从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

时间:2023-02-16 14:08:00

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八股文背多了,相信大家都听说过一个词,SPI扩展

有的面试官就很喜欢问这个问题,SpringBoot的自动装配是如何实现的?

基本上,你一说是基于spring的SPI扩展机制,再把spring.factories文件和EnableAutoConfiguration提一下,那么这个问题就答的八九不离十了。

就像四五年前,我去面试的时候被问到这个问题,SPI动态扩展机制这几个词从嘴里一说出来,就把面试官唬的一愣一愣的。可能他们也没见过这么能装逼的,一句话能简简单单说明白,非要拽一个听上去很高大上的词。

话说回来,被唬住的可不止是面试官,其实还有我自己。至于SPI扩展究竟是个啥,是怎么实现的,我当时也根本不明白。

不过现在的面试就是这样,对线八股文,要想唬住面试官,就得先唬住自己。

那么我们今天暂且不提spring的SPI扩展,先来看看java本身自带的SPI扩展机制是怎么一回事。

1、简介

SPI的全称是Service Provider Interface,翻译过来就是服务提供者的接口,它所实现的其实是一种服务的发现机制。

这么说起来可能还是有点不好理解,我举个例子来类比一下。

在spring项目中,写service层代码前,会约定俗成的会添加一个接口层。然后通过spring中的依赖注入,可以借助@Autowired等方式注入这个接口的实现类的实例对象,之后对于service的调用一般也基于接口操作。

简单形容就是这样的:

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

如图所示,接口、实现类都是由服务提供方提供,我们可以把controller看作服务调用者,调用方只管调用接口就可以了。

虽然也有声音认为,大部分情况下service只有一个实现类,接口层显得有些多余。但是在《Head First Design Patterns》这本书中,大佬们还是建议过:

Program to an interface, not an implementation.

没错,就是常说的要面向接口编程。至于好处,也不外乎是降低耦合度、方便日后扩展、提高了代码的灵活性和可维护性等等。

在上面这个例子里,这个接口层和其中的方法我们可以称之为API,而我们要讨论的SPI和它相比,有类似也有差异,还是先看图:

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

简单来说,就是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,并通过接口调用它的能力。

通过对比,我们可以看出它们虽然都有着接口这一层面,但还是有很大的不同:

API中的接口是服务提供者给服务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,服务提供者根据这种约束实现的服务,可以被服务调用者发现。

说白了,Java中的SPI实现的就是,你按我的接口规范实现服务,我就能通过某种机制为这个接口寻找到这个服务。

这么说起来可能还有些抽象,下面我们举一个例子,类比具体描述一下这个过程。

2、定义接口

说起智能家居系统,大家现在都比较熟悉了,只要是相同品牌下的产品,连上wifi就能够通过手机app控制了,非常方便。

虽然产品不断更新换代,型号更新层出不穷,但是同种家电在app上操作起来,功能一般都是一样的。就拿空调来说,我们在app上操作起来一般也就三个主要功能:开关选模式调节温度

假设我现在在客厅、卧室、书房安装了3款不同型号的空调,并把它们都接入到了我app中,那么之后的操作都是相同的几个按键,简单粗暴。

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

思考一下,无论是开关还是调温,都是通过app去调用设备的接口罢了,那么如果不同型号的空调各写各的接口,后端app在开发的时候光对接接口都麻烦的要死。

解决方法也很简单,我先定义一套接口规范,不管你以后什么型号的空调,都按我的规范来实现接口。以后只要我能发现你的设备,那么都可以按相同的方法来调用接口。

那么下面就先来定义这么一套接口规范,如果你以后想要接入智能家居系统,那么就要遵循这个规范来开发接口。

新建一个项目作为标准,就叫aircondition-standard好了,然后创建一个接口。除了3个操作以外,我们再添加一个获取空调型号的方法。

public interface IAircondition {
    // 获取型号
    String getType();
    
    // 开关
    void turnOnOff();

    // 调节温度
    void adjustTemperature(int temperature);

    // 模式变更
    void changeModel(int modelId);
}

这个接口后面要给服务的实现方来使用,用maven把它打成jar包:

mvn clean install

之后服务提供者在项目中就可以引入这个jar包了,有了这套规范,就保证了产品后期不管怎么更新换代,都能接入到系统来。

3、服务实现

制定并发布完规则后,挂式空调作为第一个服务提供者就来了,新建一个项目aircondition-hanging-type,并引入刚才打好的jar包:

<dependency>
    <groupId>com.cn.hydra</groupId>
    <artifactId>aircondition-standard</artifactId>
    <version>1.0-SNAPSHOT</version>
</dependency>

