我是 SPI,我让框架更加优雅了!

自从上次小黑进入公司的架构组之后,小黑就承担起整个公司底层框架的开发工作。就在刚刚,小黑又接到一个任务:做一个通用的歌曲信息解析框架。即输入歌曲数据,之后返回该歌曲的名称、作者、时长等时间。

接到项目的小黑经过两天的奋战,终于把第一个版本的歌曲解析框架完成了。第一版的歌曲解析框架是这样的:

public class ParseUtil{
    public static Song parseMp3Song(byte[] data){
        //parse song according to mp3 data format
    }
}

使用的人只需要引入工具类,之后调用 parseMp3Song() 方法即可,非常方便。

ParseUtil.parseMp3Song(data);      //song stored with mp3 format

过了几天领导又找上门来了,说有些歌曲是用 mp4 格式存储的,你这个方法就用不了啊。你今天下班之前赶紧把这个功能加上,其他项目急着用呢。苦逼的小黑加班加点在 ParseUtil 中加上了 parseMp4Song 这个方法,于是第二版的歌曲解析框架是这样的:

public class ParseUtil{
    public static Song parseMp4Song(byte[] data){
        //parse song according to mp4 data format
    }
}

写完之后小黑赶紧将框架版本升级到 2.0.0,并通知使用框架的兄弟们升级框架,并修改相关代码。这时候使用框架是这样的:

ParseUtil.parseMp3Song(data);      //song stored with mp3 format
ParseUtil.parseMp4Song(data);      //song stored with mp4 format

但第二版本的歌曲解析框架上线之后,小黑觉得这样的设计并不好,要是后面又有新的歌曲格式,那我岂不是还得修改框架。而且对于使用框架的人来说,这种使用方式并不友好。因为每次调用框架之前,都需要知道解析的歌曲是什么格式,如果是 mp3 格式的歌曲,那么调用 ParseUtil.parseMp3Song(data) 方法。,如果是 mp4 格式的歌曲,那么调用 ParseUtil.parseMp4Song(data) 方法。这未免太笨了吧!

小黑想:无论对于什么样歌曲,都不应该让框架使用者去关心它的格式。框架使用者只需要将数据传给我,我再将结果告诉他就好了。

就在小黑冥思苦想的时候,站在一旁的树义同学说:你想一想,这种情况是不是有点像我们使用 JDBC 连接数据库?

当我们想使用 MySQL 数据库的时候,我们需要引入 mysql 的驱动包。

<dependency>
  <groupId>mysql</groupId>
  <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
  <version>5.1.6</version>
</dependency>

而当我们使用 SQLServer 数据库的时候,我们需要引入 SQLServer 的驱动包。

<dependency>
  <groupId>com.microsoft.sqlserver</groupId>
  <artifactId>mssql-jdbc</artifactId>
  <version>6.4.0.jre8</version>
</dependency>

但是我们在获取数据库连接的时候,却都是用同样的代码:

Connection conn = DriverManager.getConnection(DB_URL,USER,PASS);
Statement stmt = conn.createStatement();
String sql = "SELECT id, name, url, comment FROM blog";
ResultSet rs = stmt.executeQuery(sql);

那我们能不能也参考 JDBC 的设计方法,把歌曲解析器这个单独抽离出来,当需要增加一个新的歌曲解析器时,直接引入相关的解析器 Jar 包就好了。这样在增加歌曲格式解析器时,我们就不需要修改框架代码,只需要新增一个特定格式解析器的 Jar 包就可以。

按着这种实现思路,小黑立即着手开始第三版歌曲解析框架的开发。经过三天三夜的开发,框架终于开发完成,这时候的框架分成了三个部分:

  • song-parser 项目。负责定义通用的歌曲解析接口,并不提供任何具体的歌曲解析器实现。
  • song-parser-mp3 项目。实现了 song-parser 项目的歌曲解析接口,实现了 mp3 格式歌曲的解析。
  • song-parser-mp4 项目。实现了 song-parser 项目的歌曲解析接口,实现了 mp4 格式歌曲的解析。

这时候使用歌曲解析框架的流程是这样的:

首先,在项目中引入 song-parser 项目以及具体的解析实现,例如这里我引入 song-parser-mp3、song-parser-mp4 项目。

//歌曲解析框架
<dependency>
    <groupId>com.chenshuyi.demo</groupId>
    <artifactId>song-parser</artifactId>
    <version>1.0.0</version>
</dependency>
//引入MP3歌曲解析器
<dependency>
    <groupId>com.xiaohei.demo</groupId>
    <artifactId>song-parser-mp3</artifactId>
    <version>1.0.0</version>
</dependency> 

