JDK SPI、Spring SPI、Dubbo SPI三种机制的细节和演化

SPI机制

  Java SPI（Service Provider Interface）是JDK提供的一种服务发现机制，用于在运行时动态加载和扩展应用程序中的服务提供者。

  SPI 的本质是将接口实现类的全限定名配置在文件中，并由服务加载器读取配置文件，加载实现类。这样可以在运行时，动态为接口替换实现类。正因此特性，我们可以很容易的通过 SPI 机制为我们的程序提供拓展功能。

【举例】 在Java中定义好接口java.sql.Driver，然后直接使用，不用管实现类。具体的实现类，是通过SPI机制来加载的。驱动有JDBC、ODBC等等，我们导入了哪一个驱动Jar包，这个Jar包的META-INF/services目录中都会有java.sql.Driver文件，里面存的是当前这个Jar包里面实现接口java.sql.Driver的实现类的全限定名称。

  当服务的提供者提供了一种接口的实现之后，需要在classpath下的META-INF/services/目录里创建一个以服务接口命名的文件，这个文件里的内容就是这个接口的具体的实现类。当其他的程序需要这个服务的时候，就可以通过查找这个jar包（一般都是以jar包做依赖）的META-INF/services/中的配置文件，配置文件中有接口的具体实现类名，可以根据这个类名进行加载实例化，就可以使用该服务了。

  JDK中查找服务的实现的工具类是：java.util.ServiceLoader。

SPI机制的应用

JDBC中加载驱动

  1、JDBC接口定义

  首先在java中定义了接口java.sql.Driver，并没有具体的实现，具体的实现都是由不同厂商来提供的。

  2、mysql实现

  在mysql的jar包mysql-connector-java-6.0.6.jar中，可以找到META-INF/services目录，该目录下会有一个名字为java.sql.Driver的文件，文件内容是com.mysql.cj.jdbc.Driver，这里面的内容就是针对Java中定义的接口的实现。

  3、postgresql实现

  同样在postgresql的jar包postgresql-42.0.0.jar中，也可以找到同样的配置文件，文件内容是org.postgresql.Driver，这是postgresql对Java的java.sql.Driver的实现。

  4、源码实现

  关于驱动的查找其实都在DriverManager中，DriverManager是Java中的实现，用来获取数据库连接，在DriverManager中有一个静态代码块如下：

static {
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized");
}

  可以看到是加载实例化驱动的，接着看loadInitialDrivers方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
        drivers = null;
    }

    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
			//使用SPI的ServiceLoader来加载接口的实现
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try{
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();
                }
            } catch(Throwable t) {
            // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });

    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = "   drivers);

    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
        return;
    }
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:"   driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading "   aDriver);
            Class.forName(aDriver, true,
                    ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
            println("DriverManager.Initialize: load failed: "   ex);
        }
    }
}

  上面的代码主要步骤是：

  1、从系统变量中获取有关驱动的定义。
  2、使用SPI来获取驱动的实现。
  3、遍历使用SPI获取到的具体实现，实例化各个实现类。
  4、根据第一步获取到的驱动列表来实例化具体实现类。

  主要关注2,3步，这两步是SPI的用法，首先看第二步，使用SPI来获取驱动的实现，对应的代码是：

ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);

  这里没有去META-INF/services目录下查找配置文件，也没有加载具体实现类，做的事情就是封装了我们的接口类型和类加载器，并初始化了一个迭代器。接着看第三步，遍历使用SPI获取到的具体实现，实例化各个实现类，对应的代码如下：

//获取迭代器
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
//遍历所有的驱动实现
while(driversIterator.hasNext()) {
    driversIterator.next();
}

  在遍历的时候，首先调用driversIterator.hasNext()方法，这里会搜索classpath下以及jar包中所有的META-INF/services目录下的java.sql.Driver文件，并找到文件中的实现类的名字，此时并没有实例化具体的实现类（ServiceLoader具体的源码实现在下面）。

