Dubbo——Dubbo SPI解析(上)

前言

Dubbo 为了更好地达到 OCP 原则（即“对扩展开放，对修改封闭”的原则），采用了“微内核+插件”的架构。那什么是微内核架构呢？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，能拓展内核系统的功能。

微内核架构中，内核通常采用 Factory、IoC、OSGi 等方式管理插件生命周期，Dubbo 最终决定采用 SPI 机制来加载插件，Dubbo SPI 参考 JDK 原生的 SPI 机制，进行了性能优化以及功能增强。因此，在讲解 Dubbo SPI 之前，我们有必要先来介绍一下 JDK SPI 的工作原理。

SPI简介

SPI 全称为 Service Provider Interface，是一种服务发现机制。SPI本质是将接口实现类的全限定名配置在文件中，并由服务加载器读取配置文件，加载实现类，这样运行时可以动态的为接口替换实现类。

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。

这一机制为很多框架扩展提供了可能，比如在Dubbo、JDBC中都使用到了SPI机制。

JDK SPI 机制

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，此文件记录了该 jar 包提供的服务接口的具体实现类。当某个应用引入了该 jar 包且需要使用该服务时，JDK SPI 机制就可以通过查找这个 jar 包的 META-INF/services/ 中的配置文件来获得具体的实现类名，进行实现类的加载和实例化，最终使用该实现类完成业务功能。

下面我们通过一个简单的示例演示下 JDK SPI 的基本使用方式：

• 1、首先创建一个database-driver工程，并创建DataBaseDriver接口：

public interface DataBaseDriver {

    String connect(String host);
}

• 2、创建mysql-driver工程
• 2.1)、引入database-driver工程依赖，并实现DataBaseDriver接口：

public class MysqlDriver implements DataBaseDriver {

    @Override
    public String connect(String host) {
        return "begin build Mysql connect："+host;
    }
}

• 2.2)、在mysql-driver工程的 resources/META-INF/services 目录下添加一个名为 com.yibo.spi.DataBaseDriver的文件，这是 JDK SPI 需要读取的配置文件，具体内容如下：

com.yibo.spi.MysqlDriver

• 3、创建oracle-driver工程
• 3.1)、引入database-driver工程依赖，并实现DataBaseDriver接口：

public class OracleDriver implements DataBaseDriver{

    @Override
    public String connect(String host) {
        return "begin build Oracle connect："+host;
    }
}

• 3.2)、在oracle-driver工程的 resources/META-INF/services 目录下添加一个名为 com.yibo.spi.DataBaseDriver的文件，这是 JDK SPI 需要读取的配置文件，具体内容如下：

com.yibo.spi.OracleDriver

• 4、新建client-demo工程，引入database-driver、mysql-driver、oracle-driver依赖

<dependencies>
    <dependency>
        <artifactId>database-driver</artifactId>
        <groupId>com.yibo</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>

    <dependency>
        <artifactId>mysql-driver</artifactId>
        <groupId>com.yibo</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>

    <dependency>
        <artifactId>oracle-driver</artifactId>
        <groupId>com.yibo</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </dependency>
</dependencies>

• 5、创建测试类，加载DataBaseDriver接口，调用connect方法

public class App {

    public static void main( String[] args ) {
        ServiceLoader<DataBaseDriver> serviceLoader = ServiceLoader.load(DataBaseDriver.class);
        System.out.println( "Java SPI" );
        for (DataBaseDriver driver : serviceLoader) {
            System.out.println(driver.connect("localhost"));
        }
    }
}

#输出
Java SPI
begin build Mysql connect：localhost
begin build Oracle connect：localhost

JDK SPI 源码分析

通过上述示例，我们可以看到 JDK SPI 的入口方法是 ServiceLoader.load() 方法，接下来我们就对其具体实现进行深入分析。

在 ServiceLoader.load() 方法中，首先会尝试获取当前使用的 ClassLoader（获取当前线程绑定的 ClassLoader，查找失败后使用 SystemClassLoader），然后调用 reload() 方法。