这里引入了 mp3 歌曲解析器,那么我们就可以在项目中解析 mp3 格式的歌曲。

//parse mp3 song
Song song = ParserManager.getSong(mockSongData("MP3")); 

如果需要解析 mp4 格式的歌曲,那我们引入 mp4 歌曲解析器:

<dependency>
    <groupId>com.chenshuyi.demo</groupId>
    <artifactId>song-parser</artifactId>
    <version>1.0.0</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>com.xiaohei.demo</groupId>
    <artifactId>song-parser-mp3</artifactId>
    <version>1.0.0</version>
</dependency>
//引入MP4歌曲解析器
<dependency>
    <groupId>com.xiaoshu.demo</groupId>
    <artifactId>song-parser-mp4</artifactId>
    <version>1.0.0</version>
</dependency>

之后还是使用 ParserManager.getSong(byte[] data) 方法进行歌曲信息解析:

//parse mp4 song
Song song = ParserManager.getSong(mockSongData("MP4")); 

经过这样的一个设计,我们发现升级之后,使用的人并不需要修改原有的代码,也不需要升级原有的框架版本,只需要将新的歌曲解析器 Jar 包引入即可。

看着最新完成的第三版歌曲解析框架,小黑暗暗得意自己的架构设计,觉得这绝对是一个划时代的创造。于是赶紧跟树义分享自己的设计思路,没想到树义却淡定地说:其实这个就是 Java 的 SPI 机制,英文全称是 Service Provider Interface,常用于框架的可扩展实现。Java 语言的 JDBC、JDNI 就使用了这种技术,甚至我们常用的 dubbo 也是在 Java SPI 机制基础上做的改进。

小黑怪不好意思地摸摸头,原来 Java 的创造者早就想到了,我还以为自己创造了一种新的开发方式呢!虽然树义知道是用 SPI 机制实现的,但树义还是对小黑怎么做出这个框架感到好奇,于是问小黑:你这个框架到底是咋做的叻,说出来让我们学习学习呗!

小黑得意地打开 IDE 编辑器,滔滔不绝地说起来。其实这个「歌曲解析框架」分为两个部分:

  • song-parser 项目。负责定义通用的歌曲解析接口,并不提供任何具体的歌曲解析器实现。
  • song-parser-xxx 项目。实现了 song-parser 项目的歌曲解析接口,实现了 xxx 格式歌曲的解析。例如上面说的,song-parser-mp3 实现了 mp3 格式歌曲的解析,song-parser-mp4 实现了 mp4 格式歌曲的解析,等等。

song-parser 项目

song-parser 项目定义了通用的歌曲解析接口,并不提供具体的解析实现。在 song-parser 项目定义了下面两个关键的接口和类:Parser 接口、ParserManager 类。

  • Parser 接口

定义了抽象的解析方法,传入歌曲的数据,返回歌曲的信息。

public interface Parser {
    Song parse(byte[] data) throws Exception;
}
  • ParseManager 类

主要包括两个三个部分:

loadInitialParsers() 用于程序启动时初始化所有的歌曲解析器。

ParserManager.registerParser()用于歌曲解析器的注册。

ParserManager.getSong()提供了获取歌曲信息的方法。

public class ParserManager {

    private final static CopyOnWriteArrayList<ParserInfo> registeredParsers = new CopyOnWriteArrayList<>();

    static {
        loadInitialParsers();
        System.out.println("SongParser initialized");
    }

    private static void loadInitialParsers() {
        ServiceLoader<Parser> loadedParsers = ServiceLoader.load(Parser.class);
        Iterator<Parser> driversIterator = loadedParsers.iterator();
        try{
            while(driversIterator.hasNext()) {
                driversIterator.next();
            }
        } catch(Throwable t) {
            // Do nothing
        }
    }

    public static synchronized void registerParser(Parser parser) {
        registeredParsers.add(new ParserInfo(parser));
    }

    public static Song getSong(byte[] data) {
        for (ParserInfo parserInfo : registeredParsers) {
            try {
                Song song = parserInfo.parser.parse(data);
                if (song != null) {
                    return song;
                }
            } catch (Exception e) {
                //wrong parser, ignored it.
            }
        }
        throw new ParserNotFoundException("10001", "Can not find corresponding data:" + new String(data));
    }
}