创建服务类,并实现前面定义的接口:

public class HangingTypeAircondition
        implements IAircondition{
    public String getType() {
        return "HangingType";
    }
    
    public void turnOnOff() {
        System.out.println("挂式空调开关");
    }

    public void adjustTemperature(int i) {
        System.out.println("挂式空调调节温度");
    }

    public void changeModel(int i) {
        System.out.println("挂式空调更换模式");
    }
}

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.cn.hydra.IAircondition创建文件,并在文件中写入实现类的全限定名。

com.cn.hydra.HangingTypeAircondition

整个项目结构非常简单:

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这样,一个服务方的简单实现就搞定了,用maven打成jar包,之后就可以提供给调用方使用了。

同理,我们可以再创建一个立式空调的项目aircondition-vertical-type,也只创建一个服务类:

public class VerticalTypeAircondition
        implements IAircondition{
    public String getType() {
        return "VerticalType";
    }
    
    public void turnOnOff() {
        System.out.println("立式空调开关");
    }

    public void adjustTemperature(int i) {
        System.out.println("立式空调调节温度");
    }

    public void changeModel(int i) {
        System.out.println("立式空调更换模式");
    }
}

还是按上面的命名规则,创建一个配置文件:

com.cn.hydra.VerticalTypeAircondition

同样,打成jar包就完事了,至于服务调用者如何去发现和调用这两个服务,下面详细再说。

4、服务发现

现在两个服务提供方都实现了接口,下面关键的一步就是服务发现,这一步java中的spi发现机制已经帮我们实现好了。

创建一个新项目aircondition-app,引入上面打好的两个jar包。

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>com.cn.hydra</groupId>
        <artifactId>aircondition-hanging-type</artifactId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>

    <dependency>
        <groupId>com.cn.hydra</groupId>
        <artifactId>aircondition-vertical-type</artifactId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>
</dependencies>

按照上面的说法,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,我们写一个方法,根据型号去调用对应空调的开关方法。

public class AirconditionApp {
    public static void main(String[] args) {
        new AirconditionApp().turnOn("VerticalType");
    }

    public void turnOn(String type){
        ServiceLoader<IAircondition> load = ServiceLoader
                .load(IAircondition.class);

        for (IAircondition iAircondition : load) {
            System.out.println("检测到:"+iAircondition.getClass().getSimpleName());
            if (type.equals(iAircondition.getType())){
                iAircondition.turnOnOff();
            }
        }
    }
}

测试结果:

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可以看到,测试过程中,通过定义的接口IAircondition发现了两个实现类,并通过参数,调用了特定实现类的某个方法。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。

5、原理

了解了spi的工作流程,我们再来看看它的实现,其实最关键的就是上面代码中出现的ServiceLoader这个类。

上面的示例代码中,对于ServiceLoaderload()方法的结果,我们用for循环进行了遍历,这一点我们看一下源码就能明白,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。

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

注意这里面有两个关键的东西,找一下在源码中定义的地方:

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

注释写的非常明白,providers就是一个缓存,在迭代器中如果先从这里面进行查找,如果里面有就继续往下找,没有了的话就用这个懒加载的lookupIterator查找。

那么就简单了,接着往下看LazyIterator,看看它里面的hasNext()next()两个方法是怎么实现的。

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这个acc是一个安全管理器,在前面通过System.getSecurityManager()判断并赋值,debug看一下这里都是null,所以直接看hasNextService()nextService()方法就可以了。

hasNextService()方法中,会取出接口取出实现类的类名放到nextName中:

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

接下来,在nextService()方法中,则会先加载这个实现类,然后实例化对象,最终放入缓存中去。

从实现到原理,聊聊Java中的SPI动态扩展

在迭代器的迭代过程中,会完成所有实现类的实例化,其实归根结底,还是基于java反射去实现的。

6、应用

要说spi的实际应用,大家最常见的应该就是日志框架slf4j了,它利用spi实现了插槽式接入其他具体的日志框架。

说白了,slf4j本身就是个日志门面,并不提供具体的实现,需要绑定其他具体实现才能真正的引入日志功能。

例如我们可使用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:

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有没有发现一个彩蛋,先说为什么我们pom中引入的明明是slf4j-log4j12,实际上引入的是slf4j-reload4j?翻一下官网的文档:

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大意就是在2015年和2022年,log4j1.x就已经宣布end of life终止了,原因也不难猜,估计是因为频繁爆出的漏洞。在那之后,slf4j-log4j在构建阶段就会自动重定向到slf4j-reload4j了,并且官方也强烈建议使用slf4j-reload4j作为替代。

再回头看一下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LoggerFactoryLogger等具体日志对象。

7、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,通过接口灵活的将服务调用与服务提供者分离,用于提供给第三方实现扩展时还是很方便的。但是也有缺点,比方说一旦加载一个接口,就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。不过站在整体角度上,还是给我们提供了一种非常不错的框架扩展、集成的思路。

那么,这次的分享就到这里,我是Hydra,我们下篇再见。

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