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Dubbo 源码分析 - SPI 机制

1.简介

SPI 全称为 Service Provider Interface，是 Java 提供的一种服务发现机制。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。如果大家想要学习 Dubbo 的源码，SPI 机制务必弄懂。下面，我们先来了解一下 Java SPI 与 Dubbo SPI 的使用方法，然后再来分析 Dubbo SPI 的源码。

2.SPI 示例

2.1 Java SPI 示例

前面简单介绍了 SPI 机制的原理，本节通过一个示例来演示 JAVA SPI 的使用方法。首先，我们定义一个接口，名称为 Robot。

public interface Robot {
    void sayHello();
}

接下来定义两个实现类，分别为擎天柱 OptimusPrime 和大黄蜂 Bumblebee。

public class OptimusPrime implements Robot {
    
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello, I am Optimus Prime.");
    }
}

public class Bumblebee implements Robot {

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

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 com.tianxiaobo.spi.Robot。文件内容为实现类的全限定的类名，如下：

com.tianxiaobo.spi.OptimusPrime
com.tianxiaobo.spi.Bumblebee

做好了所需的准备工作，接下来编写代码进行测试。

public class JavaSPITest {

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

最后来看一下测试结果，如下：

Dubbo 源码分析 - SPI 机制

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，接下来演示 Dubbo SPI。

2.2 Dubbo SPI 示例

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 的实现类配置放置在 META-INF/dubbo 路径下，下面来看一下配置内容。

optimusPrime = com.tianxiaobo.spi.OptimusPrime
bumblebee = com.tianxiaobo.spi.Bumblebee

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，这样我们就可以按需加载指定的实现类了。另外，在测试 Dubbo SPI 时，需要在 Robot 接口上标注 @SPI 注解。下面来演示一下 Dubbo SPI 的使用方式：

public class DubboSPITest {

    @Test
    public void sayHello() throws Exception {
        ExtensionLoader<Robot> extensionLoader = 
            ExtensionLoader.getExtensionLoader(Robot.class);
        Robot optimusPrime = extensionLoader.getExtension("optimusPrime");
        optimusPrime.sayHello();
        Robot bumblebee = extensionLoader.getExtension("bumblebee");
        bumblebee.sayHello();
    }
}

测试结果如下：

Dubbo 源码分析 - SPI 机制

演示完 Dubbo SPI，下面来看看 Dubbo SPI 对 Java SPI 做了哪些改进，以下内容引用至 Dubbo 官方文档。

JDK 标准的 SPI 会一次性实例化扩展点所有实现，如果有扩展实现初始化很耗时，但如果没用上也加载，会很浪费资源。
如果扩展点加载失败，连扩展点的名称都拿不到了。比如：JDK 标准的 ScriptEngine，通过 getName() 获取脚本类型的名称，但如果 RubyScriptEngine 因为所依赖的 jruby.jar 不存在，导致 RubyScriptEngine 类加载失败，这个失败原因被吃掉了，和 ruby 对应不起来，当用户执行 ruby 脚本时，会报不支持 ruby，而不是真正失败的原因。
增加了对扩展点 IOC 和 AOP 的支持，一个扩展点可以直接 setter 注入其它扩展点。

在以上改进项中，第一个改进项比较好理解。第二个改进项没有进行验证，就不多说了。第三个改进项是增加了对 IOC 和 AOP 的支持，这是什么意思呢？这里简单解释一下，Dubbo SPI 加载完拓展实例后，会通过该实例的 setter 方法解析出实例依赖项的名称。比如通过 setProtocol 方法名，可知道目标实例依赖 Protocal。知道了具体的依赖，接下来即可到 IOC 容器中寻找或生成一个依赖对象，并通过 setter 方法将依赖注入到目标实例中。说完 Dubbo IOC，接下来说说 Dubbo AOP。Dubbo AOP 是指使用 Wrapper 类（可自定义实现）对拓展对象进行包装，Wrapper 类中包含了一些自定义逻辑，这些逻辑可在目标方法前行前后被执行，类似 AOP。Dubbo AOP 实现的很简单，其实就是个代理模式。这个官方文档中有所说明，大家有兴趣可以查阅一下。

