什么是SPI机制
SPI（Service Provider Interface），是JDK内置的一种 服务提供发现机制，可以用来启用框架扩展和替换组件，主要是被框架的开发人员使用，比如java.sql.Driver接口，其他不同厂商可以针对同一接口做出不同的实现，MySQL和PostgreSQL都有不同的实现提供给用户，而Java的SPI机制可以为某个接口寻找服务实现。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。
当服务的提供者提供了一种接口的实现之后，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。当其他的程序需要这个服务的时候，就可以通过查找这个jar包（一般都是以jar包做依赖）的META-INF/services/中的配置文件，配置文件中有接口的具体实现类名，可以根据这个类名进行加载实例化，就可以使用该服务了。JDK中查找服务的实现的工具类是：java.util.ServiceLoader。
SPI机制的简单示例
我们现在需要使用一个内容搜索接口，搜索的实现可能是基于文件系统的搜索，也可能是基于数据库的搜索。
- 先定义好接口
java
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public interface Search {
public List<String> searchDoc(String keyword);
}
- 文件搜索实现
java
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public class FileSearch implements Search{
@Override
public List<String> searchDoc(String keyword) {
System.out.println("文件搜索 "+keyword);
return null;
}
}
- 数据库搜索实现
java
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public class DatabaseSearch implements Search{
@Override
public List<String> searchDoc(String keyword) {
System.out.println("数据搜索 "+keyword);
return null;
}
}
- 接下来可以在resources下新建
META-INF/services/目录，然后新建接口全限定名的文件：com.cainiao.ys.spi.learn.Search，里面加上我们需要用到的实现类 - 体验AI代码助手
- 代码解读
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com.cainiao.ys.spi.learn.FileSearch
com.cainiao.ys.spi.learn.DatabaseSearch
- 测试方法
java
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public class TestCase {
public static void main(String[] args) {
ServiceLoader<Search> s = ServiceLoader.load(Search.class);
Iterator<Search> iterator = s.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Search search = iterator.next();
search.searchDoc("hello world");
}
}
}
//输出：
//文件搜索 hello world
//数据搜索 hello world
这就是spi的思想，接口的实现由provider实现，provider只用在提交的jar包里的META-INF/services下根据平台定义的接口新建文件，并添加进相应的实现类内容就好。
SPI机制的广泛应用
SPI机制 - JDBC DriverManager
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之后不需要用这句话来加载驱动，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。
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。
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。
postgresql实现
同样在postgresql的jar包postgresql-42.0.0.jar中，也可以找到同样的配置文件，文件内容是org.postgresql.Driver，这是postgresql对Java的java.sql.Driver的实现。
使用方法
上面说了，现在使用SPI扩展来加载具体的驱动，我们在Java中写连接数据库的代码的时候，不需要再使用Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")来加载驱动了，而是直接使用如下代码：
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代码解读
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String url = "jdbc:xxxx://xxxx:xxxx/xxxx";
Connection conn = DriverManager.getConnection(url,username,password);
源码实现
上面的使用方法，就是我们普通的连接数据库的代码，并没有涉及到SPI的东西，但是有一点我们可以确定的是，我们没有写有关具体驱动的硬编码Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")！
上面的代码可以直接获取数据库连接进行操作，但是跟SPI有啥关系呢？上面代码没有了加载驱动的代码，我们怎么去确定使用哪个数据库连接的驱动呢？这里就涉及到使用Java的SPI扩展机制来查找相关驱动的东西了，关于驱动的查找其实都在DriverManager中，DriverManager是Java中的实现，用来获取数据库连接，在DriverManager中有一个静态代码块如下：
java
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static {
loadInitialDrivers();
println("JDBC DriverManager initialized");
}
可以看到是加载实例化驱动的，接着看loadInitialDrivers方法：
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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;
}
AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
public Void run() {
//使用SPI的ServiceLoader来加载接口的实现
ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
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);
}
}
}
上面的代码主要步骤是：
- 从系统变量中获取有关驱动的定义。
- 使用SPI来获取驱动的实现。
- 遍历使用SPI获取到的具体实现，实例化各个实现类。
- 根据第一步获取到的驱动列表来实例化具体实现类。
我们主要关注2,3步，这两步是SPI的用法，首先看第二步，使用SPI来获取驱动的实现，对应的代码是：
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ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
这里没有去META-INF/services目录下查找配置文件，也没有加载具体实现类，做的事情就是封装了我们的接口类型和类加载器，并初始化了一个迭代器。
接着看第三步，遍历使用SPI获取到的具体实现，实例化各个实现类，对应的代码如下：
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//获取迭代器
Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
//遍历所有的驱动实现
while(driversIterator.hasNext()) {
driversIterator.next();
}
