Java 6 引入了一项用于发现和加载与给定接口匹配的实现的功能：服务提供者接口（SPI：Service Provider Interface），是JDK内置的一种服务提供发现机制，本文详细绍了Java SPI机制，帮助你理解Java SPI的原理机制。
SPI的定义
SPI（Service Provider Interface），是JDK内置的一种 服务提供发现机制，可以用来启用框架扩展和替换组件，主要是被框架的开发人员使用，比如java.sql.Driver接口，其他不同厂商可以针对同一接口做出不同的实现，MySQL和PostgreSQL都有不同的实现提供给用户，而Java的SPI机制可以为某个接口寻找服务实现。Java中SPI机制主要思想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，其核心思想就是 解耦。 SPI与API区别：
- API是调用并用于实现目标的类、接口、方法等的描述；
- SPI是扩展和实现以实现目标的类、接口、方法等的描述；
换句话说，API 为操作提供特定的类、方法，SPI 通过操作来符合特定的类、方法。
Java SPI的术语和定义
Java SPI 定义了四个主要组件
服务
一组众所周知的编程接口和类，提供对某些特定应用程序功能或特性的访问。
服务提供者接口
如果服务是一个接口，那么它与服务提供者接口相同。
服务和 SPI 一起在 Java 生态系统中被称为 API。
服务提供商
SPI 的特定实现。服务提供者包含一个或多个实现或扩展服务类型的具体类。
服务提供者通过提供者配置文件进行配置和识别，我们将该文件放在资源目录META-INF/services中。文件名是 SPI 的完全限定名称，其内容是 SPI 实现的完全限定名称。
服务提供程序以扩展的形式安装，扩展是一个 jar 文件，我们将其放在应用程序类路径、Java 扩展类路径或用户定义的类路径中。
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，这个文件里的内容就是这个接口的具体的实现类。当其他的程序需要这个服务的时候，就可以通过查找这个jar包（一般都是以jar包做依赖）的META-INF/services/中的配置文件，配置文件中有接口的具体实现类名，可以根据这个类名进行加载实例化，就可以使用该服务了。JDK中查找服务的实现的工具类是：java.util.ServiceLoader。
服务加载器
SPI 的核心是ServiceLoader类。它的作用是延迟发现和加载实现。它使用上下文类路径来定位提供程序实现并将它们放入内部缓存中。
SPI应用场景
SPI扩展机制应用场景有很多，比如Common-Logging，JDBC，Dubbo等等。
SPI流程：
- 有关组织和公式定义接口标准
- 第三方提供具体实现: 实现具体方法, 配置 META-INF/services/${interface_name} 文件
- 开发者使用
比如JDBC场景下：
- 首先在Java中定义了接口java.sql.Driver，并没有具体的实现，具体的实现都是由不同厂商提供。
- 在MySQL的jar包mysql-connector-java-6.0.6.jar中，可以找到META-INF/services目录，该目录下会有一个名字为java.sql.Driver的文件，文件内容是com.mysql.cj.jdbc.Driver，这里面的内容就是针对Java中定义的接口的实现。
- 同样在PostgreSQL的jar包PostgreSQL-42.0.0.jar中，也可以找到同样的配置文件，文件内容是org.postgresql.Driver，这是PostgreSQL对Java的java.sql.Driver的实现。
SPI简单示例
1.定义一个接口HelloSPI
package com.learning.study.spidemo.spi;
public interface HelloSPI {
void sayHello();
}
2.完成接口的多个实现
package com.learning.spidemo.spi;
public class AppleHello implements HelloSPI {
public void sayHello() {
System.out.println("Apple Say Hello");
}
}
package com.learning.spidemo.spi;
public class OrangeHello implements HelloSPI {
public void sayHello() {
System.out.println("Orange Say Hello");
}
}
在META-INF/services/目录里创建一个以com.vivo.study.spidemo.spi.HelloSPI的文件，这个文件里的内容就是这个接口的具体的实现类。
具体内容如下：
com.learning.spidemo.spi.AppleHello
com.learning.spidemo.spi.OrangeHello
3.使用 ServiceLoader 来加载配置文件中指定的实现
package com.learning.spidemo.spi;
import java.util.ServiceLoader;
public class SPIDemo {
public static void main(String[] args) {
ServiceLoader<HelloSPI> serviceLoader = ServiceLoader.load(HelloSPI.class);
// 执行不同厂商的业务实现，具体根据业务需求配置
for (HelloSPI helloSPI : serviceLoader) {
helloSPI.sayHello();
}
}
}
代码运行输出结果：
Apple Say Hello
Orange Say Hello
SPI和API的区别是什么
这里实际包含两个问题，第一个SPI和API的区别？第二个什么时候用API，什么时候用SPI？
SPI - “接口”位于“调用方”所在的“包”中
- 概念上更依赖调用方。
- 组织上位于调用方所在的包中。
- 实现位于独立的包中。
- 常见的例子是：插件模式的插件。
API - “接口”位于“实现方”所在的“包”中
- 概念上更接近实现方。
- 组织上位于实现方所在的包中。
- 实现和接口在一个包中。
参考：
SPI核心原理
SPI 的核心是ServiceLoader类。它的作用是延迟发现和加载实现。它使用上下文类路径来定位提供程序实现并将它们放入内部缓存中。
//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() + "]";
}
}
- ServiceLoader实现了Iterable接口，所以它有迭代器的属性，这里主要都是实现了迭代器的hasNext和next方法。这里主要都是调用的lookupIterator的相应hasNext和next方法，lookupIterator是懒加载迭代器。
- LazyIterator中的hasNext方法，静态变量PREFIX就是”META-INF/services/”目录，这也就是为什么需要在classpath下的META-INF/services/目录里创建一个以服务接口命名的文件。
- 通过反射方法Class.forName()加载类对象，并用newInstance方法将类实例化，并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。
所以我们可以看到ServiceLoader不是实例化以后，就去读取配置文件中的具体实现，并进行实例化。而是等到使用迭代器去遍历的时候，才会加载对应的配置文件去解析，调用hasNext方法的时候会去加载配置文件进行解析，调用next方法的时候进行实例化并缓存。
所有的配置文件只会加载一次，服务提供者也只会被实例化一次，重新加载配置文件可使用reload方法。
结论
现在我们已经通过明确的步骤探索了 Java SPI 机制，应该清楚地了解如何使用 Java SPI 创建易于扩展或替换的模块。
