本文深入讲解Java SPI(Service Provider Interface)机制，包括其概念、使用场景、实践案例与源码解析，展示如何通过SPI机制实现模块间解耦，提高代码灵活性。
1.概念
正式步入今天的核心内容之前，溪源先给大家介绍一下关于SPI机制的相关概念，最后会提供实践源代码。
SPI即Service Provider Interface，属于JDK内置的一种动态的服务提供发现机制，可以理解为运行时动态加载接口的实现类。更甚至，大家可以将SPI机制与设计模式中的策略模式建立联系。
SPI机制：
从上图中理解SPI机制：标准化接口+策略模式+配置文件；
SPI机制核心思想：系统设计的各个抽象，往往有很多不同的实现方案，在面向的对象的设计里，一般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。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制
使用场景：
数据库驱动加载：面对不同厂商的数据库，JDBC需要加载不同类型的数据库驱动；
日志接口实现：SLF4J加载不同日志实现类；
溪源在实际开发中也使用了SPI机制：面对不同仪器平台的结果文件上传需要解析具体的结果，文件不同，解析逻辑不同，因此采用SPI机制能够解耦和降低维护成本；
SPI机制使用约定：
从上面的图中，我们可以清晰的知道SPI的三部分：接口+实现类+配置文件；因此，项目中若要利用SPI机制，则需要遵循以下约定：
当服务提供者提供了接口的一种具体实现后，在jar包的META-INF/services目录下创建一个以“接口全限定名”为命名的文件，内容为实现类的全限定名。
主程序通过java.util.ServiceLoder动态装载实现模块，它通过扫描META-INF/services目录下的配置文件找到实现类的全限定名，把类加载到JVM；
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2.实践
整体包结构如图：
新建标准化接口：
public interface SayService {
void say(String word);
}
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建立两个实现类
@Service
public class ASayServiceImpl implements SayService {
@Override
public void say(String word) {
System.out.println(word + " A say: I am a boy");
}
}
@Service
public class BSayServiceImpl implements SayService {
@Override
public void say(String word) {
System.out.println(word + " B say: I am a girl");
}
}
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新建META-INF/services目录和配置文件（以接口全限定名）
配置文件内容为实现类全限定名
com.qxy.spi.impl.ASayServiceImpl
com.qxy.spi.impl.BSayServiceImpl
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单测
@SpringBootTest
@RunWith(SpringRunner.class)
public class SpiTest {
static ServiceLoader<SayService> services = ServiceLoader.load(SayService.class);
@Test
public void test1() {
for (SayService sayService : services) {
sayService.say("Hello");
}
}
}
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结果
Hello A say: I am a boy
Hello B say: I am a girl
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3.源码
源码主要加载流程如下：
应用程序调用ServiceLoader.load方法 ServiceLoader.load方法内先创建一个新的ServiceLoader，并实例化该类中的成员变量；
loader(ClassLoader类型，类加载器)
acc(AccessControlContext类型，访问控制器)
providers(LinkedHashMap<String,S>类型，用于缓存加载成功的类)
lookupIterator(实现迭代器功能)
应用程序通过迭代器接口获取对象实例 ServiceLoader先判断成员变量providers对象中(LinkedHashMap<String,S>类型)是否有缓存实例对象，如果有缓存，直接返回。如果没有缓存，执行类的装载。
读取META-INF/services/下的配置文件，获得所有能被实例化的类的名称，值得注意的是，ServiceLoader可以跨越jar包获取META-INF下的配置文件；
通过反射方法Class.forName()加载类对象，并用instance()方法将类实例化。
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。
public final class ServiceLoader
implements Iterable
{
// 加载具体实现类信息的前缀
private static final String PREFIX = “META-INF/services/”;
// 需要加载的接口
// The class or interface representing the service being loaded
private final Class<S> service;
// 用于加载的类加载器
// The class loader used to locate, load, and instantiate providers
private final ClassLoader loader;
// 创建ServiceLoader时采用的访问控制上下文
// The access control context taken when the ServiceLoader is created
private final AccessControlContext acc;
// 用于缓存已经加载的接口实现类，其中key为实现类的完整类名
// Cached providers, in instantiation order
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// 用于延迟加载接口的实现类
// The current lazy-lookup iterator
private LazyIterator lookupIterator;
public void reload() {
providers.clear();
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
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();
}
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);
}
// Parse a single line from the given configuration file, adding the name
// on the line to the names list.
//具体解析资源文件中的每一行内容
private int parseLine(Class<?> service, URL u, BufferedReader r, int lc,
List<String> names)
throws IOException, ServiceConfigurationError
{
String ln = r.readLine();
if (ln == null) {
//-1表示解析完成
return -1;
}
// 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：' '、'\t'
if ((ln.indexOf(' ') >= 0) || (ln.indexOf('\t') >= 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;
}
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);
} 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);
}
}
return names.iterator();
}
// Private inner class implementing fully-lazy provider lookup
//
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() {
if (nextName != null) {
return true;
}
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全限定名
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 {
//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();
}
}
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();
}
};
}
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
ClassLoader loader)
{
// 返回ServiceLoader的实例
return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
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() + "]";
}
}
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4.总结
SPI机制在实际开发中使用得场景也有很多。特别是统一标准的不同厂商实现，溪源也正是利用SPI机制(但略做改进，避免过多加载资源浪费)实现不同技术平台的结果文件解析需求。
优点
使用Java SPI机制的优势是实现解耦，使得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。
缺点
虽然ServiceLoader也算是使用的延迟加载，但是基本只能通过遍历全部获取，也就是接口的实现类全部加载并实例化一遍。如果你并不想用某些实现类，它也被加载并实例化了，这就造成了浪费。
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