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什么是 SPI 机制
SPI （Service Provider Interface）是 Java 内置的一种服务提供发现机制，将功能的实现交给第三方，用来拓展和替换组件。
SPI 的核心思想是解耦，将接口的定义和实现分开两部分处理。接口的调用方负责定义接口，而实现则由第三方去实现。
SPI 机制允许将功能的实现抽离出原本的模块，在模块化设计中颇为受用。
当服务的提供者实现了一种接口之后，需要在自己的 classpath 下的 META-INF/services 目录新建一个文件，文件名是接口的名称，内容是接口的实现类的全限定名称，每个实现类占一行。
SPI 机制的简单示例
假设当前有一个 DataSearch 接口，搜索的实现可以基于数据库或者 Elastic Search 实现。
这里采用 Maven 多模块的方式来模拟调用方和服务提供方可能不在同一个包内。
目录结构：
-
先定义好接口
package com.jia.spidemo; public interface DataSearch { /** * 数据查询 */ void search(); } -
MySQL 数据库实现，并在 resource 下新建
META-INF/services/com.jia.spidemo.DataSearch文件，内容为com.jia.spidemo.MySqlSearchpackage com.jia.spidemo; public class MySqlSearch implements DataSearch { @Override public void search() { System.out.println("MySQL Search"); } } -
Elastic Search 全文搜索，并在 resource 下新建
META-INF/services/com.jia.spidemo.DataSearch文件，内容为com.jia.spidemo.ElasticSearchpackage com.jia.spidemo; public class ElasticSearch implements DataSearch{ @Override public void search() { System.out.println("Elastic Search"); } } -
测试
package com.jia.spidemo; public class Application { public static void main(String[] args) { ServiceLoader<DataSearch> serviceLoader = ServiceLoader.load(DataSearch.class); Iterator<DataSearch> iterator = serviceLoader.iterator(); while (iterator.hasNext()) { // 只有在调用 next 方法时，才会创建对应的实例 DataSearch ds = iterator.next(); ds.search(); } } }
可以看到输出结果：
MySQL Search
Elastic Search
这就是 SPI 的使用方式，示例代码下载
SPI 机制的应用
数据库驱动程序加载
Java数据库连接（JDBC）规范使用了SPI机制，通过在classpath下提供特定命名的配置文件，让开发者可以注册和加载数据库驱动程序的实现类。这样可以实现在运行时根据配置文件加载不同的数据库驱动程序。
SLF4J 日志门面
许多Java日志系统（如SLF4J）使用SPI机制，通过提供不同的实现类来支持不同的日志框架。开发者可以根据需要选择合适的日志实现，并在classpath下提供相应的配置文件，实现日志系统的动态切换和扩展。
插件系统
许多应用程序（比如 Eclipse）或框架都提供了插件机制，允许开发者通过SPI机制来注册和加载插件。这样可以让应用程序在不修改源代码的情况下，通过提供新的插件实现类来扩展功能，实现动态的插件加载和卸载。
Spring 中的 SPI 机制
与 Java 内置的 SPI 有异曲同工之妙的是 Spring 的工厂加载机制，即 Spring Factories Loader，用户先在 META-INF/spring.factories 路径下配置好接口和实现类的关系，然后通过 SpringFactoriesLoader 加载实现类，该机制可以为框架上下文动态的增加扩展。
spring.factories 文件示例：
com.jia.spidemo.spring_factory_test.IUserService=\
com.jia.spidemo.spring_factory_test.UserService,\
com.jia.spidemo.spring_factory_test.UserService2
SPI 的实现原理
package java.util;
// ServiceLoader 实现了 Iterable 接口，
// 通过自己的内部迭代器可以遍历所有的服务实现类
public final class ServiceLoader<S>
implements Iterable<S>
{
// 规定的配置文件路径
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
// 服务接口的 Class
private final Class<S> service;
// 用来加载服务实现实例的类加载器，用来定位、加载和实例化提供者
private final ClassLoader loader;
// 访问控制上下文，用来限制对敏感操作的访问权限
private final AccessControlContext acc;
// 缓存服务实现类，并保证加载的顺序缓存
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// ServiceLoader 实现的内部迭代器
private LazyIterator lookupIterator;
// 重新加载所有的实现类，相当重新创建了 ServiceLoader
// 这个方法用来在 JVM 运行时，加载新的服务提供者
public void reload() {
providers.clear();
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
// 私有构造器，使用指定的类加载器加载服务实例
