高級開發必須理解的Java中SPI機制-有解無憂

- 本文通過探析JDK提供的，在開源專案中比較常用的Java SPI機制，希望給大家在實際開發實踐、學習開源專案提供參考，
  
  1 SPI是什么
  
  SPI全稱Service Provider Interface，是Java提供的一套用來被第三方實作或者擴展的API，它可以用來啟用框架擴展和替換組件，
  
  整體機制圖如下：
  
  Java SPI 實際上是“基于介面的編程＋策略模式＋組態檔”組合實作的動態加載機制，
  
  系統設計的各個抽象，往往有很多不同的實作方案，在面向的物件的設計里，一般推薦模塊之間基于介面編程，模塊之間不對實作類進行硬編碼，一旦代碼里涉及具體的實作類，就違反了可拔插的原則，如果需要替換一種實作，就需要修改代碼，為了實作在模塊裝配的時候能不在程式里動態指明，這就需要一種服務發現機制，
  Java SPI就是提供這樣的一個機制：為某個介面尋找服務實作的機制，有點類似IOC的思想，就是將裝配的控制權移到程式之外，在模塊化設計中這個機制尤其重要，所以SPI的核心思想就是解耦，
  
  2 使用場景
  
  概括地說，適用于：呼叫者根據實際使用需要，啟用、擴展、或者替換框架的實作策略
  
  比較常見的例子：
  - 資料庫驅動加載介面實作類的加載
    JDBC加載不同型別資料庫的驅動
  - 日志門面介面實作類加載
    SLF4J加載不同提供商的日志實作類
  - Spring
    Spring中大量使用了SPI,比如：對servlet3.0規范對ServletContainerInitializer的實作、自動型別轉換Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI)等
  - Dubbo
    Dubbo中也大量使用SPI的方式實作框架的擴展, 不過它對Java提供的原生SPI做了封裝，允許用戶擴展實作Filter介面
  3 使用介紹
  
  要使用Java SPI，需要遵循如下約定：
  - 1、當服務提供者提供了介面的一種具體實作后，在jar包的META-INF/services目錄下創建一個以“介面全限定名”為命名的檔案，內容為實作類的全限定名；
  - 2、介面實作類所在的jar包放在主程式的classpath中；
  - 3、主程式通過java.util.ServiceLoder動態裝載實作模塊，它通過掃描META-INF/services目錄下的組態檔找到實作類的全限定名，把類加載到JVM；
  - 4、SPI的實作類必須攜帶一個不帶引數的構造方法；
  示例代碼
  
  步驟1、定義一組介面 (假設是org.foo.demo.IShout)，并寫出介面的一個或多個實作，(假設是org.foo.demo.animal.Dog、org.foo.demo.animal.Cat)，
```
public interface IShout {
    void shout();
}
public class Cat implements IShout {
    @Override
    public void shout() {
        System.out.println("miao miao");
    }
}
public class Dog implements IShout {
    @Override
    public void shout() {
        System.out.println("wang wang");
    }
}
```
  步驟2、在 src/main/resources/ 下建立 /META-INF/services 目錄，新增一個以介面命名的檔案 (org.foo.demo.IShout檔案)，內容是要應用的實作類（這里是org.foo.demo.animal.Dog和org.foo.demo.animal.Cat，每行一個類），
  
  檔案位置
```
- src
    -main
        -resources
            - META-INF
                - services
                    - org.foo.demo.IShout
```
  檔案內容
```
org.foo.demo.animal.Dog
org.foo.demo.animal.Cat
```
  步驟3、使用 ServiceLoader 來加載組態檔中指定的實作，
```
public class SPIMain {
    public static void main(String[] args) {
        ServiceLoader<IShout> shouts = ServiceLoader.load(IShout.class);
        for (IShout s : shouts) {
            s.shout();
        }
    }
}
```
  代碼輸出：
```
wang wang
miao miao
```
  4 原理決議
  
  首先看ServiceLoader類的簽名類的成員變數：
```
public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

    // 代表被加載的類或者介面
    private final Class<S> service;

    // 用于定位，加載和實體化providers的類加載器
    private final ClassLoader loader;

    // 創建ServiceLoader時采用的訪問控制背景關系
    private final AccessControlContext acc;

    // 快取providers，按實體化的順序排列
    private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

    // 懶查找迭代器
    private LazyIterator lookupIterator;
  
    ......
}
```
  參考具體ServiceLoader具體原始碼，代碼量不多，加上注釋一共587行，梳理了一下，實作的流程如下：
  - 1 應用程式呼叫ServiceLoader.load方法
    ServiceLoader.load方法內先創建一個新的ServiceLoader，并實體化該類中的成員變數，包括：
    - loader(ClassLoader型別，類加載器)
    - acc(AccessControlContext型別，訪問控制器)
    - providers(LinkedHashMap<String,S>型別，用于快取加載成功的類)
    - lookupIterator(實作迭代器功能)
  - 2 應用程式通過迭代器介面獲取物件實體
    ServiceLoader先判斷成員變數providers物件中(LinkedHashMap<String,S>型別)是否有快取實體物件，如果有快取，直接回傳，
    如果沒有快取，執行類的裝載，實作如下：
  - (1) 讀取META-INF/services/下的組態檔，獲得所有能被實體化的類的名稱，值得注意的是，ServiceLoader可以跨越jar包獲取META-INF下的組態檔，具體加載配置的實作代碼如下：
```
        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) 通過反射方法Class.forName()加載類物件，并用instance()方法將類實體化，
  - (3) 把實體化后的類快取到providers物件中，(LinkedHashMap<String,S>型別）
    然后回傳實體物件，
  5 總結
  
  優點：
  使用Java SPI機制的優勢是實作解耦，使得第三方服務模塊的裝配控制的邏輯與呼叫者的業務代碼分離，而不是耦合在一起，應用程式可以根據實際業務情況啟用框架擴展或替換框架組件，
  
  缺點：
  - 雖然ServiceLoader也算是使用的延遲加載，但是基本只能通過遍歷全部獲取，也就是介面的實作類全部加載并實體化一遍，如果你并不想用某些實作類，它也被加載并實體化了，這就造成了浪費，獲取某個實作類的方式不夠靈活，只能通過Iterator形式獲取，不能根據某個引數來獲取對應的實作類，
  - 多個并發多執行緒使用ServiceLoader類的實體是不安全的，

來源：https://my.oschina.net/1Gk2fdm43/blog/4336812
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3 使用介紹

示例代碼

4 原理決議

5 總結