Java SPI机制的原理和实践

SPI 全称 Service Provider Interface，是 Java 提供的，旨在由第三方实现或扩展的 API，它是一种用于动态加载服务的机制。Java 中 SPI 机制主要思想是将装配的控制权移到程序之外，在模块化设计中这个机制尤其重要，其核心思想就是解耦。

一、概述

Java SPI是SPI的一种重要实现方式，是JDK内置的一种服务发现方法，实现逻辑是：调用方通过调用JDK提供的标准化的服务接口，通过本地服务发现，加载第三方或者本地实现了该接口的类，通过这种方式，服务规范制定者制定接口规范，服务提供者按照接口进行实现。在JDK中实现数据库驱动按需加载就是利用SPI的方式实现的，JDK规定了java.sql.Driver接口，其具体实现可以是MySQL或者PostgreSQL，具体实现是第三方的驱动服务方提供，通过SPI机制加载供调用方使用。

1.应用场景

SPI机制应用在服务的规范制定者和服务的实现者需要分离的情况，就是接口中方法的规定和实现是分离的，这种机制经常在可选组件和可选插件的场景中使用，通过SPI的机制将具体的实现加载进来。具体的应用在 Java 的 java.util.spi package 中就约定了很多 SPI 接口。下面，列举一些 SPI 接口：

1. TimeZoneNameProvider: 为 TimeZone 类提供本地化的时区名称。
2. DateFormatProvider: 为指定的语言环境提供日期和时间格式。
3. NumberFormatProvider: 为 NumberFormat 类提供货币、整数和百分比值。
4. Driver: 从 4.0 版开始，JDBC API 支持 SPI 模式。旧版本使用 Class.forName() 方法加载驱动程序。
5. PersistenceProvider: 提供 JPA API 的实现。

2.优点和缺点

优点：

SPI机制的优点是灵活性高，可以通过简单地添加或替换实现类来扩展应用程序的功能。同时，SPI机制也具有一定的可扩展性和可维护性，因为它将应用程序和具体实现解耦，实现了高内聚、低耦合的目标。

缺点：

SPI机制的缺点是需要程序员手动编写实现类并在META-INF/services目录下创建配置文件，这样会增加代码量和工作量。同时，SPI机制也存在安全风险，因为实现类是由外部提供的，可能存在恶意实现类的风险。

二、原理

1.主要组成和原理说明

要通过SPI实现动态服务发现，首先需要了解其主要的组成部分：

1. **SPI 接口：**为服务提供者实现类约定的的接口或抽象类。
2. **SPI 实现类：**实际提供服务的实现类。
3. **SPI 配置：**Java SPI 机制约定的配置文件，提供查找服务实现类的逻辑。配置文件必须置于 META-INF/services 目录中，并且，文件名应与服务提供者接口的完全限定名保持一致。文件中的每一行都有一个实现服务类的详细信息，同样是服务提供者类的完全限定名称。
4. **ServiceLoader：**Java SPI 的核心类，用于加载 SPI 实现类。ServiceLoader 中有各种实用方法来获取特定实现、迭代它们或重新加载服务。

SPI原理说明

实现SPI的动态加载实现类主要是通过ServiceLoader类来实现。首先调用方通过ServiceLoader.load ()静态方法来加载SPI服务，ServiceLoader的成员变量中保存了实现类配置文件位置前缀、实现类信息、实现类ClassLoader信息、实现类实例信息等。

//实现类配置文件位置前缀
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

// The class or interface representing the service being loaded
private final Class<S> service;

// The class loader used to locate, load, and instantiate providers
private final ClassLoader loader;

// The access control context taken when the ServiceLoader is created
private final AccessControlContext acc;

// Cached providers, in instantiation order
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

// The current lazy-lookup iterator
private LazyIterator lookupIterator;

ServiceLoader.load ()方法中调用构造方法ServiceLoader()，构造方法中调用reload() 方法，通过lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);来初始化懒加载的迭代器，查看其next()方法，其核心就是从META-INF/services/ 目录中读取文件，将其转换为Class类对象加载进来。最后Class类对象通过newInstance()方法实例化，这样就根据SPI中的接口信息加载了实现类。

//ServiceLoader.java

//静态方法load（）
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

//将实现类的全限定类名转换为完整路径
        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;
        }

//Class.java

//根据类对象信息生成对象实例
public T newInstance()
    throws InstantiationException, IllegalAccessException
{
    if (System.getSecurityManager() != null) {
        checkMemberAccess(Member.PUBLIC, Reflection.getCallerClass(), false);
    }

    // NOTE: the following code may not be strictly correct under
    // the current Java memory model.

