一只烤鸭朝北走

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  在面向对象的程序设计中,模块之间交互采用接口编程,通常情况下调用方不需要知道被调用方的内部实现细节,因为一旦涉及到了具体实现,如果需要换一种实现就需要修改代码,这违反了程序设计的"开闭原则"。所以我们一般有两种选择:一种是使用API(Application Programming Interface),另一种是SPI(Service Provider Interface),API通常被应用程序开发人员使用,而SPI通常被框架扩展人员使用。

  在进入下面学习之前,我们先来再加深一下API和SPI这两个的印象:

  API:由实现方制定接口标准并完成对接口的不同实现,这种模式服务接口从概念上更接近于实现方;

  SPI:由调用方制定接口标准,实现方来针对接口提供不同的实现;从前半句话我们来看,SPI其实就是"为接口查找实现"的一种服务发现机制;这种模式,服务接口组织上位于调用方所在的包中,实现位于独立的包中。

  API和SPI简略图示:

  

  看完上面的简单图示,相信大家对API和SPI的区别有了一个大致的了解,现在我们使用SPI机制来实现我们一个简单的日志框架:

  第一步,创建一个maven项目命名为spi-interface,定义一个SPI对外服务接口,用来后续提供给调用者使用;

package cn.com.wwh;
/**
 * 
 * @FileName Logger.java
 * @version:1.0
 * @Description: 服务提供者接口
 * @author: wwh
 * @date: 2022年9月19日 上午10:31:53
 */
public interface Logger {
    
    /**
     * 
     * @Description:(功能描述)
     * @param msg
     */
    public void info(String msg);
    
    /**
     * 
     * @Description:(功能描述)
     * @param msg
     */
    public void debug(String msg);
}
package cn.com.wwh;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.ServiceLoader;

/**
 * 
 * @FileName LoggerService.java
 * @version:1.0
 * @Description: 为服务的调用者提供特定的功能,是SPI的核心功能
 * @author: wwh
 * @date: 2022年9月19日 上午10:33:30
 */
public class LoggerService {

    private static final LoggerService INSTANCE = new LoggerService();

    private final Logger logger;                          

    private final List<Logger> loggers = new ArrayList<>();

    private LoggerService() {
     //ServiceLoader是实现SPI的核心类 ServiceLoader
<Logger> sl = ServiceLoader.load(Logger.class); Iterator<Logger> it = sl.iterator(); while (it.hasNext()) { loggers.add(it.next()); } if (!loggers.isEmpty()) { logger = loggers.get(0); } else { logger = null; } } /** * @Description:(功能描述) * @return */ public static LoggerService getLoggerService() { return INSTANCE; } /** * * @Description:(功能描述) * @param msg */ public void info(String msg) { if (logger == null) { System.err.println("在info方法中没有找到Logger的实现类..."); } else { logger.info(msg); } } /** * * @Description:(功能描述) * @param msg */ public void debug(String msg) { if (logger == null) { System.err.println("在debug方法中没有找到Logger的实现类..."); } else { logger.info(msg); } } }

  将上面这个这个项目打成spi-interface.jar包。

  第二步,新建一个maven项目并导入第一步中打出来的spi-interface.jar包,这个项目用来提供服务的实现,定义一个类,实现第一步中定义的cn.com.wwh.Logger接口,示例代码如下:

package cn.com.wwh;

import cn.com.pep.Logger;

/**
 * 
 * @FileName Logback.java
 * @version:1.0
 * @Description: 服务接口的实现类
 * @author: wwh
 * @date: 2022年9月19日 上午10:50:31
 */
public class Logback implements Logger {

    @Override
    public void debug(String msg) {
        System.err.println("调用Logback的debug方法,输出的日志为:" + msg);
    }

    @Override
    public void info(String msg) {
        System.err.println("调用Logback的info方法,输出的日志为:" + msg);
    }

}

  同时在当前项目的classpath路径下建立META-INF/services/文件夹(至于为什么这么建立目录,我们一会儿再解释),并且新建一个名称为cn.com.wwh.Logger内容为cn.com.wwh.Logback的文件,这一步是关键(具体作用后面再详细说明),然后将上面第二步这个这个项目打成spi-provider.jar包,供给之后使用,我目前使用的开发工具是Eclipse,目录结构如下图所示:

  

  第三步,编写测试类,新建一个maven项目,命名为spi-test,导入前面两个步骤打的spi-interface.jar和spi-provider.jar这两个jar包,并编写测试代码,示例如下:

package cn.com.wwh;

import cn.com.pep.LoggerService;

/**
 * 
 * @FileName SpiTest.java
 * @version:1.0
 * @Description: 
 * @author: wwh
 * @date: 2022年9月19日 上午10:56:31
 */
public class SpiTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        LoggerService logger = LoggerService.getLoggerService();
        logger.info("我是中国人");
        logger.debug("白菜多少钱一斤");
    }
}

  有了SPI我们可以将服务和服务提供者轻松地解耦,假如将来的某一天我们需要将日志保存到数据库,或者通过网络发送,我们直接只需要替换针对服务接口的实现类即可,别的地方都不用修改,这更符合程序设计中的“开闭原则”。

  SPI的大致原理是:应用启动的时候,扫描classpath下面的所有jar包,将jar包下的/META-INF/services/目录下的文件加载到内存中,进行一系列的解析(文件的名称是spi接口的全路径名称,文件内容应该是spi接口实现类的全路径名,可以用多个实现类,在文件中换行保存),之后判断当前类和当前接口是否是同一类型?结果为true,则通过反射生成指定类的实例对象,保存到一个map集合中,可以通过遍历或者迭代的方式拿出来使用。

  SPI实质就是一个加载服务实现的工具,核心类是ServiceLoader,其实了解了SPI的原理,我们再接着探究JDK中的源码就没有那么费力了,下面我们开始源码分析吧。

  ServiceLoader类是定义在java.util包下的,使用final定义禁止子类继承和修改,实现了Iterable接口,使得可以通过迭代或者遍历的方式获取SPI接口的不同实现。

从上面的我们所举的例子中,我们知道SPI的入口是ServiceLoader.load(Class<S> service)方法,我们来看看它都干了什么?   