  然后是调用driversIterator.next();方法，此时就会根据驱动名字具体实例化各个实现类了。现在驱动就被找到并实例化了。

Spring SPI

  在springboot的自动装配过程中，最终会加载META-INF/spring.factories文件，而加载的过程是由SpringFactoriesLoader加载的。从CLASSPATH下的每个Jar包中搜寻所有META-INF/spring.factories配置文件，然后将解析properties文件，找到指定名称的配置后返回。需要注意的是，其实这里不仅仅是会去ClassPath路径下查找，会扫描所有路径下的Jar包，只不过这个文件只会在Classpath下的jar包中。

public static final String FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories";
// spring.factories文件的格式为：key=value1,value2,value3
// 从所有的jar包中找到META-INF/spring.factories文件
// 然后从文件中解析出key=factoryClass类名称的所有value值
public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
    String factoryClassName = factoryClass.getName();
    // 取得资源文件的URL
    Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ? classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) : ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
    List<String> result = new ArrayList<String>();
    // 遍历所有的URL
    while (urls.hasMoreElements()) {
        URL url = urls.nextElement();
        // 根据资源文件URL解析properties文件，得到对应的一组@Configuration类
        Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(new UrlResource(url));
        String factoryClassNames = properties.getProperty(factoryClassName);
        // 组装数据，并返回
        result.addAll(Arrays.asList(StringUtils.commaDelimitedListToStringArray(factoryClassNames)));
    }
    return result;
}

  下面是一段Spring Boot 中 spring.factories的配置

# Logging Systems
org.springframework.boot.logging.LoggingSystemFactory=\
org.springframework.boot.logging.logback.LogbackLoggingSystem.Factory,\
org.springframework.boot.logging.log4j2.Log4J2LoggingSystem.Factory,\
org.springframework.boot.logging.java.JavaLoggingSystem.Factory

# PropertySource Loaders
org.springframework.boot.env.PropertySourceLoader=\
org.springframework.boot.env.PropertiesPropertySourceLoader,\
org.springframework.boot.env.YamlPropertySourceLoader

# ConfigData Location Resolvers
org.springframework.boot.context.config.ConfigDataLocationResolver=\
org.springframework.boot.context.config.ConfigTreeConfigDataLocationResolver,\
org.springframework.boot.context.config.StandardConfigDataLocationResolver

  Spring SPI中，将所有的配置放到一个固定的文件中，省去了配置一大堆文件的麻烦。至于多个接口的扩展配置，是用一个文件好，还是每个单独一个文件好这个，这个问题就见仁见智了。

  Spring的SPI虽然属于spring-framework(core)，但是目前主要用在spring boot中……

  Spring SPI也是支持ClassPath中存在多个spring.factories文件的，加载时会按照classpath的顺序依次加载这些spring.factories文件，添加到一个ArrayList中。由于没有别名，所以也没有去重的概念，有多少就添加多少。

  但由于Spring的SPI主要用在 Spring Boot 中，而Spring Boot中的ClassLoader会优先加载项目中的文件，而不是依赖包中的文件。所以如果在你的项目中定义个spring.factories文件，那么你项目中的文件会被第一个加载，得到的Factories中，项目中spring.factories里配置的那个实现类也会排在第一个。

  如果我们要扩展某个接口的话，只需要在你的项目里新建一个META-INF/spring.factories文件，只添加你要的那个配置。

Dubbo SPI

  Dubbo就是通过SPI机制加载所有的组件。不过，Dubbo并未使用 Java 原生的SPI机制，而是对其进行了增强，使其能够更好的满足需求。在Dubbo中，SPI是一个非常重要的模块。基于SPI，我们可以很容易的对Dubbo进行拓展。

  Dubbo中实现了一套新的SPI 机制，功能更强大，也更复杂一些。相关逻辑被封装在了ExtensionLoader 类中，通过ExtensionLoader，我们可以加载指定的实现类。Dubbo SPI所需的配置文件需放置在META-INF/dubbo路径下，配置内容如下（以下demo来自dubbo官方文档）:

optimusPrime = org.apache.spi.OptimusPrime
bumblebee = org.apache.spi.Bumblebee

  与Java SPI实现类配置不同，Dubbo SPI是通过键值对的方式进行配置，这样我们可以按需加载指定的实现类。另外在使用时还需要在接口上标注 @SPI注解。下面来演示Dubbo SPI的用法：

@SPI
public interface Robot {
    void sayHello();
}

public class OptimusPrime implements Robot {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am Optimus Prime.");
    }
}

public class Bumblebee implements Robot {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am Bumblebee.");
    }
}

public class DubboSPITest {
    @Test
    public void sayHello() throws Exception {
        ExtensionLoader<Robot> extensionLoader = 
            ExtensionLoader.getExtensionLoader(Robot.class);
        Robot optimusPrime = extensionLoader.getExtension("optimusPrime");
        optimusPrime.sayHello();
        Robot bumblebee = extensionLoader.getExtension("bumblebee");
        bumblebee.sayHello();
    }
}