    // Constructor lookup
    if (cachedConstructor == null) {
        if (this == Class.class) {
            throw new IllegalAccessException(
                "Can not call newInstance() on the Class for java.lang.Class"
            );
        }
        try {
            Class<?>[] empty = {};
            final Constructor<T> c = getConstructor0(empty, Member.DECLARED);
            // Disable accessibility checks on the constructor
            // since we have to do the security check here anyway
            // (the stack depth is wrong for the Constructor's
            // security check to work)
            java.security.AccessController.doPrivileged(
                new java.security.PrivilegedAction<Void>() {
                    public Void run() {
                            c.setAccessible(true);
                            return null;
                        }
                    });
            cachedConstructor = c;
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            throw (InstantiationException)
                new InstantiationException(getName()).initCause(e);
        }
    }
    Constructor<T> tmpConstructor = cachedConstructor;
    // Security check (same as in java.lang.reflect.Constructor)
    int modifiers = tmpConstructor.getModifiers();
    if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(this, modifiers)) {
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        if (newInstanceCallerCache != caller) {
            Reflection.ensureMemberAccess(caller, this, null, modifiers);
            newInstanceCallerCache = caller;
        }
    }
    // Run constructor
    try {
        return tmpConstructor.newInstance((Object[])null);
    } catch (InvocationTargetException e) {
        Unsafe.getUnsafe().throwException(e.getTargetException());
        // Not reached
        return null;
    }
}

在代码阅读过程中，有点需要注意，在调用ServiceLoader.load ()方法时，会进行一次重载调用，会多传入了一个新的ClassLoader，这个ClassLoader是ApplicationClassLoader，他的作用是加载目前运行中应用的类对象，需要这样做的原因是JDK的双亲委派机制决定的，即加载ServiceLoader类的ClassLoader是BootstrapClassLoader，所以默认情况通过他去创建的对象也是BootstrapClassLoader，但通过SPI机制需要加载的实现类都在classpath中，无法被加载，所以通过Thread.currentThread().getContextClassLoader();这个方法来获取ApplicationClassLoader。

//ServiceLoader.java

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

//Thread.java

public ClassLoader getContextClassLoader() {
    if (contextClassLoader == null)
        return null;
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        ClassLoader.checkClassLoaderPermission(contextClassLoader,
                                               Reflection.getCallerClass());
    }
    return contextClassLoader;
}

2.SPI在 JDBC DriverManager上的应用案例分析

在JDBC4.0之前，我们开发有连接数据库的时候，通常会用Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")这句先加载数据库相关的驱动，然后再进行获取连接等的操作。而JDBC4.0之后不需要用Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")来加载驱动，直接获取连接就可以了，现在这种方式就是使用了Java的SPI扩展机制来实现。

具体的使用方法是：

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. 服务使用：通过以下方法就能直接使用

String url = "jdbc:xxxx://xxxx:xxxx/xxxx";
Connection conn = DriverManager.getConnection(url,username,password);

原理分析

DriverManager.getConnection(url,username,password);执行的代码逻辑。

//DriverManager.java

//通过用户名密码等信息获取连接
public static Connection getConnection(String url,
    String user, String password) throws SQLException {
    java.util.Properties info = new java.util.Properties();

    if (user != null) {
        info.put("user", user);
    }
    if (password != null) {
        info.put("password", password);
    }

    return (getConnection(url, info, Reflection.getCallerClass()));
}



//通过实例化后的驱动连接数据库
    private static Connection getConnection(
        String url, java.util.Properties info, Class<?> caller) throws SQLException {
        /*
         * When callerCl is null, we should check the application's
         * (which is invoking this class indirectly)
         * classloader, so that the JDBC driver class outside rt.jar
         * can be loaded from here.
         */
        ClassLoader callerCL = caller != null ? caller.getClassLoader() : null;
        synchronized(DriverManager.class) {
            // synchronize loading of the correct classloader.
            if (callerCL == null) {
                callerCL = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            }
        }

        if(url == null) {
            throw new SQLException("The url cannot be null", "08001");
        }

        println("DriverManager.getConnection(\"" + url + "\")");

