如何理解Java中的SPI機制

本篇內容介紹了“如何理解Java中的SPI機制”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

SPI的概念

SPI在Java中的全稱為Service Provider  Interface，是JDK內置的一種服務提供發現機制，是Java提供的一套用來被第三方實現或者擴展的API，它可以用來啟用框架擴展和替換組件。

JAVA SPI = 基于接口的編程+策略模式+配置文件的動態加載機制

SPI的使用場景

Java是一種面向對象語言，雖然Java8開始支持函數式編程和Stream，但是總體來說，還是面向對象的語言。在使用Java進行面向對象開發時，一般會推薦使用基于接口的編程，程序的模塊與模塊之前不會直接進行實現類的硬編碼。而在實際的開發過程中，往往一個接口會有多個實現類，各實現類要么實現的邏輯不同，要么使用的方式不同，還有的就是實現的技術不同。為了使調用方在調用接口的時候，明確的知道自己調用的是接口的哪個實現類，或者說為了實現在模塊裝配的時候不用在程序里動態指明，這就需要一種服務發現機制。Java中的SPI加載機制能夠滿足這樣的需求，它能夠自動尋找某個接口的實現類。

大量的框架使用了Java的SPI技術，如下：

(1)JDBC加載不同類型的數據庫驅動 (2)日志門面接口實現類加載，SLF4J加載不同提供商的日志實現類 (3)Spring中大量使用了SPI

對servlet3.0規范

對ServletContainerInitializer的實現

自動類型轉換Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI)等

(4)Dubbo里面有很多個組件，每個組件在框架中都是以接口的形成抽象出來!具體的實現又分很多種，在程序執行時根據用戶的配置來按需取接口的實現

SPI的使用

當服務的提供者，提供了接口的一種實現后，需要在Jar包的META-INF/services/目錄下，創建一個以接口的名稱(包名.接口名的形式)命名的文件，在文件中配置接口的實現類(完整的包名+類名)。

當外部程序通過java.util.ServiceLoader類裝載這個接口時，就能夠通過該Jar包的META/Services/目錄里的配置文件找到具體的實現類名，裝載實例化，完成注入。同時，SPI的規范規定了接口的實現類必須有一個無參構造方法。

SPI中查找接口的實現類是通過java.util.ServiceLoader，而在java.util.ServiceLoader類中有一行代碼如下：

// 加載具體實現類信息的前綴，也就是以接口命名的文件需要放到Jar包中的META-INF/services/目錄下 private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

這也就是說，我們必須將接口的配置文件寫到Jar包的META/Services/目錄下。

SPI實例

這里，給出一個簡單的SPI使用實例，演示在Java程序中如何使用SPI動態加載接口的實現類。

注意：實例是基于Java8進行開發的。

1.創建Maven項目

在IDEA中創建Maven項目spi-demo，如下：

2.編輯pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"          xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"          xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">  <artifactId>spi-demo</artifactId> <groupId>io.binghe.spi</groupId> <packaging>jar</packaging> <version>1.0.0-SNAPSHOT</version> <modelVersion>4.0.0</modelVersion>  <build>     <plugins>         <plugin>             <groupId>org.springframework.boot</groupId>             <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>         </plugin>         <plugin>             <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>             <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>             <version>3.6.0</version>             <configuration>                 <source>1.8</source>                 <target>1.8</target>             </configuration>         </plugin>     </plugins> </build>  </project>

3.創建類加載工具類

在io.binghe.spi.loader包下創建MyServiceLoader，MyServiceLoader類中直接調用JDK的ServiceLoader類加載Class。代碼如下所示。

package io.binghe.spi.loader;   import java.util.ServiceLoader;   /**  * @author binghe  * @version 1.0.0  * @description 類加載工具  */ public class MyServiceLoader {       /**      * 使用SPI機制加載所有的Class      */     public static <S> ServiceLoader<S> loadAll(final Class<S> clazz) {         return ServiceLoader.load(clazz);     } }

