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Java | 带你理解 ServiceLoader 的原理与设计思想

前言

  • ServiceLoaderJava提供的一套**SPI(Service Provider Interface,常译:服务发现)**框架,用于实现服务提供方与服务使用方解耦
  • 在这篇文章里,我将带你理解ServiceLoader的原理与设计思想,希望能帮上忙。请点赞,你的点赞和关注真的对我非常重要!

目录


1. SPI 简介

  • 定义

一个服务的注册与发现机制

  • 作用

通过解耦服务提供者与服务使用者,帮助实现模块化、组件化


2. ServiceLoader 使用步骤

我们直接使用JDBC的例子,帮助各位建立起对ServiceLoader 的基本了解,具体如下:

我们都知道JDBC编程有五大基本步骤:

    1. 执行数据库驱动类加载(非必须):Class.forName("com.mysql.jdbc.driver")
    1. 连接数据库:DriverManager.getConnection(url, user, password)
    1. 创建SQL语句:Connection#.creatstatement();
    1. 执行SQL语句并处理结果集:Statement#executeQuery()
    1. 释放资源:ResultSet#close()Statement#close()Connection#close()

操作数据库需要使用厂商提供的数据库驱动程序,直接使用厂商的驱动耦合太强了,更推荐的方法是使用DriveManager管理类:

步骤1:定义服务接口

JDBC抽象出一个服务接口,数据库驱动实现类统一实现这个接口:

public interface Driver {
    // 创建数据库连接
    Connection connect(String url, java.util.Properties info)
        throws SQLException;

    // 省略其他方法...
}
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步骤2:实现服务接口

服务提供者(数据库厂商)提供一个或多个实现这个服务的类(驱动实现类),具体如下:

  • mysqlcom.mysql.cj.jdbc.Driver.java
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
    static {
        try {
            // 注册驱动
            java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
        } catch (SQLException E) {
            throw new RuntimeException("Can't register driver!");
        }
    }
    // 省略...
}
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  • oracleoracle.jdbc.driver.OracleDriver.java
public class OracleDriver implements Driver {
    private static OracleDriver defaultDriver = null;
    static {
        try {
            if (defaultDriver == null) {
                //1. 单例
                defaultDriver = new OracleDriver();
                // 注册驱动
                DriverManager.registerDriver(defaultDriver);
            }
        } catch (RuntimeException localRuntimeException) {
            ;
        } catch (SQLException localSQLException) {
            ;
        }
    }

    // 省略...
}
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步骤3:注册实现类到配置文件

java的同级目录中新建目录resources/META-INF/services,新建一个配置文件java.sql.Driver(文件名为服务接口的全限定名),文件中每一行是实现类的全限定名,例如:

com.mysql.cj.jdbc.Driver
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我们可以解压mysql-connector-java-8.0.19.jar包,找到对应的META-INF文件夹。

步骤4:加载服务

// DriverManager.java
static {
    loadInitialDrivers();
}

private static void loadInitialDrivers() {
    // 省略次要代码...
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            // 使用ServiceLoader遍历实现类
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            // 获得迭代器
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            // 迭代
            try{
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();
                    // 疑问:为什么没有任何处理?
                }
            } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });
    // 省略次要代码...
}
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可以看到,DriverManager的静态代码块调用loadInitialDrivers (),方法内部通过ServiceLoader提供的迭代器Iterator<Driver> 遍历了所有驱动实现类,但是为什么在迭代里没有任何操作呢?

while(driversIterator.hasNext()) {
    driversIterator.next();
    // 疑问:为什么没有任何处理?
}
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在下一节,我们深入ServiceLoader的源码来解答这个问题。


3. ServiceLoader 源码解析

# 提示 #

ServiceLoader中有一些源码使用了安全检测,如AccessController.doPrivileged(),在以下代码摘要中省略

  • 工厂方法

ServiceLoader提供了三个静态泛型工厂方法,内部最终将调用ServiceLoader.load(Class,ClassLoader),具体如下:

// 1.
public static <S> ServiceLoader<S> loadInstalled(Class<S> service) {
    // 使用双亲委派模型中最顶层的ClassLoader
    ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    ClassLoader prev = null;
    while (cl != null) {
        prev = cl;
        cl = cl.getParent();
    }
    return ServiceLoader.load(service, prev);
}

// 2.
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 使用线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

// 3.
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader){
    return new ServiceLoader<>(service, loader);
}
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可以看到,三个方法仅在传入的ClassLoader参数有区别,若还不了解ClassLoader,请务必阅读[《Java | 带你理解 ClassLoader 的原理与设计思想》](Editting...)

