java实践SPI机制及浅析源码

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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