4.創建接口

在io.binghe.spi.service包下創建接口MyService，作為測試接口，接口中只有一個方法，打印傳入的字符串信息。代碼如下所示：

package io.binghe.spi.service;   /**  * @author binghe  * @version 1.0.0  * @description 定義接口  */ public interface MyService {       /**      *  打印信息      */     void print(String info); }

5.創建接口的實現類

(1)創建第一個實現類MyServiceA

在io.binghe.spi.service.impl包下創建MyServiceA類，實現MyService接口。代碼如下所示：

package io.binghe.spi.service.impl; import io.binghe.spi.service.MyService;   /**  * @author binghe  * @version 1.0.0  * @description 接口的第一個實現  */ public class MyServiceA implements MyService {     @Override     public void print(String info) {         System.out.println(MyServiceA.class.getName() + " print " + info);     } }

(2)創建第二個實現類MyServiceB

在io.binghe.spi.service.impl包下創建MyServiceB類，實現MyService接口。代碼如下所示：

package io.binghe.spi.service.impl;   import io.binghe.spi.service.MyService;   /**  * @author binghe  * @version 1.0.0  * @description 接口第二個實現  */ public class MyServiceB implements MyService {     @Override     public void print(String info) {         System.out.println(MyServiceB.class.getName() + " print " + info);     } }

6.創建接口文件

在項目的src/main/resources目錄下創建META/Services/目錄，在目錄中創建io.binghe.spi.service.MyService文件，注意：文件必須是接口MyService的全名，之后將實現MyService接口的類配置到文件中，如下所示：

io.binghe.spi.service.impl.MyServiceA io.binghe.spi.service.impl.MyServiceB

7.創建測試類

在項目的io.binghe.spi.main包下創建Main類，該類為測試程序的入口類，提供一個main()方法，在main()方法中調用ServiceLoader類加載MyService接口的實現類。并通過Java8的Stream將結果打印出來，如下所示：

package io.binghe.spi.main;   import io.binghe.spi.loader.MyServiceLoader; import io.binghe.spi.service.MyService;   import java.util.ServiceLoader; import java.util.stream.StreamSupport;   /**  * @author binghe  * @version 1.0.0  * @description 測試的main方法  */ public class Main {       public static void main(String[] args){         ServiceLoader<MyService> loader = MyServiceLoader.loadAll(MyService.class);         StreamSupport.stream(loader.spliterator(), false).forEach(s -> s.print("Hello World"));     } }

8.測試實例

運行Main類中的main()方法，打印出的信息如下所示：

io.binghe.spi.service.impl.MyServiceA print Hello World io.binghe.spi.service.impl.MyServiceB print Hello World  Process finished with exit code 0

通過打印信息可以看出，通過Java SPI機制正確加載出接口的實現類，并調用接口的實現方法。

源碼解析

這里，主要是對SPI的加載流程涉及到的java.util.ServiceLoader的源碼的解析。

進入java.util.ServiceLoader的源碼，可以看到ServiceLoader類實現了java.lang.Iterable接口，如下所示。

public final class ServiceLoader<S>  implements Iterable<S>

說明ServiceLoader類是可以遍歷迭代的。

java.util.ServiceLoader類中定義了如下的成員變量：

// 加載具體實現類信息的前綴，也就是以接口命名的文件需要放到Jar包中的META-INF/services/目錄下 private static final String PREFIX = "META-INF/services/";  // 需要加載的接口 private final Class<S> service;  // 類加載器，用于加載以接口命名的文件中配置的接口的實現類 private final ClassLoader loader;  // 創建ServiceLoader時采用的訪問控制上下文環境 private final AccessControlContext acc;  // 用來緩存已經加載的接口實現類，其中，Key是接口實現類的完整類名，Value為實現類對象 private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();  // 用于延遲加載實現類的迭代器 private LazyIterator lookupIterator;