在遍历的时候，首先调用driversIterator.hasNext()方法，这里会搜索classpath下以及jar包中所有的META-INF/services目录下的java.sql.Driver文件，并找到文件中的实现类的名字，此时并没有实例化具体的实现类。
然后是调用driversIterator.next();方法，此时就会根据驱动名字具体实例化各个实现类了。现在驱动就被找到并实例化了。
可以看下截图，我在测试项目中添加了两个jar包，mysql-connector-java-6.0.6.jar和postgresql-42.0.0.0.jar，跟踪到DriverManager中之后：
可以看到此时迭代器中有两个驱动，mysql和postgresql的都被加载了。
使用规范
SPI和API的区别是什么
这里实际包含两个问题，第一个SPI和API的区别？第二个什么时候用API，什么时候用SPI？
- SPI - “接口”位于“调用方”所在的“包”中
- 概念上更依赖调用方。
- 组织上位于调用方所在的包中。
- 实现位于独立的包中。
- 常见的例子是：插件模式的插件。
- API - “接口”位于“实现方”所在的“包”中
- 概念上更接近实现方。
- 组织上位于实现方所在的包中。
- 实现和接口在一个包中。
SPI机制实现原理
不妨看下JDK中ServiceLoader<S>方法的具体实现：
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//ServiceLoader实现了Iterable接口，可以遍历所有的服务实现者
public final class ServiceLoader<S>
implements Iterable<S>
{
//查找配置文件的目录
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
//表示要被加载的服务的类或接口
private final Class<S> service;
//这个ClassLoader用来定位，加载，实例化服务提供者
private final ClassLoader loader;
// 访问控制上下文
private final AccessControlContext acc;
// 缓存已经被实例化的服务提供者，按照实例化的顺序存储
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
// 迭代器
private LazyIterator lookupIterator;
//重新加载，就相当于重新创建ServiceLoader了，用于新的服务提供者安装到正在运行的Java虚拟机中的情况。
public void reload() {
//清空缓存中所有已实例化的服务提供者
providers.clear();
//新建一个迭代器，该迭代器会从头查找和实例化服务提供者
lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
//私有构造器
//使用指定的类加载器和服务创建服务加载器
//如果没有指定类加载器，使用系统类加载器，就是应用类加载器。
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();
}
//解析失败处理的方法
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);
}
//解析服务提供者配置文件中的一行
//首先去掉注释校验，然后保存
//返回下一行行号
//重复的配置项和已经被实例化的配置项不会被保存
private int parseLine(Class<?> service, URL u, BufferedReader r, int lc,
List<String> names)
throws IOException, ServiceConfigurationError
{
//读取一行
String ln = r.readLine();
if (ln == null) {
return -1;
}
//#号代表注释行
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;
}
//解析配置文件，解析指定的url配置文件
//使用parseLine方法进行解析，未被实例化的服务提供者会被保存到缓存中去
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);
}
return names.iterator();
}
//服务提供者查找的迭代器
private class LazyIterator
implements Iterator<S>
{
Class<S> service;//服务提供者接口
ClassLoader loader;//类加载器
Enumeration<URL> configs = null;//保存实现类的url
Iterator<String> pending = null;//保存实现类的全名
String nextName = null;//迭代器中下一个实现类的全名
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);
}
}
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);
}
if (!service.isAssignableFrom(c)) {
fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
}
try {
S p = service.cast(c.newInstance());
providers.put(cn, p);
return p;
}
}
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();
}
}
//获取迭代器
//返回遍历服务提供者的迭代器
//以懒加载的方式加载可用的服务提供者
//懒加载的实现是：解析配置文件和实例化服务提供者的工作由迭代器本身完成
public Iterator<S> iterator() {
return new Iterator<S>() {
//按照实例化顺序返回已经缓存的服务提供者实例
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();
}
};
}
//为指定的服务使用指定的类加载器来创建一个ServiceLoader
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
ClassLoader loader)
{
return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
//使用线程上下文的类加载器来创建ServiceLoader
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
return ServiceLoader.load(service, cl);
}
//使用扩展类加载器为指定的服务创建ServiceLoader
//只能找到并加载已经安装到当前Java虚拟机中的服务提供者，应用程序类路径中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() + "]";
}
}
首先，ServiceLoader实现了Iterable接口，所以它有迭代器的属性，这里主要都是实现了迭代器的hasNext和next方法。这里主要都是调用的lookupIterator的相应hasNext和next方法，lookupIterator是懒加载迭代器。
其次，LazyIterator中的hasNext方法，静态变量PREFIX就是”META-INF/services/”目录，这也就是为什么需要在classpath下的META-INF/services/目录里创建一个以服务接口命名的文件。
最后，通过反射方法Class.forName()加载类对象，并用newInstance方法将类实例化，并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。
所以我们可以看到ServiceLoader不是实例化以后，就去读取配置文件中的具体实现，并进行实例化。而是等到使用迭代器去遍历的时候，才会加载对应的配置文件去解析，调用hasNext方法的时候会去加载配置文件进行解析，调用next方法的时候进行实例化并缓存。
所有的配置文件只会加载一次，服务提供者也只会被实例化一次，重新加载配置文件可使用reload方法。
SPI机制的缺陷
通过上面的解析，可以发现，我们使用SPI机制的缺陷：
- 不能按需加载，需要遍历所有的实现，并实例化，然后在循环中才能找到我们需要的实现。如果不想用某些实现类，或者某些类实例化很耗时，它也被载入并实例化了，这就造成了浪费。
- 获取某个实现类的方式不够灵活，只能通过 Iterator 形式获取，不能根据某个参数来获取对应的实现类。
- 多个并发多线程使用 ServiceLoader 类的实例是不安全的。