在 reload() 方法中，首先会清理 providers 缓存（LinkedHashMap 类型的集合），该缓存用来记录 ServiceLoader 创建的实现对象，其中 Key 为实现类的完整类名，Value 为实现类的对象。之后创建 LazyIterator 迭代器，用于读取 SPI 配置文件并实例化实现类对象。

ServiceLoader.reload() 方法的具体实现，如下所示：

private LazyIterator lookupIterator;

// 缓存，用来缓存 ServiceLoader创建的实现对象 
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();
public void reload() {
    providers.clear();// 清空缓存 
    lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);// 迭代器 
}

在前面的示例中，main() 方法中使用的迭代器底层就是调用了 ServiceLoader.LazyIterator 实现的。Iterator 接口有两个关键方法：hasNext() 方法和 next() 方法。这里的 LazyIterator 中的next() 方法最终调用的是其 nextService() 方法，hasNext() 方法最终调用的是 hasNextService() 方法。

首先来看 LazyIterator.hasNextService() 方法，该方法主要负责查找 META-INF/services 目录下的 SPI 配置文件，并进行遍历，大致实现如下所示：

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{

    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
    
    private class LazyIterator implements Iterator<S>{

        Class<S> service;
        ClassLoader loader;
        Enumeration<URL> configs = null;
        Iterator<String> pending = null;
        String nextName = null;
        private boolean hasNextService() {
            if (nextName != null) {
                return true;
            }
            if (configs == null) {
                // PREFIX前缀与服务接口的名称拼接起来，就是META-INF目录下定义的SPI配 
                // 置文件(即示例中的META-INF/services/com.yibo.spi.MysqlDriver) 
                try {
                    String fullName = PREFIX + service.getName();
                    // 加载配置文件 
                    if (loader == null)
                        configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
                    else
                        configs = loader.getResources(fullName);
                } catch (IOException x) {
                    fail(service, "Error locating configuration files", x);
                }
            }
            // 按行SPI遍历配置文件的内容 
            while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
                if (!configs.hasMoreElements()) {
                    return false;
                }
                // 解析配置文件 
                pending = parse(service, configs.nextElement());
            }
            // 更新 nextName字段 
            nextName = pending.next();
            return true;
        }
    }
}

在 hasNextService() 方法中完成 SPI 配置文件的解析之后，再来看 LazyIterator.nextService() 方法，该方法负责实例化 hasNextService() 方法读取到的实现类，其中会将实例化的对象放到 providers 集合中缓存起来，核心实现如下所示：

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{

    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
    
    private class LazyIterator implements Iterator<S>{

        Class<S> service;
        ClassLoader loader;
        Enumeration<URL> configs = null;
        Iterator<String> pending = null;
        String nextName = null;
        
        private S nextService() {
            if (!hasNextService())
                throw new NoSuchElementException();
            String cn = nextName;
            nextName = null;
            Class<?> c = null;
            try {
                // 加载 nextName字段指定的类 
                c = Class.forName(cn, false, loader);
            } catch (ClassNotFoundException x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " not found");
            }
            // 检测类型 
            if (!service.isAssignableFrom(c)) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn  + " not a subtype");
            }
            try {
                // 创建实现类的对象 
                S p = service.cast(c.newInstance());
                // 将实现类名称以及相应实例对象添加到缓存 
                providers.put(cn, p);
                return p;
            } catch (Throwable x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " could not be instantiated",
                     x);
            }
            throw new Error();          // This cannot happen
        }
    }
}

以上就是在 main() 方法中使用的迭代器的底层实现。最后，我们再来看一下 main() 方法中使用ServiceLoader.iterator() 方法拿到的迭代器是如何实现的(foreach在遍历集合时也是依赖于iterator)，这个迭代器是依赖 LazyIterator 实现的一个匿名内部类，核心实现如下：