可以看到ServiceLoader類中定義了加載前綴為“META-INF/services/”，所以，接口文件必須要在項目的src/main/resources目錄下的META-INF/services/目錄下創建。

從MyServiceLoader類調用ServiceLoader.load(clazz)方法進入源碼，如下所示：

//根據類的Class對象加載指定的類，返回ServiceLoader對象 public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {  //獲取當前線程的類加載器  ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  //動態加載指定的類，將類加載到ServiceLoader中  return ServiceLoader.load(service, cl); }

方法中調用了ServiceLoader.load(service, cl)方法，繼續跟蹤代碼，如下所示：

//通過ClassLoader加載指定類的Class，并將返回結果封裝到ServiceLoader對象中 public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader){  return new ServiceLoader<>(service, loader); }

可以看到ServiceLoader.load(service,  cl)方法中，調用了ServiceLoader類的構造方法，繼續跟進代碼，如下所示：

//構造ServiceLoader對象 private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {  //如果傳入的Class對象為空，則判處空指針異常  service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");  //如果傳入的ClassLoader為空，則通過ClassLoader.getSystemClassLoader()獲取，否則直接使用傳入的ClassLoader  loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;  acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;  reload();

繼續跟reload()方法，如下所示。

//重新加載 public void reload() {  //清空保存加載的實現類的LinkedHashMap  providers.clear();  //構造延遲加載的迭代器  lookupIterator = new LazyIterator(service, loader); }

繼續跟進懶加載迭代器的構造函數，如下所示。

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

可以看到，會將需要加載的接口的Class對象和類加載器賦值給LazyIterator的成員變量。

當我們在程序中迭代獲取對象實例時，首先在成員變量providers中查找是否有緩存的實例對象。如果存在則直接返回，否則調用lookupIterator延遲加載迭代器進行加載。

迭代器進行邏輯判斷的代碼如下所示：

//迭代ServiceLoader的方法 public Iterator<S> iterator() {  return new Iterator<S>() {   //獲取保存實現類的LinkedHashMap<String,S>的迭代器   Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();   //判斷是否有下一個元素   public boolean hasNext() {    //如果knownProviders存在元素，則直接返回true    if (knownProviders.hasNext())     return true;    //返回延遲加載器是否存在元素    return lookupIterator.hasNext();   }   //獲取下一個元素   public S next() {    //如果knownProviders存在元素，則直接獲取    if (knownProviders.hasNext())     return knownProviders.next().getValue();    //獲取延遲迭代器lookupIterator中的元素    return lookupIterator.next();   }    public void remove() {    throw new UnsupportedOperationException();   }  }; }

LazyIterator加載類的流程如下代碼所示

//判斷是否擁有下一個實例 private boolean hasNextService() {  //如果擁有下一個實例，直接返回true  if (nextName != null) {   return true;  }  //如果實現類的全名為null  if (configs == null) {   try {    //獲取全文件名，文件相對路徑+文件名稱（包名+接口名）    String fullName = PREFIX + service.getName();    //類加載器為空，則通過ClassLoader.getSystemResources()方法獲取    if (loader == null)     configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);    else     //類加載器不為空，則直接通過類加載器獲取     configs = loader.getResources(fullName);   } catch (IOException x) {    fail(service, "Error locating configuration files", x);   }  }  while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {   //如果configs中沒有更過的元素，則直接返回false   if (!configs.hasMoreElements()) {    return false;   }   //解析包結構   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 {   //加載類對象   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 {   //通過c.newInstance()生成對象實例   S p = service.cast(c.newInstance());   //將生成的對象實例保存到緩存中（LinkedHashMap<String,S>）   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);  } }

