dubbo之SPI

1、SPI简介

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。SPI 机制在第三方框架中也有所应用，比如 Dubbo 就是通过 SPI 机制加载所有的组件。不过，Dubbo 并未使用 Java 原生的 SPI 机制，而是对其进行了增强，使其能够更好的满足需求。在 Dubbo 中，SPI 是一个非常重要的模块。基于 SPI，我们可以很容易的对 Dubbo 进行拓展。如果大家想要学习 Dubbo 的源码，SPI 机制务必弄懂。接下来，我们先来了解一下 Java SPI 与 Dubbo SPI 的用法，然后再来分析 Dubbo SPI 的源码。

2、SPI示例

2.1 Java SPI示例

本节通过一个示例演示 Java SPI 的使用方法。首先，我们定义一个接口，名称为 HelloService。

public interface HelloService {
    void sayHello();
}

家下来定义两个实现类：HelloAService、HelloBService；

public class HelloAService implements HelloService {
    
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am A");
    }
}

public class HelloBService implements HelloService {

    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am B");
    }
}

接下来 META-INF/services 文件夹下创建一个文件，名称为 Robot 的全限定名 org.apache.spi.Robot。文件内容为实现类的全限定的类名，如下：

org.apache.spi.HelloAService
org.apache.spi.HelloBService

做好所需的准备工作，接下来编写代码进行测试

public class JavaSPITest {

    @Test
    public void sayHello() throws Exception {
        ServiceLoader<HelloService> serviceLoader = ServiceLoader.load(HelloService.class);
        System.out.println("Java SPI");
        serviceLoader.forEach(HelloService::sayHello);
    }
}

最后结果如下：

Java SPI
Hello, I am A
Hello, I am B

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。关于 Java SPI 的演示先到这里，接下来演示 Dubbo SPI。

2.2 Dubbo SPI

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。

helloAService = org.apache.spi.HelloAService
helloBService = org.apache.spi.HelloBService

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，这样我们可以按需加载指定的实现类。另外，在测试 Dubbo SPI 时，需要在 Robot 接口上标注 @SPI 注解。下面来演示 Dubbo SPI 的用法：

public class DubboSPITest {

    @Test
    public void sayHello() throws Exception {
        ExtensionLoader<HelloService> extensionLoader = 
            ExtensionLoader.getExtensionLoader(HelloService.class);
        HelloService a = extensionLoader.getExtension("HelloAService");
        a.sayHello();
        HelloService b = extensionLoader.getExtension("HelloBService");
        b.sayHello();
    }
}

测试结果如下：

Java SPI
Hello, I am A
Hello, I am B

3、Dubbo SPI源码解析

Dubbo SPI相关逻辑都在ExtensionLoader 类中，首先通过getExtensionLoader获取一个ExtensionLoader实例，然后在根据getExtension获取type的扩展类。
getExtensionLoader方法比较简单，先从缓存中获取，如果缓存不存在，则创建ExtensionLoader对象，并存入缓存中，在看getExtension方法：

public T getExtension(String name) {
        if (StringUtils.isEmpty(name)) {
            throw new IllegalArgumentException("Extension name == null");
        }
        if ("true".equals(name)) {
            return getDefaultExtension();
        }
        // 根据扩展名从缓存中获取，缓存中没有，创建并存入缓存
        Holder<Object> holder = cachedInstances.get(name);
        if (holder == null) {
            cachedInstances.putIfAbsent(name, new Holder<Object>());
            holder = cachedInstances.get(name);
        }
        Object instance = holder.get();
        // 双重检查
        if (instance == null) {
            synchronized (holder) {
                instance = holder.get();
                if (instance == null) {
                    // 根据扩展名创建实例对象
                    instance = createExtension(name);
                    holder.set(instance);
                }
            }
        }
        return (T) instance;
    }

上面代码的逻辑比较简单，首先检查缓存，缓存未命中则创建拓展对象。下面我们来看一下创建拓展对象的过程是怎样的。

private T createExtension(String name) {
        // 从配置文件中加载所有的拓展类，可得到“配置项名称”到“配置类”的映射关系表
        Class<?> clazz = getExtensionClasses().get(name);
        if (clazz == null) {
            throw findException(name);
        }
        try {
            T instance = (T) EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
            if (instance == null) {
                EXTENSION_INSTANCES.putIfAbsent(clazz, clazz.newInstance());
                instance = (T) EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
            }
            injectExtension(instance);
            Set<Class<?>> wrapperClasses = cachedWrapperClasses;
            if (CollectionUtils.isNotEmpty(wrapperClasses)) {
                for (Class<?> wrapperClass : wrapperClasses) {
                    // 将当前 instance 作为参数传给 Wrapper 的构造方法，并通过反射创建 Wrapper 实例。
                    // 然后向 Wrapper 实例中注入依赖，最后将 Wrapper 实例再次赋值给 instance 变量
                    instance = injectExtension((T) wrapperClass.getConstructor(type).newInstance(instance));
                }
            }
            return instance;
        } catch (Throwable t) {
            throw new IllegalStateException("Extension instance(name: " + name + ", class: " +
                    type + ")  could not be instantiated: " + t.getMessage(), t);
        }
    }

