JDK 自带的服务发现框架 ServiceLoader 好用吗？

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前言

大家好，我是小彭。

过去两年，我们在掘金平台上发布过一些文章，小彭也受到了大家的意见和鼓励。最近，小彭会陆续搬运到公众号上。

学习路线图：

1. 认识服务发现？

1.1 什么是服务发现

服务发现（Service Provider Interface，SPI）是一个服务的注册与发现机制，通过解耦服务提供者与服务使用者，实现了服务创建 & 服务使用的关注点分离。 服务提供模式可以为我们带来以下好处：

  • 1、在外部注入或配置依赖项，因此我们可以重用这些组件。当我们需要修改依赖项的实现时，不需要大量修改很多处代码，只需要修改一小部分代码；
  • 2、可以注入依赖项的模拟实现，让代码测试更加容易。

服务发现示意图

1.2 服务发现和依赖注入的区别

服务发现和依赖注入都是控制反转 Ioc 的实现形式之一。 IoC 可以认为是一种设计模式，但是由于理论成熟的时间相对较晚，所以没有包含在《设计模式 · GoF》之中，即： 当依赖方需要使用依赖项时，不再直接构造对象，而是由外部 IoC 容器来创建并提供依赖。

  • 1、服务提供模式： 从外部服务容器抓取依赖对象，调用方可以 “主动” 控制请求依赖对象的时机；
  • 2、依赖注入： 并以参数的形式注入依赖对象，调用方 “被动” 接收外部注入的依赖对象。

2. JDK ServiceLoader 的使用步骤

在分析 ServiceLoader 的使用原理之前，我们先来介绍下 ServiceLoader 的使用步骤。

我们直接以 JDBC 作为例子，其中“2、连接数据库”内部就是用了 ServiceLoader。为什么连接数据库需要使用 SPI 设计思想呢？因为操作数据库需要使用厂商提供的数据库驱动程序，如果直接使用厂商的驱动耦合太强了，而使用 SPI 设计就能够实现服务提供者与服务使用者解耦。

以下为使用步骤，具体分为 5 个步骤：

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

下面，我们一步步手写 JDBC 中关于 ServiceLoader 的相关源码：

步骤 1：定义服务接口

定义一个驱动接口，这个接口将由数据库驱动实现类实现。在服务发现框架中，这个接口就是服务接口。

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

步骤 2：实现服务接口

数据库厂商提供一个或多个实现 Driver 接口的驱动实现类，以 mysql 和 oracle 为例：

  • mysql：com.mysql.cj.jdbc.Driver.java
// 已简化
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
    static {
        // 注册驱动
        java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
    }
    ...
}
  • oracle：oracle.jdbc.driver.OracleDriver.java
// 已简化
public class OracleDriver implements Driver {
    private static OracleDriver defaultDriver = null;
    static {
        if (defaultDriver == null) {
            // 1、单例
            defaultDriver = new OracleDriver();
            // 注册驱动
            DriverManager.registerDriver(defaultDriver);
        }
    }
    ...
}

步骤3：注册实现类到配置文件

在工程目录 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

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：（使用方）加载服务

DriverManaer.java

// 已简化
static {
    loadInitialDrivers();
}

// 入口
private static void loadInitialDrivers() {
    ...
    // 读取 "jdbc.drivers" 属性
    String drivers = System.getProperty("jdbc.drivers");

    // 1、使用 ServiceLoader 遍历 Driver 服务接口的实现类
    ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
    // 2、获得迭代器
    Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
    // 3、迭代（ServiceLoader 内部会通过反射）
    while(driversIterator.hasNext()) {
        driversIterator.next();
    }
    return null;
    ...
}

可以看到，DriverManager 被类加载时（static{}）会调用 loadInitialDrivers() 。这个方法内部通过 ServiceLoader 提供的迭代器 Iterator 遍历了所有驱动实现类。那么，ServiceLoader 是如何实例化 Driver 接口的实现类的呢？下一节，我们会深入 ServiceLoader 的源码来解答这个问题。