// 如果没有指定类加载器，则使用应用类加载器
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
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);
}
// 解析配置文件的某一行，先去掉注释，然后判断该行是否含有非法字符
// 将成功解析的结果放入到 names 列表中，重复的配置项和已经被加载的服务项不会被放入列表
// 返回下一行的行号
private int parseLine(Class<?> service, URL u, BufferedReader r, int lc,
List<String> names)
throws IOException, ServiceConfigurationError
{
String ln = r.readLine();
if (ln == null) {
return -1;
}
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);
// 通过调用isJavaIdentifierStart方法，
// 可以方便地检查一个字符是否符合Java标识符的开始条件（就是 Java 定义的合法标识符开头，'a', '_', '$'）
// 从而进行合法性验证或进行相应的处理。
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;
}
// 加载给定的 URL 作为配置文件
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();
}
// 私有的内部懒加载迭代器
private class LazyIterator
implements Iterator<S>
{
Class<S> service;
ClassLoader loader;
Enumeration<URL> configs = null;
Iterator<String> pending = null;
String nextName = null;
private LazyIterator(Class<S> service, ClassLoader loader) {
this.service = service;
this.loader = loader;
}
// 加载
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);
} catch (IOException x) {
fail(service, "Error locating configuration files", x);
}
}
while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
if (!configs.hasMoreElements()) {
return false;
}
pending = parse(service, configs.nextElement());
}
nextName = pending.next();
return true;
}
// 调用 nextService 方法时才会去实例化服务类
private S nextService() {
if (!hasNextService())
throw new NoSuchElementException();
String cn = nextName;
nextName = null;
Class<?> c = null;
try {
c = Class.forName(cn, false, loader);
} catch (ClassNotFoundException x) {
fail(service,
"Provider " + cn + " not found");
}
if (!service.isAssignableFrom(c)) {
fail(service,
"Provider " + cn + " not a subtype");
}
try {
S p = service.cast(c.newInstance());
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);
}
}
// 不支持删除元素
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
// 以懒加载的方式返回一个获取服务提供者的迭代器
// 懒加载的意思是：在迭代的过程中去加载配置文件和实例化服务提供者
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();
}
};
}
// 使用给定的类型和类加载器创建一个 ServiceLoader
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
ClassLoader loader)
{
return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
// 使用给定的类型和线程上下文类加载器创建 ServiceLoader
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
// 使用给定类型和拓展类加载器创建 ServiceLoader
// 只会加载 JVM 已经安装的服务提供者，用户的应用程序类路径下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() + "]";
}
}
- ServiceLoader 实现了 Iterable 接口，加载配置文件和实例化服务提供者的工作都交给了迭代器来做，这个加载器是懒加载器，只有在遍历时才会去加载，
hasNext()方法加载配置文件，next()方法实例化服务提供者。 - 静态变量
PREFIX = "META-INF/services/"规定了配置文件必须放在META-INF/services/路径下。 - 服务提供者实例化是调用
Class.forName()方法进行的，实例化之后，服务提供者会被缓存在providers有序列表中。
SPI 机制的缺陷
- ServiceLoader 不是线程安全的，多个线程同时使用会有并发问题；
- 不能按需加载，每次都需要通过遍历来获取，对于不想要和实例化很耗时的类，也会被实例化；
- 获取的方式只能通过 Iterator 方式获取，不够灵活。
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