搞懂dubbo的SPI扩展机制

引言

SPI 全称为 Service Provider Interface，是一种服务发现机制。SPI 的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。这样可以在运行时，动态为接口替换实现类。正因此特性，我们可以很容易的通过 SPI 机制为我们的程序提供拓展功能。

在谈dubbo的SPI扩展机制之前，我们需要先了解下java原生的SPI机制，有助于我们更好的了解dubbo的SPI。

java原生的SPI

先上例子：

  1. 定义接口Animal ：
public interface Animal {
   void run();
}
  1. 编写2个实现类，Cat和Dog
public class Cat implements Animal{
   @Override
   public void run() {
      System.out.println("小猫步走起来～");
   }
}
public class Dog implements Animal {
   @Override
   public void run() {
      System.out.println("小狗飞奔～");
   }
}
  1. 接下来在 META-INF/services 文件夹下创建一个文件，名称为 Animal 的全限定名 com.sunnick.animal.Animal，文件内容为实现类的全限定的类名，如下：
com.sunnick.animal.impl.Dog  
com.sunnick.animal.impl.Cat
  1. 编写方法进行测试
public static void main(String[] s){
   System.out.println("======this is SPI======");
   ServiceLoader<Animal> serviceLoader = ServiceLoader.load(Animal.class);  
       Iterator<Animal> animals = serviceLoader.iterator();  
       while (animals.hasNext()) {  
           animals.next().run();
       }
}

目录结构如下：

目录结构

测试结果如下：

======this is SPI======
小狗飞奔～
小猫步走起来～

从测试结果可以看出，我们的两个实现类被成功的加载，并输出了相应的内容。但我们并没有在代码中显示指定Animal的类型，这就是java原生的SPI机制在发挥作用。

SPI机制如下：


SPI机制

SPI实际上是“接口+策略模式+配置文件”实现的动态加载机制。在系统设计中，模块之间通常基于接口编程，不直接显示指定实现类。一旦代码里指定了实现类，就无法在不修改代码的情况下替换为另一种实现。为了达到动态可插拔的效果，java提供了SPI以实现服务发现。

在上述例子中，通过ServiceLoader.load(Animal.class)方法动态加载Animal的实现类，通过追踪该方法的源码，发现程序会去读取META-INF/services目录下文件名为类名的配置文件（如上述例子中的META-INF/services/com.sunnick.animal.Animal文件），如下，其中PREFIX 常量值为”META-INF/services/”:

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);
}

然后再通过反射Class.forName()加载类对象，并用instance()方法将类实例化，从而完成了服务发现。

String cn = nextName;
nextName = null;
Class<?> c = null;
try {
    c = Class.forName(cn, false, loader);
} catch (ClassNotFoundException x) {
    fail(service,"Provider " + cn + " not found");
}

许多常用的框架都使用SPI机制，如slf日志门面和log4j、logback等日志实现，jdbc的java,sql.Driver接口和各种数据库的connector的实现等。

dubbo的SPI使用

Dubbo 并未使用 Java SPI，而是重新实现了一套功能更强的 SPI 机制。Dubbo SPI 的相关逻辑被封装在了 ExtensionLoader 类中，通过 ExtensionLoader，我们可以加载指定的实现类。Dubbo SPI 所需的配置文件需放置在 META-INF/dubbo 路径下，配置内容如下:

dog=com.sunnick.animal.impl.Dog  
cat=com.sunnick.animal.impl.Cat

与 Java SPI 实现类配置不同，Dubbo SPI 是通过键值对的方式进行配置，这样就可以按需加载指定的实现类。另外，在使用Dubbo SPI 时，需要在 Animal接口上标注 @SPI 注解，Cat与Dog类不变。下面来演示 Dubbo SPI 的用法：

@SPI
public interface Animal {
   void run();
}

编写测试方法：

public void testDubboSPI(){
   System.out.println("======dubbo SPI======");
   ExtensionLoader<Animal> extensionLoader =
         ExtensionLoader.getExtensionLoader(Animal.class);
   Animal cat = extensionLoader.getExtension("cat");
   cat.run();
   Animal dog = extensionLoader.getExtension("dog");
   dog.run();
}

测试结果如下：

======dubbo SPI======
小猫步走起来～
小狗飞奔～

dubbo的SPI源码分析

Dubbo通过ExtensionLoader.getExtensionLoader(Animal.class).getExtension("cat")方法获取实例。该方法中，会先到缓存列表中获取实例，若未命中，则创建实例：

public T getExtension(String name) {
    if(name != null && name.length() != 0) {
        if("true".equals(name)) {
    // 获取默认的拓展实现类
            return this.getDefaultExtension();
        } else {
      // Holder，顾名思义，用于持有目标对象
            Holder holder = (Holder)this.cachedInstances.get(name);
            if(holder == null) {
                this.cachedInstances.putIfAbsent(name, new Holder());
                holder = (Holder)this.cachedInstances.get(name);
            }
            Object instance = holder.get();
      // 双重检查
            if(instance == null) {
                synchronized(holder) {
                    instance = holder.get();
                    if(instance == null) {
             // 创建拓展实例
                        instance = this.createExtension(name);
                        holder.set(instance);
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    } else {
        throw new IllegalArgumentException("Extension name == null");
    }
}

