SPI总结（Java SPI, Springboot SPI之总结）

一、从java类加载机制说起

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个这个类的Java.lang.Class对象，用来封装类在方法区类的对象。java中的类加载器负载加载来自文件系统、网络或者其他来源的类文件。jvm的类加载器默认使用的是双亲委派模式。三种默认的类加载器Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader和System ClassLoader（Application ClassLoader）每一个中类加载器都确定了从哪一些位置加载文件。于此同时我们也可以通过继承java.lang.classloader实现自己的类加载器。

Bootstrap ClassLoader：负责加载JDK自带的rt.jar包中的类文件，是所有类加载的父类。
Extension ClassLoader：负责加载java的扩展类库从jre/lib/ect目录或者java.ext.dirs系统属性指定的目录下加载类，是System ClassLoader的父类加载器。
System ClassLoader（APP ClassLoader）：负责从classpath环境变量中加载类文件。

1、双亲委派模型
原理：当一个类加载器收到类加载任务时，会先交给自己的父加载器去完成，因此最终加载任务都会传递到最顶层的BootstrapClassLoader，只有当父加载器无法完成加载任务时，才会尝试自己来加载。

具体：根据双亲委派模式，在加载类文件的时候，子类加载器首先将加载请求委托给它的父加载器，父加载器会检测自己是否已经加载过类，如果已经加载则加载过程结束，如果没有加载的话则请求继续向上传递直Bootstrap ClassLoader。如果请求向上委托过程中，如果始终没有检测到该类已经加载，则Bootstrap ClassLoader开始尝试从其对应路劲中加载该类文件，如果失败则由子类加载器继续尝试加载，直至发起加载请求的子加载器为止。每个类加载器只能加载其对应的目录中的class文件。

采用双亲委派模式可以保证类型加载的安全性，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的BootstrapClassLoader来加载的，只有父类无法加载自己猜尝试加载，这样就可以保证任何的类加载器最终得到的都是同样一个Object对象。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
    // 首先，检查该类是否已经被加载，如果从JVM缓存中找到该类，则直接返回
    Class<?> c = findLoadedClass(name);
    if (c == null) {
        try {
            // 遵循双亲委派的模型，首先会通过递归从父加载器开始找，
            // 直到父类加载器是BootstrapClassLoader为止
            if (parent != null) {
                c = parent.loadClass(name, false);
            } else {
                c = findBootstrapClassOrNull(name);
            }
        } catch (ClassNotFoundException e) {}
        if (c == null) {
            // 如果还找不到，尝试通过findClass方法去寻找
            // findClass是留给开发者自己实现的，也就是说
            // 自定义类加载器时，重写此方法即可
           c = findClass(name);
        }
    }
    if (resolve) {
        resolveClass(c);
    }
    return c;
    }
}

2.双亲委派模型缺陷
在双亲委派模型中，子类加载器可以使用父类加载器已经加载的类，而父类加载器无法使用子类加载器已经加载的。这就导致了双亲委派模型并不能解决所有的类加载器问题。
案例：Java 提供了很多服务提供者接口(Service Provider Interface，SPI)，允许第三方为这些接口提供实现。常见的 SPI 有 JDBC、JNDI、JAXP 等，这些SPI的接口由核心类库提供，却由第三方实现，这样就存在一个问题：SPI 的接口是 Java 核心库的一部分，是由BootstrapClassLoader加载的；SPI实现的Java类一般是由AppClassLoader来加载的。BootstrapClassLoader是无法找到 SPI 的实现类的，因为它只加载Java的核心库。它也不能代理给AppClassLoader，因为它是最顶层的类加载器。也就是说，双亲委派模型并不能解决这个问题

