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SPI在Java中的实现与应用 | 京东物流技术团队

发布时间 2023-09-12 09:30:41作者: 京东云开发者

1 SPI的概念

API

API在我们日常开发工作中是比较直观可以看到的，比如在 Spring 项目中，我们通常习惯在写 service 层代码前，添加一个接口层，对于 service 的调用一般也都是基于接口操作，通过依赖注入，可以使用接口实现类的实例。

简单形容就是这样的：

图1：API

如上图所示，服务调用方无需关心接口的定义与实现，只进行调用即可，接口、实现类都是由服务提供方提供。服务提供方提供的接口与其实现方法就可称为API，API中所定义的接口无论是在概念上还是具体实现，都更接近服务提供方（实现方），通常接口与实现类在同一包中；

SPI

如果我们将接口的定义放在调用方，服务的调用方定义一个接口规范，可以由不同的服务提供者实现。并且，调用方能够通过某种机制来发现服务提供方，通过调用接口使用服务提供方提供的功能，这就是SPI的思想。

SPI 的全称是Service Provider Interface，字面意思就是服务提供者的接口，是由服务提供者定义的接口。

图2：SPI

服务提供方按接口规范实现服务，服务调用方通过某种机制为这个接口寻找到这个服务， SPI的特点很明显：接口的定义（调用方提供）与具体实现是隔离的（服务提供方提供），使用接口的实现类需要依赖某种服务发现机制。

通过对比，我们可以看出接口在API与SPI中的含义还是有很大的不同，总的来说，API 中的接口是更像是服务提供者给调用者的一个功能列表，而 SPI 中更多强调的是，服务调用者对服务实现的一种约束。

2 为什么要使用SPI

  • 面向接口编程：面向对象的设计与编程中，我们经常强调“依赖抽象而不是具体”，这样做就是为了实现高内聚、低耦合，提供代码灵活性和可维护性等等。
  • 提供标准标准但没有具体实现的业务场景：SPI 机制的使用场景就是没有统一实现标准的业务场景。一般就是，服务调用方有定义好的标准接口，但是没有统一的实现，需要服务提供方提供其具体实现。
  • 解耦：SPI 机制优势就是低耦合。将接口的定义以及具体实现分离，可以实现运行时根据业务实际场景启用或者替换具体实现类。

3 Java中如何使用SPI

接口定义、服务实现这些我们都轻车熟路，调用方直接依赖接口不依赖具体实现，这是依赖倒置原则，我们在Spring项目中使用API时，会使用Spring的依赖注入（DI）来实现“服务发现”，同样地，SPI的重点也是如何让调用方发现接口的具体实现，也就是上文提到的某种服务发现机制。

SPI的服务发现机制是由ServiceLoader提供，ServiceLoader是Java在JDK 6中引进的新特性，它主要是用来发现并加载一系列的service provider。当服务的提供者，提供了服务接口的一种实现之后，只需要在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件，该文件的内容就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并加载实现类，完成依赖的注入，这就是Java SPI的服务发现机制。

下面就结合一个示例来具体讲讲。若有这样一个需求，需要使用一个接口来完成内容查找服务，接口的具体实现交给其他服务提供方，实现可能是基于文件系统的查找，也可能是基于数据库的查找。

（1）定义接口

作为服务调用方，需要先定义一套接口规范，用来规范之后的服务提供方按规范来实现接口。这样，不管是谁提供的实现方法，调用方都可以按相同的方式来调用接口。

创建一个项目search-standard，提供一个查找服务标准接口，先定义调用方的内容查找方法：

package com.gwz.spi.learn;

import java.util.List;
// 查找服务接口
public interface Search {
    // 按关键字查询内容方法
     String searchDoc(String keyword);
}

这个接口就是给服务提供方来实现的，将它打包发布mvn clean install，确保maven仓库中有该jar包，之后提供者在项目中就可以引入这个 jar 包了。

（2）服务实现

制定并发布完标准接口后，我们假设第一个服务提供方提供了一种文件查找的实现。新建项目search-file，并引入刚才发布的标准接口jar包：

<dependency>
    <groupId>com.gwz.search</groupId>
    <artifactId>search-standard</artifactId>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>
</dependency>

