他字符串是否属于合法的Java标识符
        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);
        }
        //不存在则缓存
        if (!providers.containsKey(ln) && !names.contains(ln)) names.add(ln);
    }
    return lc + 1;
}

五、总结

优点：

1. 使用 Java SPI 机制的优势是实现解耦，使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。
2. 相比使用提供接口 jar 包供第三方服务使用的方式，SPI 使得源框架不必关心接口的实现类的路径，可以不使用硬编码 import 导入实现类。

缺点：

1. 虽然 ServiceLoader 使用了懒加载，但结果还是通过遍历获取，基本上可以说是全部实例化了一遍，所以说，这个懒加载机制在此场景下是浪费的。
2. 由于是遍历获取，所以获取实现类的方式不够灵活。
3. 多个并发多线程使用 ServiceLoader 类的实例是不安全的。

注：文章中难免有不足之处，欢迎评论、互动、指正。