高級開發必須理解的Java中SPI機制

時間 2021-01-17

標籤 java 面試數據庫編程設計模式緩存安全多線程併發框架欄目 Java 简体版

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- 本文經過探析JDK提供的，在開源項目中比較經常使用的Java SPI機制，但願給你們在實際開發實踐、學習開源項目提供參考。java
  
  1 SPI是什麼
  
  SPI全稱Service Provider Interface，是Java提供的一套用來被第三方實現或者擴展的API，它能夠用來啓用框架擴展和替換組件。面試
  
  總體機制圖以下：數據庫
  
  Java SPI 其實是「基於接口的編程＋策略模式＋配置文件」組合實現的動態加載機制。編程
  
  系統設計的各個抽象，每每有不少不一樣的實現方案，在面向的對象的設計裏，通常推薦模塊之間基於接口編程，模塊之間不對實現類進行硬編碼。一旦代碼裏涉及具體的實現類，就違反了可拔插的原則，若是須要替換一種實現，就須要修改代碼。爲了實如今模塊裝配的時候能不在程序裏動態指明，這就須要一種服務發現機制。
  Java SPI就是提供這樣的一個機制：爲某個接口尋找服務實現的機制。有點相似IOC的思想，就是將裝配的控制權移到程序以外，在模塊化設計中這個機制尤爲重要。因此SPI的核心思想就是解耦。設計模式
  
  2 使用場景
  
  歸納地說，適用於：調用者根據實際使用須要，啓用、擴展、或者替換框架的實現策略緩存
  
  比較常見的例子：安全
  - 數據庫驅動加載接口實現類的加載
    JDBC加載不一樣類型數據庫的驅動
  - 日誌門面接口實現類加載
    SLF4J加載不一樣提供商的日誌實現類
  - Spring
    Spring中大量使用了SPI,好比：對servlet3.0規範對ServletContainerInitializer的實現、自動類型轉換Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI)等
  - Dubbo
    Dubbo中也大量使用SPI的方式實現框架的擴展, 不過它對Java提供的原生SPI作了封裝，容許用戶擴展實現Filter接口
  3 使用介紹
  
  要使用Java SPI，須要遵循以下約定：多線程
  - 一、當服務提供者提供了接口的一種具體實現後，在jar包的META-INF/services目錄下建立一個以「接口全限定名」爲命名的文件，內容爲實現類的全限定名；
  - 二、接口實現類所在的jar包放在主程序的classpath中；
  - 三、主程序經過java.util.ServiceLoder動態裝載實現模塊，它經過掃描META-INF/services目錄下的配置文件找到實現類的全限定名，把類加載到JVM；
  - 四、SPI的實現類必須攜帶一個不帶參數的構造方法；
  示例代碼
  
  步驟1、定義一組接口 (假設是org.foo.demo.IShout)，並寫出接口的一個或多個實現，(假設是org.foo.demo.animal.Dog、org.foo.demo.animal.Cat)。併發
```
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/ 下創建 /META-INF/services 目錄，新增一個以接口命名的文件 (org.foo.demo.IShout文件)，內容是要應用的實現類（這裏是org.foo.demo.animal.Dog和org.foo.demo.animal.Cat，每行一個類）。框架
  
  文件位置
```
- src
    -main
        -resources
            - META-INF
                - services
                    - org.foo.demo.IShout
```
  文件內容
```
org.foo.demo.animal.Dog
org.foo.demo.animal.Cat
```
  步驟3、使用 ServiceLoader 來加載配置文件中指定的實現。
```
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 原理解析
  
  首先看ServiceLoader類的簽名類的成員變量：
```
public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

    // 表明被加載的類或者接口
    private final Class<S> service;

    // 用於定位，加載和實例化providers的類加載器
    private final ClassLoader loader;

    // 建立ServiceLoader時採用的訪問控制上下文
    private final AccessControlContext acc;

    // 緩存providers，按實例化的順序排列
    private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

    // 懶查找迭代器
    private LazyIterator lookupIterator;
  
    ......
}
```
  參考具體ServiceLoader具體源碼，代碼量很少，加上註釋一共587行，梳理了一下，實現的流程以下：
  - 1 應用程序調用ServiceLoader.load方法
    ServiceLoader.load方法內先建立一個新的ServiceLoader，並實例化該類中的成員變量，包括：
    - loader(ClassLoader類型，類加載器)
    - acc(AccessControlContext類型，訪問控制器)
    - providers(LinkedHashMap<String,S>類型，用於緩存加載成功的類)
    - lookupIterator(實現迭代器功能)
  - 2 應用程序經過迭代器接口獲取對象實例
    ServiceLoader先判斷成員變量providers對象中(LinkedHashMap<String,S>類型)是否有緩存實例對象，若是有緩存，直接返回。
    若是沒有緩存，執行類的裝載，實現以下：
  - (1) 讀取META-INF/services/下的配置文件，得到全部能被實例化的類的名稱，值得注意的是，ServiceLoader能夠跨越jar包獲取META-INF下的配置文件，具體加載配置的實現代碼以下：
```
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) 經過反射方法Class.forName()加載類對象，並用instance()方法將類實例化。
  - (3) 把實例化後的類緩存到providers對象中，(LinkedHashMap<String,S>類型）
    而後返回實例對象。
  5 總結
  
  優勢：
  使用Java SPI機制的優點是實現解耦，使得第三方服務模塊的裝配控制的邏輯與調用者的業務代碼分離，而不是耦合在一塊兒。應用程序能夠根據實際業務狀況啓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，可是基本只能經過遍歷所有獲取，也就是接口的實現類所有加載並實例化一遍。若是你並不想用某些實現類，它也被加載並實例化了，這就形成了浪費。獲取某個實現類的方式不夠靈活，只能經過Iterator形式獲取，不能根據某個參數來獲取對應的實現類。
  - 多個併發多線程使用ServiceLoader類的實例是不安全的。