创建实例过程如下，即createExtension()方法：

private T createExtension(String name) {
//获取所有的SPI配置文件，并解析配置文件中的键值对
    Class clazz = (Class)this.getExtensionClasses().get(name);
    if(clazz == null) {
        throw this.findException(name);
    } else {
        try {
            Object t = EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
            if(t == null) {
          //通过反射创建实例
                EXTENSION_INSTANCES.putIfAbsent(clazz, clazz.newInstance());
                t = EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
            }
    //此处省略一些源码 ......
            return t;
        } catch (Throwable var7) {
            throw new IllegalStateException("Extension instance(name: " + name + ", class: " + this.type + ")  could not be instantiated: " + var7.getMessage(), var7);
        }
    }
}

获取所有的SPI配置文件，并解析配置文件中的键值对的方法getExtensionClasses()的源码如下:

private Map<String, Class<?>> getExtensionClasses() {
// 从缓存中获取已加载的拓展类
    Map classes = (Map)this.cachedClasses.get();
//双重检查
    if(classes == null) {
        Holder var2 = this.cachedClasses;
        synchronized(this.cachedClasses) {
            classes = (Map)this.cachedClasses.get();
            if(classes == null) {
          //加载拓展类
                classes = this.loadExtensionClasses();
                this.cachedClasses.set(classes);
            }
        }
    }
    return classes;
}

这里也是先检查缓存，若缓存未命中，则通过 synchronized 加锁。加锁后再次检查缓存，并判空。此时如果 classes 仍为 null，则通过 loadExtensionClasses 加载拓展类。下面分析 loadExtensionClasses 方法的逻辑。

private Map<String, Class<?>> loadExtensionClasses() {
// 获取 SPI 注解，这里的 type 变量是在调用 getExtensionLoader 方法时传入的，即示例中的Animal
    SPI defaultAnnotation = (SPI)this.type.getAnnotation(SPI.class);
    if(defaultAnnotation != null) {
        String extensionClasses = defaultAnnotation.value();
        if(extensionClasses != null && (extensionClasses = extensionClasses.trim()).length() > 0) {
      // 对 SPI 注解内容进行切分
            String[] names = NAME_SEPARATOR.split(extensionClasses);
      // 检测 SPI 注解内容是否合法，不合法则抛出异常
            if(names.length > 1) {
                throw new IllegalStateException("more than 1 default extension name on extension " + this.type.getName() + ": " + Arrays.toString(names));
            }

            if(names.length == 1) {
                this.cachedDefaultName = names[0];
            }
        }
    }
    HashMap extensionClasses1 = new HashMap();
// 加载指定文件夹下的配置文件
    this.loadFile(extensionClasses1, "META-INF/dubbo/internal/");
    this.loadFile(extensionClasses1, "META-INF/dubbo/");
    this.loadFile(extensionClasses1, "META-INF/services/");
    return extensionClasses1;
}

可以看出，最后调用了loadFile方法，该方法就是从指定的目录下读取指定的文件名，解析其内容，将键值对放入map中，其过程不在赘述。

以上就是dubbo的SPI加载实例的过程。

Dubbo SPI与原生SPI的对比

java原生SPI有以下几个缺点：

  1. 需要遍历所有的实现并实例化，无法只加载某个指定的实现类，加载机制不够灵活；

  2. 配置文件中没有给实现类命名，无法在程序中准确的引用它们；

  3. 没有使用缓存，每次调用load方法都需要重新加载

如果想使用Dubbo SPI，接口必须打上@SPI注解。相比之下，Dubbo SPI有以下几点改进：

  1. 配置文件改为键值对形式，可以获取任一实现类，而无需加载所有实现类，节约资源；

  2. 增加了缓存来存储实例，提高了读取的性能；

除此之外，dubbo SPI还提供了默认值的指定方式（例如可通过@SPI（“cat”）方式指定Animal的默认实现类为Cat）。同时dubbo SPI还提供了对IOC和AOP等高级功能的支持，以实现更多类型的扩展。

总结

SPI是一种服务发现机制，提供了动态发现实现类的能力，体现了分层解耦的思想。

在架构设计和代码编写过程中，模块之间应该针对接口编程，避免直接引用具体的实现类，可达到可插拔的效果。

Dubbo提供了增强版的SPI机制，在使用过程中，需要在接口上打上@SPI注解才能生效。

历史文章：基于事件驱动架构的用户成长体系

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