Java、Spring、Dubbo三者SPI机制的原理和区别

今天来跟大家聊一聊Java、Spring、Dubbo三者SPI机制的原理和区别。

其实我之前写过一篇类似的文章，但是这篇文章主要是剖析dubbo的SPI机制的源码，中间只是简单地介绍了一下Java、Spring的SPI机制，并没有进行深入，所以本篇就来深入聊一聊这三者的原理和区别。

什么是SPI

SPI全称为Service Provider Interface，是一种动态替换发现的机制，一种解耦非常优秀的思想，SPI可以很灵活的让接口和实现分离，让api提供者只提供接口，第三方来实现，然后可以使用配置文件的方式来实现替换或者扩展，在框架中比较常见，提高框架的可扩展性。

简单来说SPI是一种非常优秀的设计思想，它的核心就是解耦、方便扩展。

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Java SPI机制--ServiceLoader

ServiceLoader是Java提供的一种简单的SPI机制的实现，Java的SPI实现约定了以下两件事：

文件必须放在META-INF/services/目录底下

文件名必须为接口的全限定名，内容为接口实现的全限定名

这样就能够通过ServiceLoader加载到文件中接口的实现。

来个demo

第一步，需要一个接口以及他的实现类

 

public interface LoadBalance {
}

public class RandomLoadBalance implements LoadBalance{
}

 

第二步，在META-INF/services/目录创建一个文件名LoadBalance全限定名的文件，文件内容为RandomLoadBalance的全限定名

测试类：

 

public class ServiceLoaderDemo {

  public static void main(String[] args) {
    ServiceLoader loadBalanceServiceLoader = ServiceLoader.load(LoadBalance.class);
    Iterator iterator = loadBalanceServiceLoader.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
      LoadBalance loadBalance = iterator.next();
      System.out.println("获取到负载均衡策略:" + loadBalance);
    }
  }

}

 

测试结果：

此时就成功获取到了实现。

在实际的框架设计中，上面这段测试代码其实是框架作者写到框架内部的，而对于框架的使用者来说，要想自定义LoadBalance实现，嵌入到框架，仅仅只需要写接口的实现和spi文件即可。

实现原理

如下是ServiceLoader中一段核心代码

首先获取一个fullName，其实就是META-INF/services/接口的全限定名

然后通过ClassLoader获取到资源，其实就是接口的全限定名文件对应的资源，然后交给parse方法解析资源

parse方法其实就是通过IO流读取文件的内容，这样就可以获取到接口的实现的全限定名

再后面其实就是通过反射实例化对象，这里就不展示了。

所以其实不难发现ServiceLoader实现原理比较简单，总结起来就是通过IO流读取META-INF/services/接口的全限定名文件的内容，然后反射实例化对象。

优缺点

由于Java的SPI机制实现的比较简单，所以他也有一些缺点。

第一点就是浪费资源，虽然例子中只有一个实现类，但是实际情况下可能会有很多实现类，而Java的SPI会一股脑全进行实例化，但是这些实现了不一定都用得着，所以就会白白浪费资源。

第二点就是无法对区分具体的实现，也就是这么多实现类，到底该用哪个实现呢？如果要判断具体使用哪个，只能依靠接口本身的设计，比如接口可以设计为一个策略接口，又或者接口可以设计带有优先级的，但是不论怎样设计，框架作者都得写代码进行判断。

所以总得来说就是ServiceLoader无法做到按需加载或者按需获取某个具体的实现。

使用场景

虽然说ServiceLoader可能有些缺点，但是还是有使用场景的，比如说：

不需要选择具体的实现，每个被加载的实现都需要被用到

虽然需要选择具体的实现，但是可以通过对接口的设计来解决

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Spring SPI机制--SpringFactoriesLoader

Spring我们都不陌生，他也提供了一种SPI的实现SpringFactoriesLoader。

Spring的SPI机制的约定如下：

配置文件必须在META-INF/目录下，文件名必须为spring.factories

文件内容为键值对，一个键可以有多个值，只需要用逗号分割就行，同时键值都需要是类的全限定名，键和值可以没有任何类与类之间的关系，当然也可以有实现的关系。

所以也可以看出，Spring的SPI机制跟Java的不论是文件名还是内容约定都不一样。

来个demo

在META-INF/目录下创建spring.factories文件，LoadBalance为键，RandomLoadBalance为值

测试：

 

public class SpringFactoriesLoaderDemo {

  public static void main(String[] args) {
    List loadBalances = SpringFactoriesLoader.loadFactories(LoadBalance.class, MyEnableAutoConfiguration.class.getClassLoader());
    for (LoadBalance loadBalance : loadBalances) {
      System.out.println("获取到LoadBalance对象:" + loadBalance);
    }
  }

}

 

运行结果：

成功获取到了实现对象。

核心原理

如下是SpringFactoriesLoader中一段核心代码

其实从这可以看出，跟Java实现的差不多，只不过读的是META-INF/目录下spring.factories文件内容，然后解析出来键值对。

使用场景

Spring的SPI机制在内部使用的非常多，尤其在SpringBoot中大量使用，SpringBoot启动过程中很多扩展点都是通过SPI机制来实现的，这里我举两个例子

