本文通过探析JDK提供的，在开源项目中比较常用的Java SPI机制，希望给大家在实际开发实践、学习开源项目提供参考。

1 SPI是什么

SPI全称Service Provider Interface，是Java提供的一套用来被第三方实现或者扩展的API，它可以用来启用框架扩展和替换组件。

整体机制图如下：

Java SPI 实际上是“基于接口的编程＋策略模式＋配置文件”组合实现的动态加载机制。

系统设计的各个抽象，往往有很多不同的实现方案，在面向的对象的设计里，一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。 Java SPI就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制。有点类似IOC的思想，就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。所以SPI的核心思想就是解耦

2 使用场景

概括地说，适用于：调用者根据实际使用需要，启用、扩展、或者替换框架的实现策略

比较常见的例子：

数据库驱动加载接口实现类的加载 JDBC加载不同类型数据库的驱动日志门面接口实现类加载 SLF4J加载不同提供商的日志实现类Spring Spring中大量使用了SPI,比如：对servlet3.0规范对ServletContainerInitializer的实现、自动类型转换Type Conversion SPI(Converter SPI、Formatter SPI)等Dubbo Dubbo中也大量使用SPI的方式实现框架的扩展, 不过它对Java提供的原生SPI做了封装，允许用户扩展实现Filter接口

3 使用介绍

 

要使用Java SPI，需要遵循如下约定：

1、当服务提供者提供了接口的一种具体实现后，在jar包的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；2、接口实现类所在的jar包放在主程序的classpath中；3、主程序通过java.util.ServiceLoder动态装载实现模块，它通过扫描META-INF/services目录下的配置文件找到实现类的全限定名，把类加载到JVM；4、SPI的实现类必须携带一个不带参数的构造方法；

示例代码

步骤1、定义一组接口 (假设是org.foo.demo.IShout)，并写出接口的一个或多个实现，(假设是org.foo.demo.animal.Dog、org.foo.demo.animal.Cat)。

public interface IShout { void shout(); } public class Cat implements IShout { @Override public void shout() { System.out.println("miao miao"); } } public class Dog implements IShout { @Override public void shout() { System.out.println("wang wang"); } }

步骤2、在 src/main/resources/ 下建立 /META-INF/services 目录， 新增一个以接口命名的文件 (org.foo.demo.IShout文件)，内容是要应用的实现类（这里是org.foo.demo.animal.Dog和org.foo.demo.animal.Cat，每行一个类）。

文件内容

org.foo.demo.animal.Dog org.foo.demo.animal.Cat

步骤3、使用 ServiceLoader 来加载配置文件中指定的实现。

public class SPIMain { public static void main(String[] args) { ServiceLoader<IShout> shouts = ServiceLoader.load(IShout.class); for (IShout s : shouts) { s.shout(); } } }

代码输出:

wang wang miao miao

4 原理解析

首先看ServiceLoader类的签名类的成员变量:

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{ private static final String PREFIX = "META-INF/services/"; // 代表被加载的类或者接口 private final Class<S> service; // 用于定位，加载和实例化providers的类加载器 private final ClassLoader loader; // 创建ServiceLoader时采用的访问控制上下文 private final AccessControlContext acc; // 缓存providers，按实例化的顺序排列 private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>(); // 懒查找迭代器 private LazyIterator lookupIterator; ...... }

参考具体ServiceLoader具体源码，代码量不多，加上注释一共587行，梳理了一下，实现的流程如下：

1 应用程序调用ServiceLoader.load方法 ServiceLoader.load方法内先创建一个新的ServiceLoader，并实例化该类中的成员变量，包括：

loader(ClassLoader类型，类加载器)acc(AccessControlContext类型，访问控制器)providers(LinkedHashMap<String,S>类型，用于缓存加载成功的类)lookupIterator(实现迭代器功能)

2 应用程序通过迭代器接口获取对象实例 ServiceLoader先判断成员变量providers对象中(LinkedHashMap<String,S>类型)是否有缓存实例对象，如果有缓存，直接返回。 如果没有缓存，执行类的装载，实现如下：

(1) 读取META-INF/services/下的配置文件，获得所有能被实例化的类的名称，值得注意的是，ServiceLoader可以跨越jar包获取META-INF下的配置文件，具体加载配置的实现代码如下：

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); } (2) 通过反射方法Class.forName()加载类对象，并用instance()方法将类实例化。(3) 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

SPI相关的源码解析

//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() + "]"; } }

 

5 总结

优点： 使用Java SPI机制的优势是实现解耦，使得第三方服务模块的装配控制的逻辑与调用者的业务代码分离，而不是耦合在一起。应用程序可以根据实际业务情况启用框架扩展或替换框架组件。

缺点：

虽然ServiceLoader也算是使用的延迟加载，但是基本只能通过遍历全部获取，也就是接口的实现类全部加载并实例化一遍。如果你并不想用某些实现类，它也被加载并实例化了，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。