SPI框架实现之旅二:整体设计

SPI框架实现之旅二:整体设计

上一篇简单的说了一下spi相关的东西, 接下来我们准备开动,本篇博文主要集中在一些术语,使用规范的约定和使用方式

设计思路

下图围绕 SpiLoader 为中心,描述了三个主要的流程:

  1. load所有的spi实现
  2. 初始化选择器 selector
  3. 获取spi实现类 (or一个实现类代理)

基础类说明

主要介绍一下框架中涉及到的接口和注解,并指出需要注意的点

1. Selector 选择器

为了最大程度的支持业务方对spi实现类的选择,我们定义了一个选择器的概念,用于获取spi实现类

接口定义如下:

public interface ISelector<T> {
    <K> K selector(Map<String, SpiImplWrapper<K>> map, T conf) throws NoSpiMatchException;
}

结合上面的接口定义,我们可以考虑下,选择器应该如何工作?

  • 根据传入的条件,从所有的实现类中,找到一个最匹配的实现类返回
  • 如果查不到,则抛一个异常NoSpiMatchException出去

所以传入的参数会是两个, 一个是所有的实现类列表map(至于上面为什么用map,后续分析),一个是用于判断的输入条件conf

框架中会提供两种基本的选择器实现,

  • DefaultSelector , 对每个实现类赋予唯一的name,默认选择器则表示根据name来查找实现类
  • ParamsSelector, 在实现类上加上 @SpiConf 注解,定义其中的 params,当传入的参数(conf), 能完全匹配定义的params,表示这个实现类就是你所需要的

自定义实现

自定义实现比较简单,实现上面的接口即可

2. Spi 注解

要求所有的spi接口,都必须有这个注解;

定义如下

主要是有一个参数,用于指定是选择器类型,定义spi接口的默认选择器,

@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface Spi {
    Class<? extends ISelector> selector() default DefaultSelector.class;
}

说明

在上一篇《SPI框架实现之旅一》中,使用jdk的spi方式中,并没有使用注解依然可以正常工作,我们这里定义这个注解且要求必需有,出于下面几个考虑

  • 醒目,告诉开发者,这个接口是声明的spi接口, 使用的时候注意下
  • 加入选择器参数,方便用户扩展自己的选择方式

3. SpiAdaptive 注解

对需要自适应的场景,为了满足一个spi接口,应用多重不同的选择器场景,可以加上这个注解; 如果不加这个注解,则表示采用默认的选择器来自适应

接口说明

/**
 * SPI 自适应注解, 表示该方法会用到spi实现
 * <p/>
 * Created by yihui on 2017/5/24.
 */
@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD})
public @interface SpiAdaptive {
    Class<? extends ISelector> selector() default DefaultSelector.class;
}

说明

这个注解内容和 @Spi 基本上一模一样,唯一的区别是一个放在类上,一个放在方法上,那么为什么这么考虑?

  • @Spi 注解放在类上,更多的表名这个接口是我们定义的一个SPI接口,但是使用方式可以有两种(静态 + 动态确认)
  • @SpiAdaptive 只能在自适应的场景下使用,用于额外指定spi接口中某个方法的选择器 (如果一个spi接口全部只需要一个选择器即可,那么可以不使用这个注解)

如下面的这个例子,print方法和 echo方法其实是等价的,都是采用 DefaultSelector 来确认具体的实现类;而 writepp 方法则是采用 ParamsSelector 选择器;

/**
 * Created by yihui on 2017/5/25.
 */
@Spi
public interface ICode {

    void print(String name, String contet);


    @SpiAdaptive
    void echo(String name, String content);


    @SpiAdaptive(selector = ParamsSelector.class)
    void write(Context context, String content);


    @SpiAdaptive(selector = ParamsSelector.class)
    void pp(Context context, String content);
}

4. SpiConf 注解

这个主键主要是用在实现类上(或实现类的方法上),里面存储一些选择条件,通常是和Selector搭配使用

定义如下

定义了三个字段:

  • name 唯一标识,用于 DefaultSelector
  • params 参数条件, 用于 ParamsSelector
  • order : 优先级, 主要是为了解决多个实现类都满足选择条件时, 应该选择哪一个 (谈到这里就有个想法, 通过一个参数,来选择是否让满足条件的全部返回)
@Documented
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
public @interface SpiConf {

    /**
     * 唯一标识
     *
     * @return
     */
    String name() default "";


    /**
     * 参数过滤, 单独一个元素,表示参数必须包含; 用英文分号,左边为参数名,右边为参数值,表示参数的值必须是右边的
     * <p/>
     * 形如  {"a", "a:12", "b:TAG"}
     *
     * @return
     */
    String[] params() default {};


    /**
     * 排序, 越小优先级越高
     *
     * @return
     */
    int order() default -1;
}

说明

SpiConf 注解可以修饰类,也可以修饰方法,因此当一个实现类中,类和方法都有这个注解时, 怎么处理 ?

以下面的这个测试类进行说明

/**
 * Created by yihui on 2017/5/25.
 */
@SpiConf(params = "code", order = 1)
public class ConsoleCode implements ICode {
    @Override
    public void print(String name, String contet) {
        System.out.println("console print:--->" + contet);
    }


    /**
     * 显示指定了name, 因此可以直接通过 consoleEcho 来确定调用本实现方法
     * @param name
     * @param content
     */
    @Override
    @SpiConf(name = "consoleEcho")
    public void echo(String name, String content) {
        System.out.println("console echo:---->" + content);
    }


    /**
     * 实际的优先级取 方法 和类上的最高优先级, 实际为1; 
     * `ParamsSelector`选择器时, 执行该方法的条件等同于  `{"code", "type:console"}`
     * @param context
     * @param content
     */
    @Override
    @SpiConf(params = {"type:console"}, order = 3)
    public void write(Context context, String content) {
        System.out.println("console write:---->" + content);
    }
}

在设计中,遵循下面几个原则:

  • 类上的SpiConf注解, 默认适用与类中的所有方法
  • 方法上有SpiConf注解,采取下面的规则
    • 方法注解声明name时,两个会同时生效,即想调用上面的echo方法, 通过传入 ConsoleCode(类注解不显示赋值时,采用类名代替) 和 consoleEcho 等价
    • 方法注解未声明name时,只能通过类注解上定义的name(or默认的类名)来选择
    • order,取最高优先级,如上面的 write 方法的优先级是 1; 当未显示定义order时,以定义的为准
    • params: 取并集,即要求类上 + 方法上的条件都满足

SPI加载器

spi加载器的主要业务逻辑集中在 SpiLoader 类中,包含通过spi接口,获取所有的实现类; 获取spi接口对应的选择器 (包括类对应的选择器, 方法对应的选择器); 返回Spi接口实现类(静态确认的实现类,自适应的代理类)

从上面的简述,基本上可以看出这个类划分为三个功能点, 下面将逐一说明,本篇博文主要集中在逻辑的设计层,至于优化(如懒加载,缓存优化等) 放置下一篇博文单独叙述

1. 加载spi实现类

这一块比较简单,我们直接利用了jdk的 ServiceLoader 来根据接口,获取所有的实现类;因此我们的spi实现,需要满足jdk定义的这一套规范

具体的代码业务逻辑非常简单,大致流程如下

 if (null == spiInterfaceType) {
  throw new IllegalArgumentException("common cannot be null...");
}

if (!spiInterfaceType.isInterface()) {
  throw new IllegalArgumentException("common class:" + spiInterfaceType + " must be interface!");
}


if (!withSpiAnnotation(spiInterfaceType)) {
  throw new IllegalArgumentException("common class:" + spiInterfaceType + " must have the annotation of @Spi");
}
   
ServiceLoader<T> serviceLoader = ServiceLoader.load(spiInterfaceType);
for(T spiImpl: serviceLoader) {
    // xxx
}