关于 Dubbo SPI 的演示，以及与 Java SPI 的对比就先这么多，接下来加入源码分析阶段。

3. Dubbo SPI 源码分析

上一章，我简单演示了 Dubbo SPI 的使用方法。我们首先通过 ExtensionLoader 的 getExtensionLoader 方法获取一个 ExtensionLoader 实例，然后再通过 ExtensionLoader 的 getExtension 方法获取拓展类对象。这其中，getExtensionLoader 用于从缓存中获取与拓展类对应的 ExtensionLoader，若缓存未命中，则创建一个新的实例。该方法的逻辑比较简单，本章就不就行分析了。下面我们从 ExtensionLoader 的 getExtension 方法作为入口，对拓展类对象的获取过程进行详细的分析。

public T getExtension(String name) {
    if (name == null || name.length() == 0)
        throw new IllegalArgumentException("Extension name == null");
    if ("true".equals(name)) {
        // 获取默认的拓展实现类
        return getDefaultExtension();
    }
    // Holder 仅用于持有目标对象，没其他什么逻辑
    Holder<Object> holder = cachedInstances.get(name);
    if (holder == null) {
        cachedInstances.putIfAbsent(name, new Holder<Object>());
        holder = cachedInstances.get(name);
    }
    Object instance = holder.get();
    if (instance == null) {
        synchronized (holder) {
            instance = holder.get();
            if (instance == null) {
                // 创建拓展实例，并设置到 holder 中
                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，形成配置项名称到配置类的映射关系
    Class<?> clazz = getExtensionClasses().get(name);
    if (clazz == null) {
        throw findException(name);
    }
    try {
        T instance = (T) EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
        if (instance == null) {
            // 通过反射创建实例
            EXTENSION_INSTANCES.putIfAbsent(clazz, clazz.newInstance());
            instance = (T) EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
        }
        // 向实例中注入依赖
        injectExtension(instance);
        Set<Class<?>> wrapperClasses = cachedWrapperClasses;
        if (wrapperClasses != null && !wrapperClasses.isEmpty()) {
            // 循环创建 Wrapper 实例
            for (Class<?> wrapperClass : wrapperClasses) {
                // 将当前 instance 作为参数创建 Wrapper 实例，然后向 Wrapper 实例中注入属性值，
                // 并将 Wrapper 实例赋值给 instance
                instance = injectExtension(
                    (T) wrapperClass.getConstructor(type).newInstance(instance));
            }
        }
        return instance;
    } catch (Throwable t) {
        throw new IllegalStateException("...");
    }
}

createExtension 方法的逻辑稍复杂一下，包含了如下的步骤：

通过 getExtensionClasses 获取所有的拓展类
通过反射创建拓展对象
向拓展对象中注入依赖
将拓展对象包裹在相应的 Wrapper 对象中

以上步骤中，第一个步骤是加载拓展类的关键，第三和第四个步骤是 Dubbo IOC 与 AOP 的具体实现。在接下来的章节中，我将会重点分析 getExtensionClasses 方法的逻辑，以及简单分析 Dubbo IOC 的具体实现。

3.1 获取所有的拓展类

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名称到拓展类的映射，也就是 Map<名称, 拓展类>。之后再从 Map 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() {
    // 从缓存中获取已加载的拓展类
    Map<String, Class<?>> classes = cachedClasses.get();
    if (classes == null) {
        synchronized (cachedClasses) {
            classes = cachedClasses.get();
            if (classes == null) {
                // 加载拓展类
                classes = loadExtensionClasses();
                cachedClasses.set(classes);
            }
        }
    }
    return classes;
}