  Dubbo SPI和JDK SPI最大的区别就在于支持“别名”，可以通过某个扩展点的别名来获取固定的扩展点。就像上面的例子中，我可以获取Robot多个SPI实现中别名为“optimusPrime”的实现，也可以获取别名为“bumblebee”的实现，这个功能非常有用！

  通过@SPI注解的value属性，还可以默认一个“别名”的实现。比如在Dubbo中，默认的是Dubbo私有协议：dubbo protocol - dubbo://

  来看看Dubbo中协议的接口：

@SPI("dubbo")
public interface Protocol {
    ......
}

  在Protocol接口上，增加了一个@SPI注解，而注解的value值为Dubbo ，通过SPI获取实现时就会获取 Protocol SPI配置中别名为dubbo的那个实现，com.alibaba.dubbo.rpc.Protocol文件如下：

filter=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.ProtocolFilterWrapper
listener=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.ProtocolListenerWrapper
mock=com.alibaba.dubbo.rpc.support.MockProtocol
dubbo=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.dubbo.DubboProtocol
injvm=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.injvm.InjvmProtocol
rmi=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.rmi.RmiProtocol
hessian=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.hessian.HessianProtocol
com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.http.HttpProtocol
com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.webservice.WebServiceProtocol
thrift=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.thrift.ThriftProtocol
memcached=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.memcached.MemcachedProtocol
redis=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.redis.RedisProtocol
rest=com.alibaba.dubbo.rpc.protocol.rest.RestProtocol
registry=com.alibaba.dubbo.registry.integration.RegistryProtocol
qos=com.alibaba.dubbo.qos.protocol.QosProtocolWrapper

  然后只需要通过getDefaultExtension，就可以获取到@SPI注解上value对应的那个扩展实现了。

SPI深入理解

API与SPI的区别

  API（Application Programming Interface）和SPI（Service Provider Interface）是两种不同的概念，API是软件组件之间的接口规范，用于定义交互方式和通信协议，以便于开发者使用和集成组件。而SPI是一种服务发现机制，用于动态加载和扩展应用程序中的服务提供者，允许通过插件式的方式添加和替换功能实现。API是软件开发中常见的概念，而SPI则是特定于服务发现和扩展的机制。

  API（应用程序编程接口）：

  API是一组定义了软件组件之间交互方式和通信协议的接口。
  API提供了一系列的函数、方法、类、协议等，用于让开发者能够与某个软件库、框架或平台进行交互。
  API定义了外部组件与提供者之间的约定和规范，以便于开发者可以使用和集成这些组件来实现特定的功能。
  API通常由供应商或平台提供，并且在软件开发中广泛使用，以简化开发者的工作，提供特定功能和服务的访问途径。

  SPI（服务提供者接口）：

  SPI是一种服务发现机制，用于在运行时动态加载和扩展应用程序中的服务提供者。
  SPI允许开发者定义服务接口，然后通过服务提供者实现该接口，并在运行时通过SPI机制动态发现和加载实现。
  SPI通过在类路径下的META-INF/services目录中的配置文件中指定实现类的方式，使得应用程序可以通过插件式的方式添加、替换和扩展功能。
  SPI提供了一种松耦合的方式，允许应用程序在不修改源代码的情况下，通过添加新的服务提供者实现来扩展功能。

ServiceLoader

//ServiceLoader实现了Iterable接口，可以遍历所有的服务实现者
public final class ServiceLoader<S>
    implements Iterable<S>
{

    //查找配置文件的目录
    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

    //表示要被加载的服务的类或接口
    private final Class<S> service;

    //这个ClassLoader用来定位，加载，实例化服务提供者
    private final ClassLoader loader;

    // 访问控制上下文
    private final AccessControlContext acc;

    // 缓存已经被实例化的服务提供者，按照实例化的顺序存储
    private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

    // 迭代器
    private LazyIterator lookupIterator;