我们在通过名称获取拓展类之前，首先需要根据配置文件解析出拓展项名称到拓展类的映射关系表（Map<名称, 拓展类>），之后再根据拓展项名称从映射关系表中取出相应的拓展类即可。相关过程的代码分析如下

private Map<String, Class<?>> getExtensionClasses() {
        // 从缓存中获取
        Map<String, Class<?>> classes = cachedClasses.get();
        // 双重检查
        if (classes == null) {
            synchronized (cachedClasses) {
                classes = cachedClasses.get();
                if (classes == null) {
                    // 加载所有的扩展类
                    classes = loadExtensionClasses();
                    cachedClasses.set(classes);
                }
            }
        }
        return classes;
    }

getExtensionClasses方法同样是先从缓存中读取，缓存不存在，在去加载：

private Map<String, Class<?>> loadExtensionClasses() {
        // 获取扩展类SPI注解
        final SPI defaultAnnotation = type.getAnnotation(SPI.class);
        if (defaultAnnotation != null) {
            String value = defaultAnnotation.value();
            if ((value = value.trim()).length() > 0) {
                String[] names = NAME_SEPARATOR.split(value);
                if (names.length > 1) {
                    throw new IllegalStateException("more than 1 default extension name on extension " + type.getName()
                            + ": " + Arrays.toString(names));
                }
                if (names.length == 1) {
                    cachedDefaultName = names[0];
                }
            }
        }

        Map<String, Class<?>> extensionClasses = new HashMap<String, Class<?>>();
        // 加载指定文件夹下的配置文件
        loadDirectory(extensionClasses, DUBBO_INTERNAL_DIRECTORY, type.getName());
        loadDirectory(extensionClasses, DUBBO_INTERNAL_DIRECTORY, type.getName().replace("org.apache", "com.alibaba"));
        loadDirectory(extensionClasses, DUBBO_DIRECTORY, type.getName());
        loadDirectory(extensionClasses, DUBBO_DIRECTORY, type.getName().replace("org.apache", "com.alibaba"));
        loadDirectory(extensionClasses, SERVICES_DIRECTORY, type.getName());
        loadDirectory(extensionClasses, SERVICES_DIRECTORY, type.getName().replace("org.apache", "com.alibaba"));
        return extensionClasses;
    }

loadExtensionClasses 方法总共做了两件事情，一是对 SPI 注解进行解析，二是调用 loadDirectory 方法加载指定文件夹配置文件。SPI 注解解析过程比较简单，无需多说。下面我们来看一下 loadDirectory 做了哪些事情。

private void loadDirectory(Map<String, Class<?>> extensionClasses, String dir, String type) {
        // fileName = 文件夹路径 + type 全限定名 
        String fileName = dir + type;
        try {
            Enumeration<java.net.URL> urls;
            ClassLoader classLoader = findClassLoader();
            if (classLoader != null) {
                // 根据文件名加载所有的同名文件
                urls = classLoader.getResources(fileName);
            } else {
                urls = ClassLoader.getSystemResources(fileName);
            }
            if (urls != null) {
                while (urls.hasMoreElements()) {
                    java.net.URL resourceURL = urls.nextElement();
                    // 加载资源
                    loadResource(extensionClasses, classLoader, resourceURL);
                }
            }
        } catch (Throwable t) {
            logger.error("Exception when load extension class(interface: " +
                    type + ", description file: " + fileName + ").", t);
        }
    }

loadDirectory 方法先通过 classLoader 获取所有资源链接，然后再通过 loadResource 方法加载资源。我们继续跟下去，看一下 loadResource 方法的实现。

private void loadResource(Map<String, Class<?>> extensionClasses, ClassLoader classLoader, java.net.URL resourceURL) {
        try {
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(resourceURL.openStream(), "utf-8"));
            try {
                String line;
                // 读取文件中内容
                while ((line = reader.readLine()) != null) {
                    final int ci = line.indexOf('#');
                    if (ci >= 0) {
                        line = line.substring(0, ci);
                    }
                    line = line.trim();
                    if (line.length() > 0) {
                        try {
                            String name = null;
                            int i = line.indexOf('=');
                            if (i > 0) {
                                // 以等于号 = 为界，截取键与值
                                name = line.substring(0, i).trim();
                                line = line.substring(i + 1).trim();
                            }
                            if (line.length() > 0) {
                                // 加载类，并通过 loadClass 方法对类进行缓存
                                loadClass(extensionClasses, resourceURL, Class.forName(line, true, classLoader), name);
                            }
                        } catch (Throwable t) {
                            IllegalStateException e = new IllegalStateException("Failed to load extension class(interface: " + type + ", class line: " + line + ") in " + resourceURL + ", cause: " + t.getMessage(), t);
                            exceptions.put(line, e);
                        }
                    }
                }
            } finally {
                reader.close();
            }
        } catch (Throwable t) {
            logger.error("Exception when load extension class(interface: " +
                    type + ", class file: " + resourceURL + ") in " + resourceURL, t);
        }
    }

loadClass()方法主要是利用反射原理，根据类的权限定名加载成类，并存入缓存中