最后，給出整個java.util.ServiceLoader的類，如下所示：

package java.util;  import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.InputStreamReader; import java.net.URL; import java.security.AccessControlContext; import java.security.AccessController; import java.security.PrivilegedAction;   public final class ServiceLoader<S>  implements Iterable<S> {     // 加載具體實現類信息的前綴，也就是以接口命名的文件需要放到Jar包中的META-INF/services/目錄下     private static final String PREFIX = "META-INF/services/";      // 需要加載的接口     private final Class<S> service;          // 類加載器，用于加載以接口命名的文件中配置的接口的實現類     private final ClassLoader loader;          // 創建ServiceLoader時采用的訪問控制上下文環境     private final AccessControlContext acc;          // 用來緩存已經加載的接口實現類，其中，Key是接口實現類的完整類名，Value為實現類對象     private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();          // 用于延遲加載實現類的迭代器     private LazyIterator lookupIterator;          //重新加載     public void reload() {         //清空保存加載的實現類的LinkedHashMap         providers.clear();         //構造延遲加載的迭代器         lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);     }          //構造ServiceLoader對象     private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {         //如果傳入的Class對象為空，則判處空指針異常         service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");         //如果傳入的ClassLoader為空，則通過ClassLoader.getSystemClassLoader()獲取，否則直接使用傳入的ClassLoader         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.     //     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);             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;     }          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 lookupload     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;         }              //判斷是否擁有下一個實例         private boolean hasNextService() {             //如果擁有下一個實例，直接返回true             if (nextName != null) {                 return true;             }             //如果實現類的全名為null             if (configs == null) {                 try {                     //獲取全文件名，文件相對路徑+文件名稱（包名+接口名）                     String fullName = PREFIX + service.getName();                     //類加載器為空，則通過ClassLoader.getSystemResources()方法獲取                     if (loader == null)                         configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);                     else                         //類加載器不為空，則直接通過類加載器獲取                         configs = loader.getResources(fullName);                 } catch (IOException x) {                     fail(service, "Error locating configuration files", x);                 }             }             while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {                 //如果configs中沒有更過的元素，則直接返回false                 if (!configs.hasMoreElements()) {                     return false;                 }                 //解析包結構                 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 {                 //加載類對象                 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 {                 //通過c.newInstance()生成對象實例                 S p = service.cast(c.newInstance());                 //將生成的對象實例保存到緩存中（LinkedHashMap<String,S>）                 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();         }          }          //迭代ServiceLoader的方法     public Iterator<S> iterator() {         return new Iterator<S>() {             //獲取保存實現類的LinkedHashMap<String,S>的迭代器             Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();             //判斷是否有下一個元素             public boolean hasNext() {                 //如果knownProviders存在元素，則直接返回true                 if (knownProviders.hasNext())                     return true;                 //返回延遲加載器是否存在元素                 return lookupIterator.hasNext();             }             //獲取下一個元素             public S next() {                 //如果knownProviders存在元素，則直接獲取                 if (knownProviders.hasNext())                     return knownProviders.next().getValue();                 //獲取延遲迭代器lookupIterator中的元素                 return lookupIterator.next();             }                  public void remove() {                 throw new UnsupportedOperationException();             }              };     }          //通過ClassLoader加載指定類的Class，并將返回結果封裝到ServiceLoader對象中     public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,                                             ClassLoader loader)     {         return new ServiceLoader<>(service, loader);     }          //根據類的Class對象加載指定的類，返回ServiceLoader對象     public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {         //獲取當前線程的類加載器         ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();         //動態加載指定的類，將類加載到ServiceLoader中         return ServiceLoader.load(service, cl);     }          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);     }          /**      * Returns a string describing this service.      *      * @return  A descriptive string      */     public String toString() {         return "java.util.ServiceLoader[" + service.getName() + "]";     } }

SPI總結

最后，對Java提供的SPI機制進行簡單的總結。

優點：

能夠實現項目解耦，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，而不是耦合在一起。應用程序可以根據實際業務情況啟用框架擴展或替換框架組件。

缺點：

• 多個并發多線程使用ServiceLoader類的實例是不安全的

• 雖然ServiceLoader也算是使用的延遲加載，但是基本只能通過遍歷全部獲取，也就是接口的實現類全部加載并實例化一遍。

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