3.使用线程上下文类加载器(ContextClassLoader)加载
如果不做任何的设置，Java应用的线程的上下文类加载器默认就是AppClassLoader。在核心类库使用SPI接口时，传递的类加载器使用线程上下文类加载器，就可以成功的加载到SPI实现的类。线程上下文类加载器在很多SPI的实现中都会用到。
通常我们可以通过Thread.currentThread().getClassLoader()和Thread.currentThread().getContextClassLoader()获取线程上下文类加载器。

4、使用类加载器加载资源文件，比如jar包
类加载器除了加载class外，还有一个非常重要功能，就是加载资源，它可以从jar包中读取任何资源文件，比如，ClassLoader.getResources(String name)方法就是用于读取jar包中的资源文件

//获取资源的方法
public Enumeration<URL> getResources(String name) throws IOException {
    Enumeration<URL>[] tmp = (Enumeration<URL>[]) new Enumeration<?>[2];
    if (parent != null) {
        tmp[0] = parent.getResources(name);
    } else {
        tmp[0] = getBootstrapResources(name);
    }
    tmp[1] = findResources(name);
    return new CompoundEnumeration<>(tmp);
}

它的逻辑其实跟类加载的逻辑是一样的，首先判断父类加载器是否为空，不为空则委托父类加载器执行资源查找任务，直到BootstrapClassLoader，最后才轮到自己查找。而不同的类加载器负责扫描不同路径下的jar包，就如同加载class一样，最后会扫描所有的jar包，找到符合条件的资源文件。

// 使用线程上下文类加载器加载资源
public static void main(String[] args) throws Exception{
    // Array.class的完整路径
    String name = "java/sql/Array.class";
    Enumeration<URL> urls = Thread.currentThread().getContextClassLoader().getResources(name);
    while (urls.hasMoreElements()) {
        URL url = urls.nextElement();
        System.out.println(url.toString());
    }
}

二、spring中SPI机制实现

1.SPI机制
（1）SPI思想
SPI的全名为Service Provider Interface.这个是针对厂商或者插件的。
SPI的思想：系统里抽象的各个模块，往往有很多不同的实现方案，比如日志模块的方案，xml解析模块、jdbc模块的方案等。面向的对象的设计里，我们一般推荐模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。java spi就是提供这样的一个机制：为某个接口寻找服务实现的机制
（2）SPI约定
当服务的提供者，提供了服务接口的一种实现之后，在jar包的META-INF/services/目录里同时创建一个以服务接口命名的文件。该文件里就是实现该服务接口的具体实现类。而当外部程序装配这个模块的时候，就能通过该jar包META-INF/services/里的配置文件找到具体的实现类名，并装载实例化，完成模块的注入。通过这个约定，就不需要把服务放在代码中了，通过模块被装配的时候就可以发现服务类了。
2、SPI使用案例
common-logging apache最早提供的日志的门面接口。只有接口，没有实现。具体方案由各提供商实现， 发现日志提供商是通过扫描 META-INF/services/org.apache.commons.logging.LogFactory配置文件，通过读取该文件的内容找到日志提工商实现类。只要我们的日志实现里包含了这个文件，并在文件里制定 LogFactory工厂接口的实现类即可。
3、springboot中的类SPI扩展机制
在springboot的自动装配过程中，最终会加载META-INF/spring.factories文件，而加载的过程是由SpringFactoriesLoader加载的。从CLASSPATH下的每个Jar包中搜寻所有META-INF/spring.factories配置文件，然后将解析properties文件，找到指定名称的配置后返回。需要注意的是，其实这里不仅仅是会去ClassPath路径下查找，会扫描所有路径下的Jar包，只不过这个文件只会在Classpath下的jar包中。

public static final String FACTORIES_RESOURCE_LOCATION = "META-INF/spring.factories";
// spring.factories文件的格式为：key=value1,value2,value3
// 从所有的jar包中找到META-INF/spring.factories文件
// 然后从文件中解析出key=factoryClass类名称的所有value值
public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryClass, ClassLoader classLoader) {
    String factoryClassName = factoryClass.getName();
    // 取得资源文件的URL
    Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ? classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) : ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
   List<String> result = new ArrayList<String>();
    // 遍历所有的URL
    while (urls.hasMoreElements()) {
        URL url = urls.nextElement();
        // 根据资源文件URL解析properties文件，得到对应的一组@Configuration类
         Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(new UrlResource(url));
        String factoryClassNames = properties.getProperty(factoryClassName);
        // 组装数据，并返回
        result.addAll(Arrays.asList(StringUtils.commaDelimitedListToStringArray(factoryClassNames)));
    }
    return result;
}