这里也是先检查缓存，若缓存未命中，则通过 synchronized 加锁。加锁后再次检查缓存，并判空。此时如果 classes 仍为 null，则加载拓展类。以上代码的写法是典型的双重检查锁，前面所分析的 getExtension 方法中有相似的代码。关于双重检查就说这么多，下面分析 loadExtensionClasses 方法的逻辑。

private Map<String, Class<?>> loadExtensionClasses() {
    // 获取 SPI 注解，这里的 type 是在调用 getExtensionLoader 方法时传入的
    final SPI defaultAnnotation = type.getAnnotation(SPI.class);
    if (defaultAnnotation != null) {
        String value = defaultAnnotation.value();
        if ((value = value.trim()).length() > 0) {
            // 对 SPI 注解内容进行切分
            String[] names = NAME_SEPARATOR.split(value);
            // 检测 SPI 注解内容是否合法，不合法则抛出异常
            if (names.length > 1) {
                throw new IllegalStateException("...");
            }

            // 设置默认名称，cachedDefaultName 用于加载默认实现，参考 getDefaultExtension 方法
            if (names.length == 1) {
                cachedDefaultName = names[0];
            }
        }
    }

    Map<String, Class<?>> extensionClasses = new HashMap<String, Class<?>>();
    // 加载指定文件夹配置文件
    loadDirectory(extensionClasses, DUBBO_INTERNAL_DIRECTORY);
    loadDirectory(extensionClasses, DUBBO_DIRECTORY);
    loadDirectory(extensionClasses, SERVICES_DIRECTORY);
    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) {
    // fileName = 文件夹路径 + type 全限定名 
    String fileName = dir + type.getName();
    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("...");
    }
}

loadDirectory 方法代码不多，理解起来不难。该方法先通过 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;
            // 按行读取配置内容
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                final int ci = line.indexOf('#');
                if (ci >= 0) {
                    // 截取 # 之前的字符串，# 之后的内容为注释
                    line = line.substring(0, ci);
                }
                line = line.trim();
                if (line.length() > 0) {
                    try {
                        String name = null;
                        int i = line.indexOf('=');
                        if (i > 0) {
                            // 以 = 为界，截取键与值。比如 dubbo=com.alibaba....DubboProtocol
                            name = line.substring(0, i).trim();
                            line = line.substring(i + 1).trim();
                        }
                        if (line.length() > 0) {
                            // 加载解析出来的限定类名
                            loadClass(extensionClasses, resourceURL, 
                                      Class.forName(line, true, classLoader), name);
                        }
                    } catch (Throwable t) {
                        IllegalStateException e = new IllegalStateException("...");
                    }
                }
            }
        } finally {
            reader.close();
        }
    } catch (Throwable t) {
        logger.error("...");
    }
}

loadResource 方法用于读取和解析配置文件，并通过反射加载类，最后调用 loadClass 方法进行其他操作。loadClass 方法有点名不副实，它的功能只是操作缓存，而非加载类。该方法的逻辑如下：

private void loadClass(Map<String, Class<?>> extensionClasses, java.net.URL resourceURL, 
    Class<?> clazz, String name) throws NoSuchMethodException {
    
    if (!type.isAssignableFrom(clazz)) {
        throw new IllegalStateException("...");
    }

    if (clazz.isAnnotationPresent(Adaptive.class)) {    // 检测目标类上是否有 Adaptive 注解
        if (cachedAdaptiveClass == null) {
            // 设置 cachedAdaptiveClass缓存
            cachedAdaptiveClass = clazz;
        } else if (!cachedAdaptiveClass.equals(clazz)) {
            throw new IllegalStateException("...");
        }
    } else if (isWrapperClass(clazz)) {    // 检测 clazz 是否是 Wrapper 类型
        Set<Class<?>> wrappers = cachedWrapperClasses;
        if (wrappers == null) {
            cachedWrapperClasses = new ConcurrentHashSet<Class<?>>();
            wrappers = cachedWrapperClasses;
        }
        // 存储 clazz 到 cachedWrapperClasses 缓存中
        wrappers.add(clazz);
    } else {    // 程序进入此分支，表明是一个普通的拓展类
        // 检测 clazz 是否有默认的构造方法，如果没有，则抛出异常
        clazz.getConstructor();
        if (name == null || name.length() == 0) {
            // 如果 name 为空，则尝试从 Extension 注解获取 name，或使用小写的类名作为 name
            name = findAnnotationName(clazz);
            if (name.length() == 0) {
                throw new IllegalStateException("...");
            }
        }
        // 切分 name
        String[] names = NAME_SEPARATOR.split(name);
        if (names != null && names.length > 0) {
            Activate activate = clazz.getAnnotation(Activate.class);
            if (activate != null) {
                // 如果类上有 Activate 注解，则使用 names 数组的第一个元素作为键，
                // 存储 name 到 Activate 注解对象的映射关系
                cachedActivates.put(names[0], activate);
            }
            for (String n : names) {
                if (!cachedNames.containsKey(clazz)) {
                    // 存储 Class 到名称的映射关系
                    cachedNames.put(clazz, n);
                }
                Class<?> c = extensionClasses.get(n);
                if (c == null) {
                    // 存储名称到 Class 的映射关系
                    extensionClasses.put(n, clazz);
                } else if (c != clazz) {
                    throw new IllegalStateException("...");
                }
            }
        }
    }
}