3. ServiceLoader 源码解析

3.1 ServiceLoader 入口方法

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)，其中第一个参数就是服务接口的 Class 对象。

ServiceLoader.java

// 方法 1：
public static <S> ServiceLoader<S> loadInstalled(Class<S> service) {
    // 使用 SystemClassLoader 类加载器
    ClassLoader cl = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    ClassLoader prev = null;
    while (cl != null) {
        prev = cl;
        cl = cl.getParent();
    }
    return ServiceLoader.load(service, prev);
}

// 方法 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);
}

// 方法 3（最终走到这个方法）：
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service, ClassLoader loader){
    return new ServiceLoader<>(service, loader);
}

可以看到，三个方法仅在传入的类加载器不同，最终只是返回了一个面向服务接口 S 的 ServiceLoader 对象。我们先看一下构造器里做了什么工作。

3.2 ServiceLoader 构造方法

ServiceLoader.java

// 已简化
private final Class<S> service;

// 服务实现缓存
private LinkedHashMap<String,S> providers = new LinkedHashMap<>();

private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {
    // 1、类加载器
    loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;
    // 2、清空 providers
    providers.clear();
    // 3、实例化 LazyIterator
    lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}

可以看到，ServiceLoader 的构造器中主要就是实例化了一个 LazyIterator 迭代器的实例，这是一个“懒加载”的迭代器。这个迭代器里做了什么呢？我们继续往下看

3.3 LazyIterator 迭代器

ServiceLoader.java

// -> 3、实例化 LazyIterator

// 前文提到的配置文件路径
private static final String PREFIX = "META-INF/services/";

private class LazyIterator implements Iterator<S> {

    // 服务接口 Class 对象
    Class<S> service;
    ClassLoader loader;
    Enumeration<URL> configs = null;

    // pending、nextName：用于解析配置文件中的服务实现类名
    Iterator<String> pending = null;
    String nextName = null;

    private LazyIterator(Class<S> service, ClassLoader loader) {
        this.service = service;
        this.loader = loader;
    }

    // 3.1 判断是否有下一个服务实现
    @Override
    public boolean hasNext() {
        return hasNextService();
    }

    // 3.2 返回下一个服务实现
    @Override
    public S next() {
        return nextService();
    }

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

    // -> 3.1 判断是否有下一个服务实现
    private boolean hasNextService() {
        if (nextName != null) {
            return true;
        }
        if (configs == null) {
            // 3.1.1 拼接配置文件路径：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);
        }

        // 3.1.2 parse：解析配置文件资源的迭代器
        while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
            if (!configs.hasMoreElements()) {
                return false;
            }
            pending = parse(service, configs.nextElement());
        }
        // 3.1.3 下一个实现类的全限定名
        nextName = pending.next();
        return true;
    }

    // 3.2 返回下一个服务实现
    private S nextService() {
        if (!hasNextService()) throw new NoSuchElementException();
        String cn = nextName;
        nextName = null;

        // 3.2.1 使用类加载器 loader 加载
        Class<?> c = Class.forName(cn, false /* 不执行初始化 */, loader);
        if (!service.isAssignableFrom(c)) { 
						// 检查是否实现 S 接口
            ClassCastException cce = new ClassCastException(service.getCanonicalName() + " is not assignable from " + c.getCanonicalName());
            fail(service, "Provider " + cn  + " not a subtype", cce);
        }

        // 3.2.2 使用反射创建服务类实例
        S p = service.cast(c.newInstance());

        // 3.2.3 服务实现类缓存到 providers
        providers.put(cn, p);
        return p;
    }
}

// -> 3.1.2 parse：解析配置文件资源的迭代器
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();
}