1、自动装配

在SpringBoot3.0之前的版本，自动装配是通过SpringFactoriesLoader来加载的。

但是SpringBoot3.0之后不再使用SpringFactoriesLoader，而是Spring重新从META-INF/spring/目录下的org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfiguration.imports文件中读取了。

至于如何读取的，其实猜也能猜到就跟上面SPI机制读取的方式大概差不多，就是文件路径和名称不一样。

2、PropertySourceLoader的加载

PropertySourceLoader是用来解析application配置文件的，它是一个接口

SpringBoot默认提供了 PropertiesPropertySourceLoader 和 YamlPropertySourceLoader两个实现，就是对应properties和yaml文件格式的解析。

SpringBoot在加载PropertySourceLoader时就用了SPI机制

与Java SPI机制对比

首先Spring的SPI机制对Java的SPI机制对进行了一些简化，Java的SPI每个接口都需要对应的文件，而Spring的SPI机制只需要一个spring.factories文件。

其次是内容，Java的SPI机制文件内容必须为接口的实现类，而Spring的SPI并不要求键值对必须有什么关系，更加灵活。

第三点就是Spring的SPI机制提供了获取类限定名的方法loadFactoryNames，而Java的SPI机制是没有的。通过这个方法获取到类限定名之后就可以将这些类注入到Spring容器中，用Spring容器加载这些Bean，而不仅仅是通过反射。

但是Spring的SPI也同样没有实现获取指定某个指定实现类的功能，所以要想能够找到具体的某个实现类，还得依靠具体接口的设计。

所以不知道你有没有发现，PropertySourceLoader它其实就是一个策略接口，注释也有说，所以当你的配置文件是properties格式的时候，他可以找到解析properties格式的PropertiesPropertySourceLoader对象来解析配置文件。

Dubbo SPI机制--ExtensionLoader

ExtensionLoader是dubbo的SPI机制的实现类。每一个接口都会有一个自己的ExtensionLoader实例对象，这点跟Java的SPI机制是一样的。

同样地，Dubbo的SPI机制也做了以下几点约定：

接口必须要加@SPI注解

配置文件可以放在META-INF/services/、META-INF/dubbo/internal/ 、META-INF/dubbo/ 、META-INF/dubbo/external/这四个目录底下，文件名也是接口的全限定名

内容为键值对，键为短名称（可以理解为spring中Bean的名称），值为实现类的全限定名

先来个demo

首先在LoadBalance接口上@SPI注解

 

@SPI
public interface LoadBalance {

}

 

然后，修改一下Java的SPI机制测试时配置文件内容，改为键值对，因为Dubbo的SPI机制也可以从META-INF/services/目录下读取文件，所以这里就没重写文件

 

random=com.sanyou.spi.demo.RandomLoadBalance

 

测试类：

 

public class ExtensionLoaderDemo {

  public static void main(String[] args) {
    ExtensionLoader extensionLoader = ExtensionLoader.getExtensionLoader(LoadBalance.class);
    LoadBalance loadBalance = extensionLoader.getExtension("random");
    System.out.println("获取到random键对应的实现类对象：" + loadBalance);
  }

}

 

通过ExtensionLoader的getExtension方法，传入短名称，这样就可以精确地找到短名称对的实现类。

所以从这可以看出Dubbo的SPI机制解决了前面提到的无法获取指定实现类的问题。

测试结果：

dubbo的SPI机制除了解决了无法获取指定实现类的问题，还提供了很多额外的功能，这些功能在dubbo内部用的非常多，接下来就来详细讲讲。

dubbo核心机制

1、自适应机制

自适应，自适应扩展类的含义是说，基于参数，在运行时动态选择到具体的目标类，然后执行。

每个接口有且只能有一个自适应类，通过ExtensionLoader的getAdaptiveExtension方法就可以获取到这个类的对象，这个对象可以根据运行时具体的参数找到目标实现类对象，然后调用目标对象的方法。

举个例子，假设上面的LoadBalance有个自适应对象，那么获取到这个自适应对象之后，如果在运行期间传入了random这个key，那么这个自适应对象就会找到random这个key对应的实现类，调用那个实现类的方法，如果动态传入了其它的key，就路由到其它的实现类。

自适应类有两种方式产生，第一种就是自己指定，在接口的实现类上加@Adaptive注解，那么这个这个实现类就是自适应实现类。

 

@Adaptive
public class RandomLoadBalance implements LoadBalance{
}

 