  上面的这4步总的来说,就是使用指定的类型和当前线程绑定的classLoader实例化了一个LazyIterator对象赋值给lookupIterator这个引用,并且清除了原来providers列表中缓存的服务的实现。接下来我们调用了ServiceLoader实例的iterator()方法获取了一个迭代器,代码如下:

 1 public Iterator<S> iterator() {
 2         //通过匿名内部类方式提供了一个迭代器
 3         return new Iterator<S>() {
 4             //获取缓存的服务实现者的迭代器
 5             Iterator<Map.Entry<String, S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();
 6             
 7             //判断迭代器中是否还有元素
 8             public boolean hasNext() {
 9                 //缓存的服务实现者的迭代器中已经没有元素了
10                 if (knownProviders.hasNext())
11                     return true;
12                 return lookupIterator.hasNext();//判断延迟加载的迭代器中是否还有元素
13             }
14 
15             //获取迭代其中的下一个元素
16             public S next() {
17                 if (knownProviders.hasNext())
18                     return knownProviders.next().getValue();
19                 return lookupIterator.next();//获取延迟加载的迭代器中的下一个元素
20             }
21 
22             public void remove() {
23                 throw new UnsupportedOperationException();
24             }
25         };
26    }

  我们接着调用上步获取的迭代器it的hasNext()方法,因为我们在ServiceLoader.load()过程中其实是清除了providers列表中的缓存服务实现的,所以其实调用的是lookupIterator.hasNext()方法,如下:

 1 public boolean hasNext() {
 2         if (nextName != null) {//存在下一个元素
 3             return true;
 4         }
 5         if (configs == null) {//配置文件为空
 6             try {
 7                 String fullName = PREFIX + service.getName();//获取配置文件路径
 8                 if (loader == null)
 9                     configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
10                 else
11                     configs = loader.getResources(fullName);//加载配置文件
12             } catch (IOException x) {
13                 fail(service, "Error locating configuration files", x);
14             }
15         }
16         //遍历配置文件内容
17         while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
18             if (!configs.hasMoreElements()) {
19                 return false;
20             }
21             pending = parse(service, configs.nextElement());//配置文件内容解析
22         }
23         nextName = pending.next();//获取服务实现类的全路径名
24         return true;
25     }
26 

   假如上部判断为true,紧接着我们又调用了迭代器it的next()方式,同理也调用的是lookupIterator.next()方法,源码如下:

 1 public S next() {
 2         if (!hasNext()) {
 3             throw new NoSuchElementException();
 4         }
 5         String cn = nextName;//文件中保存的服务接口实现类的全路径名
 6         nextName = null;
 7         Class<?> c = null;
 8         try {
 9             //获取全限定名的Class对象
10             c = Class.forName(cn, false, loader);
11         } catch (ClassNotFoundException x) {
12             fail(service, "Provider " + cn + " not found");
13         }
14             //判断实现类和服务接口是否是同一类型
15         if (!service.isAssignableFrom(c)) {
16             fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
17         }
18         try {
19             //通过反射生成服务接口的实现类,并判断这个实例是否是接口的实现
20             S p = service.cast(c.newInstance());
21             //将服务接口的实现缓存起来,并返回
22             providers.put(cn, p);
23             return p;
24         } catch (Throwable x) {
25             fail(service, "Provider " + cn + " could not be instantiated", x);
26         }
27         throw new Error(); // This cannot happen
28     }

  其实spi实现的主要流程是:扫描classpath路径下的所有jar包下的/META-INF/services/目录(即我们需要将服务接口的具体实现类暴露在这个目录下,之前我们提到需要在实现类的classpath下面建立一个/META-INF/services/文件夹就是这个原因。),找到对应的文件,读取这个文件名找到对应的SPI接口,然后通过InputStream流将文件内容读出来,获取到实现类的全路径名,并得到这个全路径名所表示的Class对象,判断其与服务接口是否是同一类型,然后通过反射生成服务接口的实现,并保存在providers列表中,供给后续的使用。

  SPI这种设计方式为我们的应用扩展提供了极大的便利,但是它的短板也是显而易见的,Java SPI 在查找扩展实现类的时候遍历 SPI 的配置文件并且将实现类全部实例化,假设一个实现类初始化过程比较消耗资源且耗时,但是你的代码里面又用不上它,这就产生了资源的浪费。所以说 Java SPI 无法按需加载实现类。

  另外,SPI 机制在很多框架中都有应用:slf4j日志框架、Spring 框架的基本原理也是类似的反射。还有 Dubbo 框架提供同样的 SPI 扩展机制,只不过 Dubbo 和 spring 框架中的 SPI 机制具体实现方式跟咱们今天学得这个有些细微的区别(Dubbo可以实现按需加载实现类),不过整体的原理都是一致的,我们今天先对SPI有个简单的了解,相信有了今天的基础理解剩下的那几个也不是什么难事。

  好了,今天就到这儿了,文章中有说的不对的地方还请各位大佬批评指正,一起学习,共同进步,谢谢。

  关于Spring中的SPI机制可以参考:深入剖析Spring Boot 的SPI机制

  关于DUBBO中SPI的实现可以参考:《Dubbo系列》-Dubbo SPI机制

posted on 2022-09-19 22:43  一只烤鸭朝北走  阅读(642)  评论(2编辑  收藏  举报