注意

  • 因为使用了jdk的标准,因此每定义一个spi接口,必须在 META_INF.services 下新建一个文件, 文件名为包含包路径的spi接口名, 内部为包含包路径的实现类名
  • 每个spi接口,要求必须有 @Spi 注解
  • Spi接口必须是 interface 类型, 不支持抽象类和类的方式

拓展

虽然这里直接使用了spi的规范,我们其实完全可以自己定义标准的,只要能将这个接口的所有实现类找到, 怎么实现都可以由你定义

如使用spring框架后,可以考虑通过 applicationContext.getBeansOfAnnotaion(xxx ) 来获取所有的特定注解的bean,这样就可以不需要自己新建一个文件,来存储spi接口和其实现类的映射关系了

构建spi实现的关系表

上面获取了spi实现类,显然我们的目标并不局限于简单的获取实现类,在获取实现类之后,还需要解析其中的 @SpiConf 注解信息,用于表示要选择这个实现,必须满足什么样的条件

SpiImplWrapper : spi实现类,以及定义的各种条件的封装类

注解的解析过程流程如下:

  • name: 注解定义时,采用定义的值; 否则采用简单类名 (因此一个系统中不允许两个实现类同名的情况)
  • order: 优先级, 注解定义时,采用定义的值;未定义时采用默认;
  • params: 参数约束条件, 会取类上和方法上的并集(原则上要求类上的约束和方法上的约束不能冲突)
List<SpiImplWrapper<T>> spiServiceList = new ArrayList<>();

// 解析注解
spiConf = t.getClass().getAnnotation(SpiConf.class);
  Map<String, String> map;
  if (spiConf == null) { // 没有添加注解时, 采用默认的方案
      implName = t.getClass().getSimpleName();
      implOrder = SpiImplWrapper.DEFAULT_ORDER;

      // 参数选择器时, 要求spi实现类必须有 @SpiConf 注解, 否则选择器无法获取校验条件参数
      if (currentSelector.getSelector() instanceof ParamsSelector) {
          throw new IllegalStateException("spiImpl must contain annotation @SpiConf!");
      }

      map = Collections.emptyMap();
  } else {
      implName = spiConf.name();
      if (StringUtils.isBlank(implName)) {
          implName = t.getClass().getSimpleName();
      }

      implOrder = spiConf.order() < 0 ? SpiImplWrapper.DEFAULT_ORDER : spiConf.order();

      map = parseParms(spiConf.params());
  }

  // 添加一个类级别的封装类
  spiServiceList.add(new SpiImplWrapper<>(t, implOrder, implName, map));
  
  
  // ------------
  // 解析参数的方法
  
   private Map<String, String> parseParms(String[] params) {
        if (params.length == 0) {
            return Collections.emptyMap();
        }


        Map<String, String> map = new HashMap<>(params.length);
        String[] strs;
        for (String param : params) {
            strs = StringUtils.split(param, ":");

            if (strs.length >= 2) {
                map.put(strs[0].trim(), strs[1].trim());
            } else if (strs.length == 1) {
                map.put(strs[0].trim(), null);
            }
        }
        return map;
    }

2. 初始化选择器

我们的选择器会区分为两类,一个是类上定义的选择器, 一个是方法上定义的选择器; 在自适应的使用方式中,方法上定义的优先级 > 类上定义

简单来讲,初始化选择器,就是扫一遍SPI接口中的注解,实例化选择器后,缓存住对应的结果, 实现如下

 /**
* 选择器, 根据条件, 选择具体的 SpiImpl;
*/
private SelectorWrapper currentSelector;


/**
* 自适应时, 方法对应的选择器
*/
private Map<String, SelectorWrapper> currentMethodSelector;