    //重新加载，就相当于重新创建ServiceLoader了，用于新的服务提供者安装到正在运行的Java虚拟机中的情况。
    public void reload() {
        //清空缓存中所有已实例化的服务提供者
        providers.clear();
        //新建一个迭代器，该迭代器会从头查找和实例化服务提供者
        lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
    }

    //私有构造器
    //使用指定的类加载器和服务创建服务加载器
    //如果没有指定类加载器，使用系统类加载器，就是应用类加载器。
    private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
        service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
        loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
        acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
        reload();
    }

    //解析失败处理的方法
    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);
    }

    //解析服务提供者配置文件中的一行
    //首先去掉注释校验，然后保存
    //返回下一行行号
    //重复的配置项和已经被实例化的配置项不会被保存
    private int parseLine(Class<?> service, URL u, BufferedReader r, int lc,
                          List<String> names)
        throws IOException, ServiceConfigurationError
    {
        //读取一行
        String ln = r.readLine();
        if (ln == null) {
            return -1;
        }
        //#号代表注释行
        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;
    }

    //解析配置文件，解析指定的url配置文件
    //使用parseLine方法进行解析，未被实例化的服务提供者会被保存到缓存中去
    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);
        }
        return names.iterator();
    }

    //服务提供者查找的迭代器
    private class LazyIterator
        implements Iterator<S>
    {

        Class<S> service;//服务提供者接口
        ClassLoader loader;//类加载器
        Enumeration<URL> configs = null;//保存实现类的url
        Iterator<String> pending = null;//保存实现类的全名
        String nextName = null;//迭代器中下一个实现类的全名

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

        private boolean hasNextService() {
            if (nextName != null) {
                return true;
            }
            if (configs == null) {
                try {
                    String fullName = PREFIX   service.getName();
                    if (loader == null)
                        configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
                    else
                        configs = loader.getResources(fullName);
                }
            }
            while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
                if (!configs.hasMoreElements()) {
                    return false;
                }
                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 {
                c = Class.forName(cn, false, loader);
            }
            if (!service.isAssignableFrom(c)) {
                fail(service, "Provider "   cn    " not a subtype");
            }
            try {
                S p = service.cast(c.newInstance());
                providers.put(cn, p);
                return p;
            }
        }

        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();
        }

    }

    //获取迭代器
    //返回遍历服务提供者的迭代器
    //以懒加载的方式加载可用的服务提供者
    //懒加载的实现是：解析配置文件和实例化服务提供者的工作由迭代器本身完成
    public Iterator<S> iterator() {
        return new Iterator<S>() {
            //按照实例化顺序返回已经缓存的服务提供者实例
            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();
            }

        };
    }

    //为指定的服务使用指定的类加载器来创建一个ServiceLoader
    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
                                            ClassLoader loader)
    {
        return new ServiceLoader<>(service, loader);
    }

    //使用线程上下文的类加载器来创建ServiceLoader
    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        return ServiceLoader.load(service, cl);
    }

    //使用扩展类加载器为指定的服务创建ServiceLoader
    //只能找到并加载已经安装到当前Java虚拟机中的服务提供者，应用程序类路径中的服务提供者将被忽略
    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);
    }

    public String toString() {
        return "java.util.ServiceLoader["   service.getName()   "]";
    }

}

  首先，ServiceLoader实现了Iterable接口，所以它有迭代器的属性，这里主要都是实现了迭代器的hasNext和next方法。这里主要都是调用的lookupIterator的相应hasNext和next方法，lookupIterator是懒加载迭代器。

  其次，LazyIterator中的hasNext方法，静态变量PREFIX就是META-INF/services/目录，这也就是为什么需要在classpath下的META-INF/services/目录里创建一个以服务接口命名的文件。

  最后，通过反射方法Class.forName()加载类对象，并用newInstance方法将类实例化，并把实例化后的类缓存到providers对象中，(LinkedHashMap<String,S>类型）然后返回实例对象。

  所以我们可以看到ServiceLoader不是实例化以后，就去读取配置文件中的具体实现，并进行实例化。而是等到使用迭代器去遍历的时候，才会加载对应的配置文件去解析，调用hasNext方法的时候会去加载配置文件进行解析，调用next方法的时候进行实例化并缓存。所有的配置文件只会加载一次，服务提供者也只会被实例化一次，重新加载配置文件可使用reload方法。

JDK SPI、Spring SPI、Dubbo SPI综合对比

这篇好文章是转载于：学新通技术网