Dubbo 系列JDK SPI 原理解析

时间:2023-03-23 噗噗C 人气:0

正文

上一篇文章讲到了如何去找到 Dubbo 源码的调试入口，如果你跟随文章思路，那你将要阅读的第一条主线将是 Dubbo 的服务发布流程。在阅读的过程中你会发现，有很多代码很相似，并且重复出现，比如这里：

private static final ProxyFactory PROXY_FACTORY = ExtensionLoader.getExtensionLoader(ProxyFactory.class).getAdaptiveExtension();
private static final Protocol PROTOCOL = ExtensionLoader.getExtensionLoader(Protocol.class).getAdaptiveExtension();
……
Invoker<?> invoker = PROXY_FACTORY.getInvoker(ref, (Class) interfaceClass, url);
DelegateProviderMetaDataInvoker wrapperInvoker = new DelegateProviderMetaDataInvoker(invoker, this);
Exporter<?> exporter = PROTOCOL.export(wrapperInvoker);
exporters.add(exporter);
……

这段代码是 Dubbo 服务发布的关键流程，其中用到了两个类都是通过ExtensionLoader.getExtensionLoader()去获得的，这其实体现的就是Dubbo 的SPI机制，SPI 机制在 Dubbo 中被大量运用，也是 Dubbo 设计的亮点所在。

为什么要使用SPI？

这就要谈到Dubbo的架构设计了，之前提到 Dubbo 采用的是分层架构的方式，Dubbo 的设计体现了程序设计中的开闭原则，每一层都可以被另一种实现技术替换掉，而不影响上下层之间的依赖和整体逻辑的运转，这其实就是微内核架构（微内核+插件）。

微内核架构也被称为插件化架构（Plug-in Architecture），这是一种面向功能进行拆分的可扩展性架构。内核功能是比较稳定的，只负责管理插件的生命周期，不会因为系统功能的扩展而不断进行修改。功能上的扩展全部封装到插件之中，插件模块是独立存在的模块，包含特定的功能，全部可被替换，并且可以拓展内核系统的功能，而 Dubbo 最终决定采用 SPI 机制来加载插件。

开闭原则 OCP (Open-Closed Principle )：程序的设计应该是不约束扩展，即扩展开放，但又不能修改已有功能，即修改关闭。

什么是 SPI

SPI ，全称为 Service Provider Interface，直接翻译过来是服务提供者接口，是一种服务发现机制，而我们通常指的是JDK的SPI。

JDK SPI，它是JDK内置的一种服务发现机制，可以动态的发现服务，即服务提供商，它通过在ClassPath路径下的META-INF/services文件夹查找文件，自动加载文件里所定义的类。

根据他的定义就知道他主要是被框架开发人员使用的，通过 SPI 可以加载服务本身以外的扩展。最常用的比如JDBC驱动连接时候选择不同的驱动，对java.sql.Driver的实现就利用了SPI机制；Spring框架中也使用了很多，比如在 Spring 中为了支持Servlet3.0规范不使用web.xml，对javax.servlet.ServletContainerInitializer的实现也利用了SPI；在Dubbo中更是大量运用了SPI机制，不但有JDK SPI的运用，更重要的是 Dubbo 自己还实现了一套SPI机制。

JDK SPI 机制

当服务提供者想利用SPI机制去扩展，需要遵循以下步骤。

首先需要实现实现对应接口。
然后需要在 Classpath 下的 META-INF/services/ 目录中创建一个以服务接口全路径命命名的文件。
在该文件中记录服务接口的所有具体实现类，通常是在外部引入的扩展包中，比如引入JDBC的jar包。
做好以上配置，就可以利用JDK SPI的查找机制在META-INF/services/文件夹下根据配置来对具体的实现类加载和实例化。

如果看完上述流程还不是很清楚，请看如下示例。比如这里有接口 MySPI 需要按照上述流程按照SPI机制加载。

首先提供了两个实现类 GoodbyeMySPI 和 HelloMySPI，然后在 META-INF/services 文件夹下保存了文件org.daley.spi.demo.MySPI，文件的内容是两个实现类的全路径名。就绪之后就可以在main方法中启动demo，用ServiceLoader.load()加载 MySPI 的两个实现类，然后分别调用接口方法执行。代码如下：