实现定义好的接口：

package com.gwz.file.search;

import com.gwz.spi.learn.Search;

public class FileSearch implements Search {

    @Override
    public String searchDoc(String keyword) {
        return "文件查找：" + keyword;
    }
}

并在项目的resources的目录下，创建META-INF/services目录，然后以前面定义的接口名com.gwz.spi.learn.Search创建文件，并在文件中写入实现类的全限定名。

一个服务方的简单实现就完成了，用maven打成 jar 包，发布到maven之后就可以提供给调用方使用了。

接着，按上述实现方式，再创建一个项目search-database使用数据库的实现接口：

package com.gwz.database.search;

import com.gwz.spi.learn.Search;

public class DatabaseSearch implements Search {
    @Override
    public String searchDoc(String keyword) {
        return "数据库查找：" + keyword;
    }
}

同样，打包发布后就可以提供给调用方使用了。

（3）服务发现

接下来关键的一步就是服务发现，服务发现需要依赖ServiceLoader的使用。创建一个新项目search-sever，引入上面打好的两个提供方的 jar 包。

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>com.gwz.search</groupId>
        <artifactId>search-file</artifactId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>com.gwz.search</groupId>
        <artifactId>search-database</artifactId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>
</dependencies>

虽然每个服务提供者对于接口都有不同的实现，但是作为调用者来说，它并不需要关心具体的实现类，我们要做的是通过接口来调用服务提供者实现的方法。

下面，就是关键的服务发现环节，使用ServiceLoader来加载具体的实现类，调用方只需调用对应接口方法即可。

package com.gwz.search.impl;

import com.gwz.spi.learn.Search;
import java.util.ServiceLoader;

public class SearchDoc {

    public static void main(String[] args) {
        new SearchDoc().searchDocByKeyWord("hello world");
    }

    public void searchDocByKeyWord(String keyWord) {

        ServiceLoader<Search> searchServiceLoader = ServiceLoader.load(Search.class);

        for (Search search : searchServiceLoader){
            String doc = search.searchDoc(keyWord);
            System.out.println(doc);
        }
    }
}

测试结果：

可以看到，通过定义的Search发现了两个实现类。整段代码中没有出现过具体的服务实现类，操作都是通过接口调用。

4 Java SPI原理

了解了SPI的工作流程，我们应该有以下疑问：

  • 为什么要在服务提供方的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件？放在其他目录里面不行吗，文件名我随意命名不可以吗？
  • 为什么文件的内容需要是实现该服务接口的具体实现类？
  • ServiceLoader是如何发现接口的服务类的？

接下来我们看一下ServiceLoader的源码就可以解答了。

上述例子中，通过ServiceLoader.load(Search.class) 来加载Search接口的实现类，我们知道Java加载类都离不开类加载器，查看ServiceLoader.load()方法的源码就会发现，SPI加载类使用的是线程上下文加载器，可通过java.lang.Thread#setContextClassLoader方法进行设置，若未设置则会从父线程中继承，在应用程序全局都未设置的情况下，默认是应用程序类加载器，线程上下文加载器加载所需的SPI代码，实际上是父类加载器请求子类加载器来完成加载类的动作，打破了双亲委派模型的层次结构。

load方法实际上构造了一个ServiceLoader实例对象，该对象保持了一个加载SPI类代码的线程上下文加载器的引用loader、一个所需要加载实现类的接口类型的引用service、一个已经成功服务提供者（接口的具体实现类）的缓存providers。

上述例子中我们使用了foreach遍历调用接口方法，本质上是通过调用迭代器Iterable的next()方法来获取的具体实现类，因为ServiceLoader实现了Iterable这一接口，而整个服务发现的核心，就在它的iterator()方法中。

这里面有两个关键的东西，一是providers，在迭代器中会先从服务类缓存中查找服务类，若查不到就用lookupIterator查找。接着往下看LazyIterator的hasNext()和next(）源码实现。

acc是一个安全管理器，debug 看值是null，所以看hasNextService()和nextService()方法就可以了。在hasNextService()方法中，会通过PREFIX + service.getName()来拼接一个资源路径URL，拼接这个URL的目的就是为了能供通过该URL获取文件中的内容，看到这里应该就明白了为什么实现SPI服务时，需要创建名为META-INF/services/的文件夹，以及以接口名命名的文件，这是由PREFIX与service.getName()决定的，那么下图中的实现类名称是如何来的呢？