除了自己代码指定，还有一种就是dubbo会根据一些条件帮你动态生成一个自适应类，生成过程比较复杂，这里就不展开了。

自适应机制在Dubbo中用的非常多，而且很多都是自动生成的，如果你不知道Dubbo的自适应机制，你在读源码的时候可能都不知道为什么代码可以走到那里。。

2、IOC和AOP

一提到IOC和AOP，立马想到的都是Spring，但是IOC和AOP并不是Spring特有的概念，Dubbo也实现IOC和AOP的功能，但是是一个轻量级的。

2.1、依赖注入

Dubbo依赖注入是通过setter注入的方式，注入的对象默认就是上面提到的自适应的对象，在Spring环境下可以注入Spring Bean。

 

public class RoundRobinLoadBalance implements LoadBalance {

  private LoadBalance loadBalance;

  public void setLoadBalance(LoadBalance loadBalance) {
    this.loadBalance = loadBalance;
  }

}

 

如上代码，RoundRobinLoadBalance中有一个setLoadBalance方法，参数LoadBalance，在创建RoundRobinLoadBalance的时候，在非Spring环境底下，Dubbo就会找到LoadBalance自适应对象然后通过反射注入。

这种方式在Dubbo中也很常见，比如如下的一个场景

RegistryProtocol中会注入一个Protocol，其实这个注入的Protocol就是一个自适应对象。

2.2、接口回调

Dubbo也提供了一些类似于Spring的一些接口的回调功能，比如说，如果你的类实现了Lifecycle接口，那么创建或者销毁的时候就会回调以下几个方法

在dubbo3.x的某个版本之后，dubbo提供了更多接口回调，比如说ExtensionPostProcessor、ExtensionAccessorAware，命名跟Spring的非常相似，作用也差不多。

2.3、自动包装

自动包装其实就是aop的功能实现，对目标对象进行代理，并且这个aop功能在默认情况下就是开启的。

在Dubbo中SPI接口的实现中，有一种特殊的类，被称为Wrapper类，这个类的作用就是来实现AOP的。

判断Wrapper类的唯一标准就是这个类中必须要有这么一个构造参数，这个构造方法的参数只有一个，并且参数类型就是接口的类型，如下代码：

 

public class RoundRobinLoadBalance implements LoadBalance {

  private final LoadBalance loadBalance;

  public RoundRobinLoadBalance(LoadBalance loadBalance) {
    this.loadBalance = loadBalance;
  }

}

 

此时RoundRobinLoadBalance就是一个Wrapper类。

当通过random获取RandomLoadBalance目标对象时，那么默认情况下就会对RandomLoadBalance进行包装，真正获取到的其实是RoundRobinLoadBalance对象，RoundRobinLoadBalance内部引用的对象是RandomLoadBalance。

*测试一下 *

在配置文件中加入

 

roundrobin=com.sanyou.spi.demo.RoundRobinLoadBalance

 

测试结果

从结果可以看出，虽然指定了random，但是实际获取到的是RoundRobinLoadBalance，而RoundRobinLoadBalance内部引用了RandomLoadBalance。

如果有很多的包装类，那么就会形成一个责任链条，一个套一个。

所以dubbo的aop跟spring的aop实现是不一样的，spring的aop底层是基于动态代理来的，而dubbo的aop其实算是静态代理，dubbo会帮你自动组装这个代理，形成一条责任链。

到这其实我们已经知道，dubbo的spi接口的实现类已经有两种类型了：

自适应类

Wrapper类

除了这两种类型，其实还有一种，叫做默认类，就是@SPI注解的值对应的实现类，比如

 

@SPI("random")
public interface LoadBalance {

}

 

此时random这个key对应的实现类就是默认实现，通过getDefaultExtension这个方法就可以获取到默认实现对象。

3、自动激活

所谓的自动激活，就是根据你的入参，动态地选择一批实现类返回给你。

自动激活的实现类上需要加上Activate注解，这里就又学习了一种实现类的分类。

 

@Activate
public interface RandomLoadBalance {

}

 

此时RandomLoadBalance就属于可以被自动激活的类。

获取自动激活类的方法是getActivateExtension，所以根据这个方法的入参，可以动态选择一批实现类。

自动激活这个机制在Dubbo一个核心的使用场景就是Filter过滤器链中。

Filter是dubbo中的一个扩展点，可以在请求发起前或者是响应获取之后就行拦截，作用有点像Spring MVC中的HandlerInterceptor。

Filter的一些实现类

如上Filter有很多实现，所以为了能够区分Filter的实现是作用于provider的还是consumer端，所以就可以用自动激活的机制来根据入参来动态选择一批Filter实现。

比如说ConsumerContextFilter这个Filter就作用于Consumer端。

ConsumerContextFilter

总结

通过以上分析可以看出，实现SPI机制的核心原理就是通过IO流读取指定文件的内容，然后解析，最后加入一些自己的特性。

最后总的来说，Java的SPI实现的比较简单，并没有什么其它功能；Spring得益于自身的ioc和aop的功能，所以也没有实现太复杂的SPI机制，仅仅是对Java做了一点简化和优化；但是dubbo的SPI机制为了满足自身框架的使用要求，实现的功能就比较多，不仅将ioc和aop的功能集成到SPI机制中，还提供注入自适应和自动激活等功能。

　　审核编辑：汤梓红