/**
* 每一个 SpiLoader 中, 每种类型的选择器, 只保存一个实例
* 因此可以在选择器中, 如{@link ParamsSelector} 对spiImplMap进行处理并缓存结果
*/
private ConcurrentHashMap<Class, SelectorWrapper> selectorInstanceCacheMap = new ConcurrentHashMap<>();
    
private void initSelector() {
   Spi ano = spiInterfaceType.getAnnotation(Spi.class);
   if (ano == null) {
       currentSelector = initSelector(DefaultSelector.class);
   } else {
       currentSelector = initSelector(ano.selector());
   }


   Method[] methods = this.spiInterfaceType.getMethods();
   currentMethodSelector = new ConcurrentHashMap<>();
   SelectorWrapper temp;
   for (Method method : methods) {
       if (!method.isAnnotationPresent(SpiAdaptive.class)) {
           continue;
       }

       temp = initSelector(method.getAnnotation(SpiAdaptive.class).selector());
       if (temp == null) {
           continue;
       }

       currentMethodSelector.put(method.getName(), temp);
   }
}


private SelectorWrapper initSelector(Class<? extends ISelector> clz) {
   // 优先从选择器缓存中获取类型对应的选择器
   if (selectorInstanceCacheMap.containsKey(clz)) {
       return selectorInstanceCacheMap.get(clz);
   }

   try {
       ISelector selector = clz.newInstance();
       Class paramClz = null;

       Type[] types = clz.getGenericInterfaces();
       for (Type t : types) {
           if (t instanceof ParameterizedType) {
               paramClz = (Class) ((ParameterizedType) t).getActualTypeArguments()[0];
               break;
           }
       }

       Assert.check(paramClz != null);
       SelectorWrapper wrapper = new SelectorWrapper(selector, paramClz);
       selectorInstanceCacheMap.putIfAbsent(clz, wrapper);
       return wrapper;
   } catch (Exception e) {
       throw new IllegalArgumentException("illegal selector defined! yous:" + clz);
   }
}

说明

  1. SeectorWrapper 选择器封装类 这里我们在获取选择器时,特意定义了一个封装类,其中包含具体的选择器对象,以及所匹配的参数类型,因此可以在下一步通过选择器获取实现类时,保证传入的参数类型合法
  2. private SelectorWrapper initSelector(Class<? extends ISelector> clz) 具体的实例化选择器的方法 从实现来看,优先从选择器缓存中获取选择器对象,这样的目的是保证一个spi接口,每种类型的选择器只有一个实例;因此在自定义选择器中,你完全可以做一些选择判断的缓存逻辑,如 ParamsSelector 中的spi实现类的有序缓存列表
  3. currentSelector , currentMethodSelector, selectorInstanceCacheMap currentSelector: 对应的是类选择器,每个SPI接口必然会有一个,作为打底的选择器 currentMethodSelector: 方法选择器映射关系表,key为方法名,value为该方法对应的选择器; 所以spi接口中,不支持重载 selectorInstanceCacheMap: spi接口所有定义的选择器映射关系表,key为选择器类型,value是实例;用于保障每个spi接口中选择器只会有一个实例

3. 获取实现类

对使用者而言,最关注的就是这个接口,这里会返回我们需要的实现类(or代理);内部的逻辑也比较清楚,首先确定选择器,然后通过选择器便利所有的实现类,把满足条件的返回即可

从上面的描述可以看到,主要分为两步

  1. 获取选择器
  2. 根据选择器,遍历所有的实现类,找出匹配的返回

获取选择器

初始化选择器之后,我们会有 currentSelector , currentMethodSelector 两个缓存

  • 静态确定spi实现时,直接用 currentSelector 即可 (spi接口中所有方法都公用类定义选择器)
  • 动态适配时, 根据方法名在 currentMethodSelector 中获取选择器,如果没有,则表示该方法没有@SpiAdaptive注解,直接使用类的选择器 currentMethodSelector 即可
// 动态适配时,获取方法对应对应的selector实现逻辑
SelectorWrapper selector = currentMethodSelector.get(methodName);
if (selector == null) { // 自适应方法上未定义选择器, 则默认继承类的
  selector = currentSelector;
  currentMethodSelector.putIfAbsent(methodName, selector);
}

if (!selector.getConditionType().isAssignableFrom(conf.getClass())) { // 选择器类型校验
  if (!(conf instanceof String)) {
      throw new IllegalArgumentException("conf spiInterfaceType should be sub class of [" + currentSelector.getConditionType() + "] but yours:" + conf.getClass());
  }