既然我们这里可以通过PREFIX + service.getName()来拼接一个资源路径URL，那是不是可以通过该URL来获取所指向的文件资源的内容？答案是肯定的，正如源码中parse()方法的实现一样， 通过Java提供的InputStream读取URL指向的文件内容。

在读取文件内容时ServiceLoader主要做了几件事：

  • 获取文本内容（实现类全路径名）；
  • 校验内容合法性（是否符合Java类命名规范）；
  • 若providers缓存中不存在该实现类（未加载），则保存该实现类全路径名以供下面流程进行加载该类；

接下来，在nextService()方法中，则会通过上述解析到的实现类全路径名加载这个实现类，然后实例化对象，最终放入缓存中去。

在迭代器的迭代过程中，会基于Java 反射机制去完成所有实现类的实例化，这样就可以调用接口方法来使用SPI服务提供方实现的具体功能。

综上，Java SPI的实现是依靠ServiceLoader，ServiceLoader通过使用线程上下文类加载器来加载SPI接口实现类，实现类的全路径名需配置在META-INF/services/目录下，以接口名命名的文件内容中，ServiceLoader会读取文件中的全路径名，通过反射机制实例化接口实现类。

5 应用

（1）日志框架slf4j

SPI的实际应用，最常见的应该是日志框架slf4j，它就是个日志门面，并不提供具体的实现，需要绑定其他具体实现。例如可使用log4j2作为具体的绑定器，只需要在 pom 中引入slf4j-log4j12，就可以使用具体功能。

<dependency>
    <groupId>org.slf4j</groupId>
    <artifactId>slf4j-api</artifactId>
    <version>2.0.3</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.slf4j</groupId>
    <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>
    <version>2.0.3</version>
</dependency>

引入项目后，点开它的 jar 包看一下具体结构：

jar 包的META-INF.services里面，通过 SPI 注入了Reload4jServiceProvider这个实现类，它实现了SLF4JServiceProvider这一接口，在它的初始化方法initialize()中，会完成初始化等工作，后续可以继续获取到LoggerFactory和Logger等具体日志对象。

（2）DriverManager

DriverManager是JDBC里管理数据库驱动的的工具类。一个数据库可能会存在不同实现的数据库驱动。我们在使用特定的驱动实现时，通过一个简单的配置就而不用修改代码就可以达到效果。 例如，在运用Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")加载mysql驱动后，会执行其中的静态代码把driver注册到DriverManager中。

查看JDBC源码可知，驱动实现接口java.sql.Driver，然后通过registerDriver把当前driver加载到DriverManager中。查看DriverManager的源码，可以看到其内部的静态代码块loadInitialDrivers方法中使用了ServiceLoader：

查看mysql-connector-java的jar包在META-INF/services接口路径文件中的内容，可以看到com.mysql.jdbc.Driver。

（3）sharding-jdbc

sharding-jdbc是一款用于分库分表的中间件，在数据库分布式场景中，为了保证数据库主键的唯一性，会采取相应的主键生成策略，而主键生成策略有很多种实现。sharding-jdbc在主键生成策略使用了SPI进行装配。

源码中的 ShardingRule.class主要封装分库分表的策略规则，包括主键生成，核心在于底层调用的register方法，其中也是使用了ServiceLoader：

这里就是应用的SPI机制，再看下Jar包的META-INF/services/目录：

有两个实现，对应了sharding-jdbc的提供的两种生成策略分别是雪花算法和UUID。

6 总结

Java 中的 SPI 提供了一种比较特别的服务发现和调用机制，通过接口将服务调用与服务提供者分离，将接口提供给第三方实现扩展，体现了依赖倒置的设计思想，是高内聚、低耦合的一种体现。但SPI也有缺点，就是加载一个接口，会把所有实现类都加载进来，可能会加载到不需要的冗余服务。总的来说，SPI是一种非常不错的扩展、集成的思路。

参考资料

https://blog.csdn.net/CHIKA2333/article/details/132082244

《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》--周志明

作者：京东物流 郭纬宙

来源：京东云开发者社区  自猿其说Tech 转载请注明来源