/**
 * @author 后端开发技术
 */
public interface MySPI {
    void say();
}
public class HelloMySPI implements MySPI{
    @Override
    public void say() {
        System.out.println("HelloMySPI say:hello");
    }
}
public class GoodbyeMySPI implements MySPI {
    @Override
    public void say() {
        System.out.println("GoodbyeMySPI say:Goodbye");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    ServiceLoader<MySPI> serviceLoader = ServiceLoader.load(MySPI.class);
    Iterator<MySPI> iterator = serviceLoader.iterator();
  // 开始迭代执行
    while (iterator.hasNext()) {
        MySPI spi = iterator.next();
        spi.say();
    }
}
//配置文件 org.daley.spi.demo.MySPI
org.daley.spi.demo.GoodbyeMySPI
org.daley.spi.demo.HelloMySPI
//输出如下：
//GoodbyeMySPI say:Goodbye
//HelloMySPI say:hello

JDK SPI原理

看完上述 demo，你有没有好奇 JDK SPI 的原理是什么？相信你已经猜的八九不离十了。我们从demo的main方法开始追踪起。

很明显关键的代码就一行ServiceLoader.load(MySPI.class)，他是整个类加载的入口。

调用ServiceLoader.load(MySPI.class)开始加载，并且会拿到当前线程的类加载器。
开始创建一个ServiceLoader，最终可以追踪到调用reload()方法

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,
                                            ClassLoader loader)
{
    return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
  // 绑定接口和类加载器
    service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
    loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
    acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;
  // 加载
    reload();
}

在reload()方法中首先清空了providers，它里面存贮了所有服务接口的实现，key为实现类名，value为对象。然后便会new一个LazyIterator，LazyIterator是ServiceLoader内部实现的一个迭代器，此时还没有真正开始加载，只是保存了接口和类加载器在迭代器中。

private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
public void reload() {
    providers.clear();
    lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
private class LazyIterator implements Iterator<S>{
  private LazyIterator(Class<S> service, ClassLoader loader) {
        this.service = service;
        this.loader = loader;
  }
}

正如其名懒加载迭代器，在调用iterator.hasNext()时才真正发生加载。在hasNextService()方法中，第一次调用此方法会先拼接出配置SPI的文件名，在本demo中也就是META-INF/services/org.daley.spi.demo.MySPI，然后会使用类加载器加载配置文件并且将每行的内容设置到迭代器pending中，每次遍历都可以按行依次拿到实现类的名字。

比如第一次迭代，返回第一行配置的实现类名org.daley.spi.demo.GoodbyeMySPI。到这里只是加载配置文件拿到类名，还未加载类。

public boolean hasNext() {
    if (acc == null) {
        return hasNextService();
    } else {
      ……
    }
}
// pengding中保存了配置文件中的实现类名，按行迭代
Iterator<String> pending = null;
private boolean hasNextService() {
      ……
    if (configs == null) {
        try {
          // 设置配置文件路径 META-INF/services/org.daley.spi.demo.MySPI
            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);
        }
    }
  // 第一次遍历 pendind=null
    while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
        if (!configs.hasMoreElements()) {
            return false;
        }
        pending = parse(service, configs.nextElement());
    }
  // 按行拿到实现类名
    nextName = pending.next();
    return true;
}

当执行到iterator.next()的时候才会真正去加载class类。追踪此方法最终进入nextService()方法，在这里你会看到熟悉的Class.forName()以及newInstance()方法，读取类和实例化类的逻辑一目了然。到这里JDK SPI的核心逻辑就结束了。

public S next() {
    if (acc == null) {
        return nextService();
    } else {
        ……
    }
}
private S nextService() {
    if (!hasNextService())
        throw new NoSuchElementException();
        //当前正在迭代的实现类名
    String cn = nextName;
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    try {
      // 根据类路径加载class
        c = Class.forName(cn, false, loader);
    ……
      // 实例化实现类，并且保存在providers中
        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
}

简言之，通过将实现类名保存在以服务接口命名的配置文件中，放置在META-INF/services，ServiceLoader会在先读取配置文件中实现类的名字，然后根据调用newInstance()方法对其进行实例化。简化的原理图如下：

为什么不直接使用 JDK SPI

既然已经有了 JDP SPI 为什么还需要 Dubbo SPI呢？

技术的出现通常都是为了解决现有问题，通过之前的 demo，不难发现 JDK SPI 机制就存在以下一些问题：

实现类会被全部遍历并且实例化，假如我们只需要使用其中的一个实现，这在实现类很多的情况下无疑是对机器资源巨大的浪费，
无法按需获取实现类，不够灵活，我们需要遍历一遍所有实现类才能找到指定实现。

所以 Dubbo SPI 以 JDK SPI 为参考做出了改进设计，进行了性能优化以及功能增强，Dubbo SPI 机制的出现解决了上述问题。由于 Dubbo SPI的知识点太多并且很重要，将专门安排在下一篇文章讲解，更多关于Dubbo JDK SPI原理的资料请关注其它相关文章！

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