        // Walk through the loaded registeredDrivers attempting to make a connection.
        // Remember the first exception that gets raised so we can reraise it.
        SQLException reason = null;

        for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) {
            // If the caller does not have permission to load the driver then
            // skip it.
            if(isDriverAllowed(aDriver.driver, callerCL)) {
                try {
                    println("    trying " + aDriver.driver.getClass().getName());
                    Connection con = aDriver.driver.connect(url, info);
                    if (con != null) {
                        // Success!
                        println("getConnection returning " + aDriver.driver.getClass().getName());
                        return (con);
                    }
                } catch (SQLException ex) {
                    if (reason == null) {
                        reason = ex;
                    }
                }

            } else {
                println("    skipping: " + aDriver.getClass().getName());
            }

        }

        // if we got here nobody could connect.
        if (reason != null)    {
            println("getConnection failed: " + reason);
            throw reason;
        }

        println("getConnection: no suitable driver found for "+ url);
        throw new SQLException("No suitable driver found for "+ url, "08001");
    }

DriverManager.java的静态代码段执行loadInitialDrivers();方法，该方法的主要逻辑为：

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。

//DriverManager.java

//静态代码段
static {
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized");
}


//根据配置信息加载对于的数据库驱动
    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;
        }
        // If the driver is packaged as a Service Provider, load it.
        // Get all the drivers through the classloader
        // exposed as a java.sql.Driver.class service.
        // ServiceLoader.load() replaces the sun.misc.Providers()

        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            public Void run() {

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

                /* Load these drivers, so that they can be instantiated.
                 * It may be the case that the driver class may not be there
                 * i.e. there may be a packaged driver with the service class
                 * as implementation of java.sql.Driver but the actual class
                 * may be missing. In that case a java.util.ServiceConfigurationError
                 * will be thrown at runtime by the VM trying to locate
                 * and load the service.
                 *
                 * Adding a try catch block to catch those runtime errors
                 * if driver not available in classpath but it's
                 * packaged as service and that service is there in classpath.
                 */
                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);
            }
        }
    }

通过以上方式，就能把实现Driver接口的驱动实现类加载进来了。

SPI在slf4j上应用的案例分析

todo

三、实践

1.实现步骤

1. 定义接口：定义一个接口，声明一些抽象方法。
2. 创建实现类：创建一个或多个实现该接口的类。
3. 配置文件：在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，每行一个。
4. 加载配置：使用ServiceLoader类加载配置文件并解析出实现类。

2.代码实现

实现通过SPI加载不同数据库实现方式的功能，数据库的实现方式包括Mysql和redis。

（1）实现接口

public interface DataStorage {
    String search(String key);
}

（2）创建实现类

创建2个实现类，分别是Mysql和redis的实现方式。

public class MysqlStorage implements DataStorage{

    @Override
    public String search(String key) {
        return "【Mysql】搜索" + key + "，结果：No";
    }
}

public class RedisStorage implements DataStorage{

    @Override
    public String search(String key) {
        return "【Redis】搜索" + key + "，结果：Yes";
    }
}

（3）配置文件

（4）加载配置

打印出通过SPI加载到的数据库驱动。

import java.util.ServiceLoader;

public class SpiDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ServiceLoader<DataStorage> serviceLoader = ServiceLoader.load(DataStorage.class);
        System.out.println("============ Java SPI 测试============");
        serviceLoader.forEach(loader -> System.out.println(loader.search("Yes Or No")));
    }

}

（5）验证效果

四、总结

（1）SPI的核心思路是什么？

SPI源码的代码逻辑还是比较复杂，但是核心的思路就是通过ApplicationClassloader加载到配置好的实现类，获取ApplicationClassloader的方法是getContextClassLoader()方法，配置类信息记录在约定好的META-INF/services/目录中。

（2）SPI模式和API模式的区别？

两种模式都区分服务提供者和服务调用者的，API的服务实现放在服务提供者方那边，和接口一起提供；SPI的服务实现可以第三方实现或者自己实现，和接口是分开的。

---

TODO

• 补充SPI在slf4j上应用的案例分析；
• 增加Java、Spring、Dubbo三者SPI机制区别的总结；

参考资料

1. 鲜为人知的Java SPI机制：juejin.cn/post/722475...
2. Java常用机制 - SPI机制详解：www.pdai.tech/md/java/adv...
3. 源码级深度理解 Java SPI：zhuanlan.zhihu.com/p/580004065...
4. 阿里一面：说一说Java、Spring、Dubbo三者SPI机制的原理和区别：juejin.cn/post/721060...

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