Java SPI机制分析

本文涉及的产品
云数据库 RDS MySQL,集群系列 2核4GB
推荐场景:
搭建个人博客
RDS MySQL Serverless 基础系列,0.5-2RCU 50GB
云数据库 RDS MySQL,高可用系列 2核4GB
简介: 文章深入分析了Java SPI机制,以JDBC为例,详细探讨了服务提供者接口的发现、加载过程,并提供了一个序列化服务的实战示例,展示了如何使用ServiceLoader进行服务发现和扩展。

SPI概述

SPI全称为(Service Provider Interface) ,是JDK内置的一种服务提供发现机制;主要被框架的开发人员使用,比如java.sql.Driver接口,数据库厂商实现此接口即可,当然要想让系统知道具体实现类的存在,还需要使用固定的存放规则,需要在classpath下的META-INF/services/目录里创建一个以服务接口命名的文件,这个文件里的内容就是这个接口的具体的实现类;下面以JDBC为实例来进行具体的分析。

JDBC驱动

1.准备驱动包

<dependency>
            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
            <version>5.1.47</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.postgresql</groupId>
            <artifactId>postgresql</artifactId>
            <version>42.2.2</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.microsoft.sqlserver</groupId>
            <artifactId>mssql-jdbc</artifactId>
            <version>7.0.0.jre8</version>
        </dependency>

分别准备了mysql,postgresql和sqlserver,可以打开jar,发现每个jar包的META-INF/services/都存在一个java.sql.Driver文件,文件里面存在一个或多个类名,比如mysql:

com.mysql.jdbc.Driver
com.mysql.fabric.jdbc.FabricMySQLDriver

提供的每个驱动类占据一行,解析的时候会按行读取,具体使用哪个会根据url来决定;

2.简单实例

String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/db3";
String username = "root";
String password = "root";
String sql = "update travelrecord set name=\'bbb\' where id=1";
Connection con = DriverManager.getConnection(url, username, password);

类路径下存在多个驱动包,具体在使用DriverManager.getConnection应该使用哪个驱动类会解析url来识别,不同的数据库有不同的url前缀;

3.驱动类加载分析

具体META-INF/services/下的驱动类是什么时候加载的,DriverManager有一个静态代码块:

static {
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized");
}

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);
        }
    }
}

在加载DriverManager类的时候会执行loadInitialDrivers方法,方法内通过了两种加载驱动类的方式,分别是:使用系统变量方式和ServiceLoader加载方式;系统变量方式其实就是在变量jdbc.drivers中配置好驱动类,然后使用Class.forName进行加载;下面重点看一下ServiceLoader方式,此处调用了load方法但是并没有真正去加载驱动类,而是返回了一个LazyIterator,后面的代码就是循环变量迭代器:

private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

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;
        }

        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;
        }

        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
        }
        ......
    }

类中指定了一个静态常量PREFIX = “META-INF/services/”,然后和java.sql.Driver拼接组成了fullName,然后通过类加载器去获取所有类路径下java.sql.Driver文件,获取之后存放在configs中,里面的每个元素对应一个文件,每个文件中可能会存在多个驱动类,所以使用pending用来存放每个文件中的驱动信息,获取驱动信息之后在nextService中使用Class.forName加载类信息,并且指定不进行初始化;同时在下面使用newInstance对驱动类进行了实例化操作;每个驱动类中都提供了一个静态注册代码块,比如mysql:

static {
    try {
        java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
    } catch (SQLException E) {
        throw new RuntimeException("Can't register driver!");
    }
}

这里又实例化了一个驱动类,同时注册到DriverManager;接下来就是调用DriverManager的getConnection方法,代码如下:

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");
   }

此方法主要是遍历之前注册的DriverInfo,拿着url信息去每个驱动类中建立连接,当然每个驱动类中都会进行url匹配校验,成功之后返回Connection,如果中途有失败的连接并不影响尝试新的驱动连接,遍历完之后还是无法获取连接,则抛出异常;

4.扩展

如果想扩展新的驱动类也很简单,只需要在类路径下创建META-INF/services/文件夹,同时在里面创建java.sql.Driver文件,在文件中写入具体的驱动类名称,当然此类需要继承java.sql.Driver接口类;例如实例中提供的TestDriver。

序列化实战

1.准备接口类

public interface Serialization {

    /**
     * 序列化
     * 
     * @param obj
     * @return
     */
    public byte[] serialize(Object obj) throws Exception;

    /**
     * 反序列化
     * 
     * @param param
     * @param clazz
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public <T> T deserialize(byte[] param, Class<T> clazz) throws Exception;

    /**
     * 序列化名称
     * 
     * @return
     */
    public String getName();

}

2.准备实现类

分别准备JsonSerialization和ProtobufSerialization

3.接口文件

在META-INF/services/目录下创建文件com.spi.serializer.Serialization,内容如下:

com.spi.serializer.JsonSerialization
com.spi.serializer.ProtobufSerialization

4.提供Manager类

public class SerializationManager {

    private static Map<String, Serialization> map = new HashMap<>();

    static {
        loadInitialSerializer();
    }

    private static void loadInitialSerializer() {
        ServiceLoader<Serialization> loadedSerializations = ServiceLoader.load(Serialization.class);
        Iterator<Serialization> iterator = loadedSerializations.iterator();

        try {
            while (iterator.hasNext()) {
                Serialization serialization = iterator.next();
                map.put(serialization.getName(), serialization);
            }
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
        }
    }

    public static Serialization getSerialization(String name) {
        return map.get(name);
    }
}

提供类似DriverManager的SerializationManager类,在加载类的时候加载所有配置的序列化方式;提供一个getSerialization的今天方法类似getConnection;

总结

本文以JDBC驱动为实例,重点对使用ServiceLoader方式服务发现进行分析,同时提供了序列化的简单实战;dubbo也提供了类似的SPI方式,核心类是ExtensionLoader,比起java官方提供的ServiceLoader功能更强大,后续继续分析一下dubbo的SPI方式,然后进行一个对比。

示例代码地址

https://github.com/ksfzhaohui…
https://gitee.com/OutOfMemory…

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