以上代码已经非常简化了，LazyIterator 的要点如下：

  • hasNext() 判断逻辑：
    • 3.1.1 拼接配置文件路径：“META-INF/services/服务接口的全限定名”；
    • 3.1.2 解析配置文件资源的迭代器；
    • 3.1.3 找到下一个实现类的全限定名。
  • next() 逻辑：
    • 3.2.1 使用类加载器 loader 加载（不执行初始化）；
    • 3.2.2 使用反射创建服务类实例；
    • 3.2.3 服务实现类缓存到 providers。

小结一下： LazyInterator 会解析“META-INF/services/服务接口的全限定名”配置，遍历每个服务实现类全限定类名，执行类加载（未初始化），最后将服务实现类缓存到 providers。

那么，这个迭代器在哪里使用的呢？继续往下看~

3.4 包装迭代器

其实 ServiceLoader 本身就是实现 Iterable 接口的：

ServiceLoader.java

public final class ServiceLoader<S> implements Iterable<S>

让我们来看看 ServiceLoader 中的 Iterable#iterator() 是如何实现的：

private LazyIterator lookupIterator;

// 4、返回一个新的迭代器，包装了 providers 和 lookupIterator
public Iterator<S> iterator() {
    return new Iterator<S>() {

        // providers 就是上一节 next() 中缓存的服务实现
        Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders = providers.entrySet().iterator();

        @Override
        public boolean hasNext() {
            // 4.1 优先从 knownProviders 取，再从 LazyIterator 取
            if (knownProviders.hasNext()) return true;
            return lookupIterator.hasNext();
        }

        @Override
        public S next() {
            // 4.2 优先从 knownProviders 取，再从 LazyIterator 取
            if (knownProviders.hasNext()) return knownProviders.next().getValue();
            return lookupIterator.next();
        }

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

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。对于已经 “发现” 的服务实现类会被缓存到 providers 集合中，包装类的作用就是优先读取缓存而已。

4. ServiceLoader 源码分析总结

理解 ServiceLoader 源码之后，我们总结要点如下：

4.1 约束

1、服务实现类必须实现服务接口 S（ if (!service.isAssignableFrom(c)) ）；
2、服务实现类需包含无参的构造器，LazyInterator 是反射创建实现类市里的（ S p = service.cast(c.newInstance()) ）；
3、配置文件需要使用 UTF-8 编码（ new BufferedReader(new InputStreamReader(in, "utf-8")) ）。

4.2 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（ nextService() ）。

4.3 内存缓存

ServiceLoader 使用 LinkedHashMap 缓存创建的服务实现类实例。

提示： LinkedHashMap 在迭代时会按照 Map#put 执行顺序遍历。

4.4 没有服务注销机制

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。而 ServiceLoader 内部只有一个方法来完全清除 provices 内存缓存。

public void reload() {
    providers.clear();
    lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}

4.5 没有服务筛选机制

当存在多个提供者时，ServiceLoader 没有提供筛选机制，使用方只能在遍历整个迭代器中的所有实现，从发现的实现类中决策出一个最佳实现。举个例子，我们可以使用字符集的表示符号来获得一个对应的 Charset 对象：Charset.forName(String)，这个方法里面就只会选择匹配的 Charaset 对象。

CharsetProvider.java

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;
    }
}

5. 总结

  • 服务发现 SPI 是控制反转 IoC 的实现方式之一，而 ServiceLoader 是 JDK 中实现的 SPI 框架。ServiceLoader 本身就是一个 Iterable 接口，迭代时会从 META-INF/services 配置中解析接口实现类的全限定类名，使用反射创建服务实现类对象；
  • ServiceLoader 是 JDK 自带的服务发现框架，原理也相对简单，比如 Charset、AnnocationProcessor 等功能都是基于 ServiceLoader 实现的。另一方面，ServiceLoader 是一个相对简易的框架，为了满足复杂业务的需要，一般会使用其他第三方框架，例如后台的 Dubbo、客户端的 ARouter 与 WMRouter等。

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