理解 Java 类加载器

深度理解 Java SPI

SPI 简介

SPI 全称 Service Provider Interface，是 Java 提供的，旨在由第三方实现或扩展的 API，它是一种用于动态加载服务的机制。它的作用是让程序能够自动发现、加载和使用第三方提供的实现，从而实现基于接口的解耦和可插拔的扩展架构。

Java SPI 有四个要素：

• SPI 接口：为服务提供者实现类约定的接口或抽象类。
• SPI 实现类：实际提供服务的实现类。
• SPI 配置：Java SPI 机制约定的配置文件，提供查找服务实现类的逻辑。配置文件必须置于 META-INF/services 目录中，并且，文件名应与服务提供者接口的完全限定名保持一致。文件中的每一行都有一个实现服务类的详细信息，同样是服务提供者类的完全限定名称。
• ServiceLoader：Java SPI 的核心类，用于加载 SPI 实现类。 ServiceLoader 中有各种实用方法来获取特定实现、迭代它们或重新加载服务。

SPI 示例

1. 定义接口
   需要定义一个 SPI 接口，和普通接口并没有什么差别。

public interface DataStorage {
    String search(String key);
}

2. 实现接口

假设，我们需要在程序中使用两种不同的数据存储——Mysql 和 Redis。因此，我们需要两个不同的实现类去分别完成相应工作。

Mysql 查询 MOCK 类

public class MysqlStorage implements DataStorage {
    @Override
    public String search(String key) {
        return "【Mysql】搜索" + key + "，结果：No";
    }
}

Redis 查询 MOCK 类

public class RedisStorage implements DataStorage {
    @Override
    public String search(String key) {
        return "【Redis】搜索" + key + "，结果：Yes";
    }
}

到目前为止，定义接口，并实现接口和普通的 Java 接口实现没有任何不同。

3. SPI 配置

如果想通过 Java SPI 机制来发现服务，就需要在 SPI 配置中约定好发现服务的逻辑。配置文件必须置于 META-INF/services 目录中，并且，文件名与服务提供者接口名保持一致。文件中的每一行都有一个实现服务类的详细信息，同样是服务提供者类的名称。以本示例代码为例，其文件名应该为 com.study.javacore.spi.DataStorage，文件中的内容如下：

com.study.javacore.spi.MysqlStorage
com.study.javacore.spi.RedisStorage

4. ServiceLoader 演示

完成了上面的步骤，就可以通过 ServiceLoader 来加载服务。示例如下：

import java.util.ServiceLoader;

public class SpiDemo {

    public static void main(String[] args) {
        ServiceLoader<DataStorage> serviceLoader = ServiceLoader.load(DataStorage.class);
        System.out.println("============ Java SPI 测试============");
        serviceLoader.forEach(loader -> System.out.println(loader.search("Yes Or No")));
    }

}

输出：

============ Java SPI 测试============
【Mysql】搜索Yes Or No，结果：No
【Redis】搜索Yes Or No，结果：Yes

SPI 原理

Java SPI 机制依赖于 ServiceLoader 类去解析、加载服务。因此，掌握了 ServiceLoader 的工作流程，就掌握了 SPI 的原理。

SPI 和类加载器

Java SPI 大致的工作原理，就是通过 ClassLoader 加载 SPI 配置文件，解析 SPI 服务，然后通过反射，实例化 SPI 服务实例。

先了解类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）： 是Java类加载的基本原则，其目的是保证Java核心库的类型安全

双亲委派模型要求除了顶层的 BootstrapClassLoader 外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般通过组合（Composition）关系来实现，而不是通过继承（Inheritance）的关系实现。双亲委派继承体系图如下：

双亲委派机制约定了：一个类加载器首先将类加载请求传送到父类加载器，只有当父类加载器无法完成类加载请求时才尝试加载。

双亲委派的好处：使得 Java 类伴随着它的类加载器，天然具备一种带有优先级的层次关系，从而使得类加载得到统一，不会出现重复加载的问题：

• 系统类防止内存中出现多份同样的字节码
• 保证 Java 程序安全稳定运行

例如： java.lang.Object 存放在 rt.jar 中，如果编写另外一个 java.lang.Object 的类并放到 classpath 中，程序可以编译通过。因为双亲委派模型的存在，所以在 rt.jar 中的 Object 比在 classpath 中的 Object 优先级更高，因为 rt.jar 中的 Object 使用的是启动类加载器，而 classpath 中的 Object 使用的是应用程序类加载器。正因为 rt.jar 中的 Object 优先级更高，因为程序中所有的 Object 都是这个 Object。

双亲委派的限制：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。Java SPI 就面临着这样的问题：

• SPI 的接口是 Java 核心库的一部分，是由 BootstrapClassLoader 加载的；
• 而 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。因此加载 SPI 服务时，需要指定类加载器 ClassLoader ，如果不指定 ClassLoader，则无法获取 SPI 服务。

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。

通常可以通过 Thread.currentThread().getClassLoader() 和 Thread.currentThread().getContextClassLoader() 获取线程上下文类加载器。

Java SPI 的不足

Java SPI 存在一些不足：

• 不能按需加载，需要遍历所有的实现，并实例化，然后在循环中才能找到我们需要的实现。如果不想用某些实现类，或者某些类实例化很耗时，它也被载入并实例化了，这就造成了浪费。

• 获取某个实现类的方式不够灵活，只能通过 Iterator 形式获取，不能根据某个参数来获取对应的实现类。

• 多个并发多线程使用 ServiceLoader 类的实例是不安全的。

SPI 应用场景

SPI 应用案例之 JDBC DriverManager

作为 Java 工程师，尤其是 CRUD 工程师，相必都非常熟悉 JDBC。众所周知，关系型数据库有很多种，如：Mysql、Oracle、PostgreSQL 等等。JDBC 如何识别各种数据库的驱动呢？

创建数据库连接

我们先回顾一下，JDBC 如何创建数据库连接的呢？

在 JDBC4.0 之前，连接数据库的时候，通常会用 Class.forName(XXX) 方法来加载数据库相应的驱动，然后再获取数据库连接，继而进行 CRUD 等操作。

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

而 JDBC4.0 之后，不再需要用 Class.forName(XXX) 方法来加载数据库驱动，直接获取连接就可以了。显然，这种方式很方便，但是如何做到的呢？

• JDBC 接口：首先，Java 中内置了接口 java.sql.Driver。

• JDBC 接口实现：各个数据库的驱动自行实现 java.sql.Driver 接口，用于管理数据库连接。

  • Mysql：在 mysql 的 Java 驱动包 mysql-connector-java-XXX.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。 com.mysql.cj.jdbc.Driver 正是 Mysql 版的 java.sql.Driver 实现。如下图所示：

  

  • PostgreSQL 实现：在 PostgreSQL 的 Java 驱动包 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，org.postgresql.Driver 正是 PostgreSQL 版的 java.sql.Driver 实现。

• 创建数据库连接

  以 Mysql 为例，创建数据库连接代码如下：

  final String DB_URL = String.format("jdbc:mysql://%s:%s/%s", DB_HOST, DB_PORT, DB_SCHEMA);
  connection = DriverManager.getConnection(DB_URL, DB_USER, DB_PASSWORD);

参考

• https://dunwu.github.io/