 // 参数不匹配时,且传入的参数为String类型, 则尝试使用默认选择器进行兼容(不建议在实现时,出现这种场景)
  selector = DEFAULT_SELECTOR;
}

选择实现类

这个的主要逻辑就是遍历所有的实现类,判断是否满足选择器的条件,将第一个找到的返回即可,所有的业务逻辑都在 ISelector 中实现,如下面给出的默认选择器,根据name来获取实现类

/**
 * 默认的根据name 获取具体的实现类
 * <p/>
 * Created by yihui on 2017/5/24.
 */
public class DefaultSelector implements ISelector<String> {

    @Override
    public <K> K selector(Map<String, SpiImplWrapper<K>> map, String name) throws NoSpiMatchException {
        if (StringUtils.isBlank(name)) {
            throw new IllegalArgumentException("spiName should not be empty!");
        }

        if (map == null || map.size() == 0) {
            throw new IllegalArgumentException("no impl spi!");
        }


        if (!map.containsKey(name)) {
            throw new NoSpiMatchException("no spiImpl match the name you choose! your choose is: " + name);
        }

        return map.get(name).getSpiImpl();
    }

}

流程说明

上面主要就各个点单独的进行了说明,看起来可能比较分散,看完之后可能没有一个清晰的流程,这里就整个实现的流程顺一遍,主要从使用者的角度出发,当定义了一个SPI接口后,到获取spi实现的过程中,上面的这些步骤是怎样串在一起的

流程图

先拿简单的静态获取SPI实现流程说明(动态的其实差不多,具体的差异下一篇说明),先看下这种用法的使用姿势

@Spi
public interface IPrint {
    void print(String str);
}

public class FilePrint implements IPrint {
    @Override
    public void print(String str) {
        System.out.println("file print: " + str);
    }
}

public class ConsolePrint implements IPrint {

    @Override
    public void print(String str) {
        System.out.println("console print: " + str);
    }
}

@Test
public void testPrint() throws NoSpiMatchException {
   SpiLoader<IPrint> spiLoader = SpiLoader.load(IPrint.class);
   IPrint print = spiLoader.getService("ConsolePrint");
   print.print("console---->");
}

SpiLoader<IPrint> spiLoader = SpiLoader.load(IPrint.class);

这行代码触发的action 主要是初始化所有的选择器, 如下图

  • 首先从缓存中查
  • 是否已经初始化过了有则直接返回;
  • 缓存中没有,则进入new一个新的对象出来
    • 解析类上注解 @Spi,初始化 currentSelector
    • 解析所有方法的注解 @SpiAdaptive , 初始化 currentMethodSelector
  • 塞入缓存,并返回

IPrint print = spiLoader.getService("ConsolePrint");

根据name获取实现类,具体流程如下

  • 判断是否加载过所有实现类 spiImplClassCacheMap
  • 没有加载,则重新加载所有的实现类
    • 通过jdk的 ServiceLoader.load() 方法获取所有的实现类
    • 遍历实现类,根据 @SpiConf 注解初始化参数,封装 SpiImplWrapper对象
    • 保存封装的 SpiImplWrapper对象到缓存
  • 执行 currentSelector.select() 方法,获取匹配的实现类

其他

博客系列链接:

  • SPI框架实现之旅一:背景介绍
  • SPI框架实现之旅二:整体设计
  • SPI框架实现之旅三:实现说明
  • SPI框架实现之旅四:使用测试

源码地址:

https://git.oschina.net/liuyueyi/quicksilver/tree/master/silver-spi

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