总结：SPI的好处是避免写死，调用者可以根据自己的需求调用不同的实现类 。其中SpringBoot start组件也是SPI实现的一种，原理其实是类加载相关的知识点。其中SpringBoot组件中的SPI主要是配置项这一块，具体可以看下AutoConfigurationImportSelector这个实现类下面的源码，源码如下所示：SpringBoot的加载主要使用的是SpringFactoriesLoader这个加载器。在SpringBoot中，AutoConfigurationImportSelector这个类很重要

    public static List<String> loadFactoryNames(Class<?> factoryType, @Nullable ClassLoader classLoader) {
        String factoryTypeName = factoryType.getName();
　　　　 // 返回的是一个一个的配置文件，such as (org.springframework.boot.autoconfigure.data.elasticsearch.ElasticsearchAutoConfiguration)
        return loadSpringFactories(classLoader).getOrDefault(factoryTypeName, Collections.emptyList());
    }

    private static Map<String, List<String>> loadSpringFactories(@Nullable ClassLoader classLoader) {
　　　　　// 先从缓存里面取数据
        MultiValueMap<String, String> result = cache.get(classLoader);
        if (result != null) {
            return result;
        }

        try {
            Enumeration<URL> urls = (classLoader != null ?
                    classLoader.getResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION) :
                    ClassLoader.getSystemResources(FACTORIES_RESOURCE_LOCATION));
            result = new LinkedMultiValueMap<>();
            while (urls.hasMoreElements()) {
                URL url = urls.nextElement();
                UrlResource resource = new UrlResource(url);
　　　　　　　　　　// 根据资源路径获取properties配置文件
                Properties properties = PropertiesLoaderUtils.loadProperties(resource);
                for (Map.Entry<?, ?> entry : properties.entrySet()) {
                    String factoryTypeName = ((String) entry.getKey()).trim();
                    for (String factoryImplementationName : StringUtils.commaDelimitedListToStringArray((String) entry.getValue())) {
                        result.add(factoryTypeName, factoryImplementationName.trim());
                    }
                }
            }
　　　　　　　// 放到缓存里面，防止重复加载
            cache.put(classLoader, result);
            return result;
        }
        catch (IOException ex) {
            throw new IllegalArgumentException("Unable to load factories from location [" +
                    FACTORIES_RESOURCE_LOCATION + "]", ex);
        }
    }

 下面的代码就是把一个一个的配置类进行实例化成对象，其中也是使用了反射的原理。代码如下所示：

     @SuppressWarnings("unchecked")
    private static <T> T instantiateFactory(String factoryImplementationName, Class<T> factoryType, ClassLoader classLoader) {
        try {
            Class<?> factoryImplementationClass = ClassUtils.forName(factoryImplementationName, classLoader);
            if (!factoryType.isAssignableFrom(factoryImplementationClass)) {
                throw new IllegalArgumentException(
                        "Class [" + factoryImplementationName + "] is not assignable to factory type [" + factoryType.getName() + "]");
            }
            return (T) ReflectionUtils.accessibleConstructor(factoryImplementationClass).newInstance();
        }
        catch (Throwable ex) {
            throw new IllegalArgumentException(
                "Unable to instantiate factory class [" + factoryImplementationName + "] for factory type [" + factoryType.getName() + "]",
                ex);
        }
    }