如上，loadClass 方法操作了不同的缓存，比如 cachedAdaptiveClass、cachedWrapperClasses 和 cachedNames 等等。除此之外，该方法没有其他什么逻辑了，就不多说了。

到此，关于缓存类加载的过程就分析完了。整个过程没什么特别复杂的地方，大家按部就班的分析就行了，不懂的地方可以调试一下。接下来，我们来聊聊 Dubbo IOC 方面的内容。

3.2 Dubbo IOC

Dubbo IOC 是基于 setter 方法注入依赖。Dubbo 首先会通过反射获取到实例的所有方法，然后再遍历方法列表，检测方法名是否具有 setter 方法特征。若有，则通过 ObjectFactory 获取依赖对象，最后通过反射调用 setter 方法将依赖设置到目标对象中。整个过程对应的代码如下：

private T injectExtension(T instance) {
    try {
        if (objectFactory != null) {
            // 遍历目标类的所有方法
            for (Method method : instance.getClass().getMethods()) {
                // 检测方法是否以 set 开头，且方法仅有一个参数，且方法访问级别为 public
                if (method.getName().startsWith("set")
                    && method.getParameterTypes().length == 1
                    && Modifier.isPublic(method.getModifiers())) {
                    // 获取 setter 方法参数类型
                    Class<?> pt = method.getParameterTypes()[0];
                    try {
                        // 获取属性名
                        String property = method.getName().length() > 3 ? 
                            method.getName().substring(3, 4).toLowerCase() + 
                            	method.getName().substring(4) : "";
                        // 从 ObjectFactory 中获取依赖对象
                        Object object = objectFactory.getExtension(pt, property);
                        if (object != null) {
                            // 通过反射调用 setter 方法设置依赖
                            method.invoke(instance, object);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        logger.error("...");
                    }
                }
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        logger.error(e.getMessage(), e);
    }
    return instance;
}

在上面代码中，objectFactory 变量的类型为 AdaptiveExtensionFactory，AdaptiveExtensionFactory 内部维护了一个 ExtensionFactory 列表，用于存储其他类型的 ExtensionFactory。Dubbo 目前提供了两种 ExtensionFactory，分别是 SpiExtensionFactory 和 SpringExtensionFactory。前者用于创建自适应的拓展，关于自适应拓展，我将会在下一篇文章中进行说明。SpringExtensionFactory 则是到 Spring 的 IOC 容器中获取所需拓展，该类的实现并不复杂，大家自行分析源码，这里就不多说了。

Dubbo IOC 的实现比较简单，仅支持 setter 方式注入。总的来说，逻辑简单易懂。

4.总结

本篇文章简单介绍了 Java SPI 与 Dubbo SPI 用法与区别，并对 Dubbo SPI 的部分源码进行了分析。在 Dubbo SPI 中还有一块重要的逻辑没有进行分析，那就是 Dubbo SPI 的扩展点自适应机制。该机制的逻辑较为复杂，我将会在下一篇文章中进行分析。好了，其他的就不多说了，本篇文件就先到这里了。

原文 https://www.tianxiaobo.com/2018/10/01/Dubbo-源码分析-SPI-机制/

正文到此结束