  • 构造方法
private final Class<S> service;
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) { 
    service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");
    loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
    reload();
}

public void reload() {
    // 清空 providers
    providers.clear();
    // 实例化 LazyIterator
    lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}
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可以看到,ServiceLoader的构造器中创建了LazyIterator迭代器的实例,这是一个“懒加载”的迭代器。那么这个迭代器在哪里使用的呢?继续往下看~

  • 外部迭代器
private LazyIterator lookupIterator;

// 返回一个新的迭代器,包装了providers和lookupIterator
public Iterator<S> iterator() {
    return new Iterator<S>() {

        Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders
            = providers.entrySet().iterator();

        public boolean hasNext() {
            // 优先从knownProviders取
            if (knownProviders.hasNext())
                return true;
            return lookupIterator.hasNext();
        }

        public S next() {
            // 优先从knownProviders取
            if (knownProviders.hasNext())
                return knownProviders.next().getValue();
            return lookupIterator.next();
        }

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

    };
}
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可以看到,ServiceLoader里有一个泛型方法Iterator<S> iterator(),它包装了providers集合迭代器和lookupIterator两个迭代器,迭代过程中优先从providers获取元素。

为什么要优先从providers集合中取元素呢?阅读源码发现,LazyIterator#next()会将每轮迭代中取到的元素putproviders集合中,providers其实是LazyIterator的内存缓存。

  • 内部迭代器
# 提示 #

以下代码摘要中省略了源码中的try-catch

// ServiceLoader.java

private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

private class LazyIteratorimplements Iterator<S> {

    Class<S> service;
    ClassLoader loader;
    Enumeration<URL> configs = null;
    Iterator<String> pending = null;
    String nextName = null;

    private LazyIterator(Class<S> service, ClassLoader loader) {
        this.service = service;
        this.loader = loader;
    }
    
    private boolean hasNextService() {
        if (nextName != null) {
            return true;
        }
        if (configs == null) {
            // configs 未初始化才执行
            // 配置文件:META-INF/services/服务接口的全限定名
            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;
            }
            // 分析点1:解析配置文件资源
            pending = parse(service, configs.nextElement());
        }
        // nextName:下一个实现类的全限定名
        nextName = pending.next();
        return true;
    }

    private S nextService() {
        if (!hasNextService()) throw new NoSuchElementException();
        String cn = nextName;
        nextName = null;
        // 1. 使用类加载器loader加载
        Class<?> c = Class.forName(cn, false, loader);
        if (!service.isAssignableFrom(c)) {
            ClassCastException cce = new ClassCastException(service.getCanonicalName() + " is not assignable from " + c.getCanonicalName());
            fail(service, "Provider " + cn  + " not a subtype", cce);
        }
        // 2. 根据Class实例化服务实现类
        S p = service.cast(c.newInstance());
        // 3. 服务实现类缓存到 providers
        providers.put(cn, p);
        return p;
    }

    public boolean hasNext() {
        return hasNextService();
    }

    public S next() {
        return nextService();
    }

    public void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}
// 分析点1:解析配置文件资源,实现类的全限定名列表迭代器
private Iterator<String> parse(Class<?> service, URL u) throws ServiceConfigurationError {
    // 使用 UTF-8 编码输入配置文件资源
    InputStream in = u.openStream();
    BufferedReader r = new BufferedReader(new InputStreamReader(in, "utf-8"));
    ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
    int lc = 1;
    while ((lc = parseLine(service, u, r, lc, names)) >= 0);
    return names.iterator();
}
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4. ServiceLoader 要点

理解ServiceLoader源码之后,我们总结要点如下:

  • 约束

    • 服务实现类必须实现服务接口S,参见源码:if (!service.isAssignableFrom(c))
    • 服务实现类需包含无参的构造器,ServiceLoader将通过该无参的构造器来创建服务实现者的实例,参见源码:S p = service.cast(c.newInstance());
    • 配置文件需要使用UTF-8编码,参见源码:new BufferedReader(new InputStreamReader(in, "utf-8"));
  • 懒加载

ServiceLoader使用“懒加载”的方式创建服务实现类实例,只有在迭代器推进的时候才会创建实例,参见源码:nextService()

  • 内存缓存

ServiceLoader使用LinkedHashMap缓存创建的服务实现类实例,LinkedHashMap在二次迭代时会按照Map#put执行顺序遍历

  • 服务实现的选择

当存在多个提供者时,服务消费者模块不一定要全部使用,而是需要根据某些特性筛选一种最佳实现。ServiceLoader的机制只能在遍历整个迭代器的过程中,从发现的实现类中决策出一个最佳实现,例如使用Charset.forName(String)获得Charset实现类:

// 服务接口
public abstract class CharsetProvider {
    public abstract Charset charsetForName(String charsetName);
    // 省略其他方法...
}

// Charset.java
public static Charset forName(String charsetName) {
    // 以下只摘要与ServiceLoader有关的逻辑
    ServiceLoader<CharsetProvider> sl = ServiceLoader.load(CharsetProvider.class, cl);
    Iterator<CharsetProvider> i = sl.iterator();
    for (Iterator<CharsetProvider> i = providers(); i.hasNext();) {
        CharsetProvider cp = i.next();
        // 满足匹配条件,return
        Charset cs = cp.charsetForName(charsetName);
        if (cs != null)
            return cs;
    }
}

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  • ServiceLoader没有提供服务的注销机制

服务实现类实例被创建后,它的垃圾回收的行为与Java中的其他对象一样,只有这个对象没有到GC Root的强引用,才能作为垃圾回收。


5. 问题回归

现在我们回到阅读DriverManager源码提出的疑问:

while(driversIterator.hasNext()) {
    driversIterator.next();
    // 疑问:为什么没有任何处理?
}
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为什么next()操作既不取得服务实现类对象,后续也没有任何处理呢?我们再回去看下LazyIterator#next()的源码:

// ServiceLoader.java

// next() 直接调用 nextService()
private S nextService() {
    if (!hasNextService()) throw new NoSuchElementException();
    String cn = nextName;
    nextName = null;
    // 1. 使用类加载器loader加载
    Class<?> c = Class.forName(cn, false, loader);
    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        ClassCastException cce = new ClassCastException(service.getCanonicalName() + " is not assignable from " + c.getCanonicalName());
        fail(service, "Provider " + cn  + " not a subtype", cce);
    }
    // 2. 根据Class实例化服务实现类
    S p = service.cast(c.newInstance());
    // 3. 服务实现类缓存到 providers
    providers.put(cn, p);
    return p;
}
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    1. 使用类加载器loader加载:Class<?> c = Class.forName(cn, false, loader);

这里传参使用false,类加载器将执行加载 -> 链接,不会执行初始化

    1. 根据 Class 实例化服务实现类

由于创建类实例前一定会保证类加载完成,因此这里类加载器隐式执行了初始化,这就包括了类的静态代码块执行

回过头看com.mysql.cj.jdbc.Driveroracle.jdbc.driver.OracleDriver源码,我们都发现了类似的静态代码块:

static {
    try {
        // 注册驱动
        java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
    } catch (SQLException E) {
        throw new RuntimeException("Can't register driver!");
    }
}
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可以看到,它们都调用了DriverManager#registerDriver注册了一个服务实现类实例,保存在CopyOnWriteArrayList中,后续获取数据库连接时是从这个列表中获取数据库驱动。现在,你理解了吗?


6. 总结

    1. ServiceLoader基于 SPI 思想,可以实现服务提供方与服务使用方解耦,是模块化组件化的一种实现方式
    1. ServiceLoader是一个相对简易的框架,往往只在Java源码中使用,为了满足复杂业务的需要,一般会使用提供SPI功能的第三方框架,例如后台的Dubbo、客户端的ARouterWMRouter

在后面的文章中,我将与你探讨ARouterWMRouter的源码实现,欢迎关注彭旭锐的博客。


参考资料


推荐阅读

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