其实上面的几个方法对应了 Service Provider Framework 的四个概念:

  • Service Interface 服务接口,这里对应 Song 接口。
  • Provider Registration API 用户注册接口,这里对应 ParserManager.registerParser() 方法。
  • Service Access API 获取服务实例方法,这里对应 ParserManager.getSong() 方法。
  • Service Provider Interface 创建服务实现的接口,这里对应 Parser 接口。

所有借助 Java SPI 机制实现的框架,除了 Service Interface 服务接口不是必须的之外,其他三个都是必须要有的。

这里我们用 mp3 歌曲解析器为例,来看看到底是如何实现的插件式的歌曲解析的。

在 song-parse-mp3 项目中有两个类和一个描述文件,分别是:com.chenshuyi.demo.Parser 文件、Parser 类和 Mp3Parser 类。

  • com.chenshuyi.demo.Parser 文件

该文件位于/resources/META-INF/services目录下,包含如下地址:com.xiaohei.demo.Parser,表示歌曲解析的具体实现类。

  • Parser 类

在 Parser 类中,其调用 ParserManager.registerParser() 类将解析器注册到一个 List 集合中。

public class Parser extends Mp3Parser implements com.chenshuyi.demo.Parser {
    static
    {
        try
        {
            ParserManager.registerParser(new Parser());
        }
        catch (Exception e)
        {
            throw new RuntimeException("Can't register parser!");
        }
    }
}
  • Mp3Parser 类

而在 Parser.parse() 方法中,则实现了具体的解析业务逻辑。

public class Mp3Parser implements Parser {

    public final byte[] FORMAT = "MP3".getBytes();

    public final int FORMAT_LENGTH = FORMAT.length;

    @Override
    public Song parse(byte[] data) throws Exception{
        if (!isDataCompatible(data)) {
            throw new Exception("data format is wrong.");
        }
        //parse data by mp3 format type
        return new Song("刘千楚", "mp3", "《北京东路的日子》", 220L);
    }

    private boolean isDataCompatible(byte[] data) {
        byte[] format = Arrays.copyOfRange(data, 0, FORMAT_LENGTH);
        return Arrays.equals(format, FORMAT);
    }
}

当我们调用以下语句去获取歌曲信息时,因为 ParserManager.getSong() 是静态方法,所以会先初始化 ParserManager 类。

Song song = ParserManager.getSong(mockSongData("MP3"));

在 ParserManager 类中有下面这段代码:

static {
    loadInitialParsers();
    System.out.println("SongParser initialized");
}

在 loadInitialParsers() 方法中,调用了 Java 的 ServiceLoader 类获取 Parser 接口的所有实现。

private static void loadInitialParsers() {
    ServiceLoader<Parser> loadedParsers = ServiceLoader.load(Parser.class);
    Iterator<Parser> driversIterator = loadedParsers.iterator();
    try{
        while(driversIterator.hasNext()) {
            driversIterator.next();
        }
    } catch(Throwable t) {
        // Do nothing
    }
}

当 ParserManager 初始化完成之后,就调用 getSong() 静态方法。

public static Song getSong(byte[] data) {
    for (ParserInfo parserInfo : registeredParsers) {
        try {
            Song song = parserInfo.parser.parse(data);
            if (song != null) {
                return song;
            }
        } catch (Exception e) {
            //wrong parser, ignored it.
        }
    }
    throw new ParserNotFoundException("10001", "Can not find corresponding data:" + new String(data));
}

从下图我们可以得知,其实 loadInitialParsers() 方法运行之后,是将所有 Parser 接口的所有视线都放到了 ParserManager.registeredParsers 这个 List 中。

ParserManager.getSong 方法循环遍历所有歌曲解析器,一旦获得正确的解析结果便返回。如果全部遍历结束,还找不到正确的解析器,那么就返回 null。

在一旁的树义听着虽然有点懵,但是还是大概听懂了。这不就是,但是还是觉得小黑很厉害。但说了这么多,我还不知道怎么用这个框架呢。如果我要新增一种来解析 rmvb 格式歌曲,那应该怎么做呢?小黑淡定地摆出 OK 的手势说:10 分钟搞定。

小黑首先创建了一个项目 song-parser-rmvb:

<groupId>com.anonymous.demo</groupId>
<artifactId>song-parser-rmvb</artifactId>
<version>1.0.0</version>

接着创建了一个 RmvbParser 类,用于实现具体的歌曲信息解析:

public class RmvbParser implements com.chenshuyi.demo.Parser {

    public final byte[] FORMAT = "RMVB".getBytes();

    public final int FORMAT_LENGTH = FORMAT.length;

    @Override
    public Song parse(byte[] data) throws Exception{
        if (!isDataCompatible(data)) {
            throw new Exception("data format is wrong.");
        }
        //parse data by rmvb format type
        return new Song("AGA", "rmvb", "《Wonderful U》", 240L);
    }

    private boolean isDataCompatible(byte[] data) {
        byte[] format = Arrays.copyOfRange(data, 0, FORMAT_LENGTH);
        return Arrays.equals(format, FORMAT);
    }
}

之后创建了一个 Parser 类,用于在启动的时候向 ParserManager 类注册解析器:

public class Parser extends RmvbParser implements com.chenshuyi.demo.Parser {
    static
    {
        try
        {
            ParserManager.registerParser(new Parser());
        }
        catch (Exception e)
        {
            throw new RuntimeException("Can't register parser!");
        }
    }
}

最后在创建了一个描述文件resources/META-INF/services/com.chenshuyi.demo.Parser,并填上了下面的内容:

com.anonymous.demo.Parser

改造完成之后,小黑将新的 RMVB 解析器信息告诉了开发兄弟。开发兄弟在项目中引入了新的歌曲解析器依赖:

//新增rmvb歌曲解析器
<dependency>
    <groupId>com.anonymous.demo</groupId>
    <artifactId>song-parser-rmvb</artifactId>
    <version>1.0.0</version>
</dependency> 

之后使用 ParserManager.getSong(byte[] data) 方法进行歌曲信息解析:

Song song = ParserManager.getSong(mockSongData("RMVB"));
System.out.println("Name:" + song.getName());
System.out.println("Author:" + song.getAuthor());
System.out.println("Time:" + song.getTime());
System.out.println("Format:" + song.getFormat());

代码成功运行,输出:

Name:《Wonderful U》
Author:AGA
Time:240
Format:rmvb

站在一旁的树义看得眼睛都呆了,这样的开发效率真的很快,而且又很优雅!

树义有话说

Java SPI 无处不在,通过使用 SPI 能够让框架的实现更加优雅,实现可插拔的插件开发。本文中的歌曲解析框架就是借鉴这种方式进行开发的,虽然只是一个简化版的实现,但是其能让你更快了解 SPI 机制的实现原理。

「歌曲解析框架」代码已经上传到 Github 上,感兴趣的朋友可以下载代码:chenyurong/song-parser-spi-demo。如果想进一步掌握 Java SPI 的应用,建议下载项目并自行扩展一个歌曲解析器,这样可以最大程度上理解 Java SPI 机制。

很多朋友看到了这篇文章都说我好厉害啊,怎么能想出这么巧妙的方法,其实这些都是模仿 Java JDBC 的源码的。有兴趣的同学可以到我的博客看看这篇文章:带你一行行深入解析JDBC源码。

微信公众号推文无法外带链接,所以需要深入学习的同学可以到我的博客(http://shuyi.me)查看对应文章。


这篇文章可是满满的干货,虽然才一篇,但是其实可以拆分成三篇文章。但树义觉得还是尽量要让每篇文章干货满满,所以还是不拆分了。这也是我未来的一个写作思路,希望每篇文章篇幅稍微长一些,能写得更深入些。

另外还想告诉大家一个事情,就是在公众号写的文章,以后会更加偏向于理解性质,少一些代码。因为公众号更多是在手机上阅读,贴太多代码不利于阅读。但实际上对于软件开发来说,不贴代码其实是很难的,所以对于这种类型的文章,我会选择在博客上发布。还有那种系列连载的课程,因为每节内容都会比较短,所以我也不会选择在公众号发。所以如果你想看到更多实战类、连载类的文章,就赶紧打开我的博客 shuyi.me,收藏一下吧!

这篇文章写了很多,还附带了一篇 JDBC 源码的解析,以及一个 Java SPI 机制的小 Demo。写得真是很辛苦,如果觉得对你有帮助,请点赞转发表示支持。: )

原文发布于微信公众号 - java进阶架构师(java_jiagoushi)

原文发表时间:2018-12-04

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