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>{

    private static final String PREFIX = "META-INF/services/";
    
    public Iterator<S> iterator() {
        return new Iterator<S>() {
            // knownProviders用来迭代providers缓存 
            Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders
                = providers.entrySet().iterator();
            // 先走查询缓存，缓存查询失败，再通过LazyIterator加载 
            public boolean hasNext() {
                if (knownProviders.hasNext())
                    return true;
                return lookupIterator.hasNext();
            }

            public S next() {
                // 先走查询缓存，缓存查询失败，再通过 LazyIterator加载 
                if (knownProviders.hasNext())
                    return knownProviders.next().getValue();
                return lookupIterator.next();
            }

            public void remove() {
                throw new UnsupportedOperationException();
            }

        };
    }
    
    private class LazyIterator implements Iterator<S>{
        。。。。。。
    }
}

JDK SPI 在 JDBC 中的应用

了解了 JDK SPI 实现的原理之后，我们再来看实践中 JDBC 是如何使用 JDK SPI 机制加载不同数据库厂商的实现类。

JDK 中只定义了一个 java.sql.Driver 接口，具体的实现是由不同数据库厂商来提供的。这里我们就以 MySQL 提供的 JDBC 实现包为例进行分析。

在 mysql-connector-java-*.jar 包中的 META-INF/services 目录下，有一个 java.sql.Driver 文件中只有一行内容，如下所示：

com.mysql.cj.jdbc.Driver 

在使用 mysql-connector-java-*.jar 包连接 MySQL 数据库的时候，我们会用到如下语句创建数据库连接：

String url = "jdbc:xxx://xxx:xxx/xxx"; 
Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, pwd); 

DriverManager是 JDK 提供的数据库驱动管理器，其中的代码片段，如下所示：

static { 
    loadInitialDrivers(); 
    println("JDBC DriverManager initialized"); 
} 

在调用 getConnection() 方法的时候，DriverManager 类会被 Java 虚拟机加载、解析并触发 static 代码块的执行；在 loadInitialDrivers() 方法中通过 JDK SPI 扫描 Classpath 下 java.sql.Driver 接口实现类并实例化，核心实现如下所示：

private static void loadInitialDrivers() { 
    String drivers = System.getProperty("jdbc.drivers") 
    // 使用 JDK SPI机制加载所有 java.sql.Driver实现类 
    ServiceLoader<Driver> loadedDrivers =  
           ServiceLoader.load(Driver.class); 
    Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator(); 
    while(driversIterator.hasNext()) { 
        driversIterator.next(); 
    } 
    String[] driversList = drivers.split(":"); 
    for (String aDriver : driversList) { // 初始化Driver实现类 
        Class.forName(aDriver, true, 
            ClassLoader.getSystemClassLoader()); 
    } 
} 

在 MySQL 提供的 com.mysql.cj.jdbc.Driver 实现类中，同样有一段 static 静态代码块，这段代码会创建一个 com.mysql.cj.jdbc.Driver 对象并注册到 DriverManager.registeredDrivers 集合中（CopyOnWriteArrayList 类型），如下所示：

static { 
   java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver()); 
} 

在 getConnection() 方法中，DriverManager 从该 registeredDrivers 集合中获取对应的 Driver 对象创建 Connection，核心实现如下所示：

private static Connection getConnection(String url, java.util.Properties info, Class<?> caller) throws SQLException { 
    // 省略 try/catch代码块以及权限处理逻辑 
    for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) { 
        Connection con = aDriver.driver.connect(url, info); 
        return con; 
    } 
} 

总结
本文介绍了 JDK 提供的 SPI 机制的基本使用，然后深入分析了 JDK SPI 的核心原理和底层实现，对其源码进行了深入剖析，最后我们以 MySQL 提供的 JDBC 实现为例，分析了 JDK SPI 在实践中的使用方式。