一文讀懂微內(nèi)核架構(gòu)

什么是微內(nèi)核架構(gòu)？

微內(nèi)核是一種典型的架構(gòu)模式 ，區(qū)別于普通的設(shè)計(jì)模式，架構(gòu)模式是一種高層模式，用于描述系統(tǒng)級的結(jié)構(gòu)組成、相互關(guān)系及相關(guān)約束。微內(nèi)核架構(gòu)在開源框架中的應(yīng)用非常廣泛，比如常見的 ShardingSphere 還有Dubbo都實(shí)現(xiàn)了自己的微內(nèi)核架構(gòu)。那么，在介紹什么是微內(nèi)核架構(gòu)之前，我們有必要先闡述這些開源框架會使用微內(nèi)核架構(gòu)的原因。

為什么要使用微內(nèi)核架構(gòu)？

微內(nèi)核架構(gòu)本質(zhì)上是為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性 。所謂擴(kuò)展性，是指系統(tǒng)在經(jīng)歷不可避免的變更時(shí)所具有的靈活性，以及針對提供這樣的靈活性所需要付出的成本間的平衡能力。也就是說，當(dāng)在往系統(tǒng)中添加新業(yè)務(wù)時(shí)，不需要改變原有的各個(gè)組件，只需把新業(yè)務(wù)封閉在一個(gè)新的組件中就能完成整體業(yè)務(wù)的升級，我們認(rèn)為這樣的系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性。

就架構(gòu)設(shè)計(jì)而言，擴(kuò)展性是軟件設(shè)計(jì)的永恒話題。而要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展性，一種思路是提供可插拔式的機(jī)制來應(yīng)對所發(fā)生的變化。當(dāng)系統(tǒng)中現(xiàn)有的某個(gè)組件不滿足要求時(shí)，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的組件來替換它，而整個(gè)過程對于系統(tǒng)的運(yùn)行而言應(yīng)該是無感知的，我們也可以根據(jù)需要隨時(shí)完成這種新舊組件的替換。

比如在 ShardingSphere 中提供的分布式主鍵功能，分布式主鍵的實(shí)現(xiàn)可能有很多種，而擴(kuò)展性在這個(gè)點(diǎn)上的體現(xiàn)就是， 我們可以使用任意一種新的分布式主鍵實(shí)現(xiàn)來替換原有的實(shí)現(xiàn)，而不需要依賴分布式主鍵的業(yè)務(wù)代碼做任何的改變 。

微內(nèi)核架構(gòu)模式為這種實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性的思路提供了架構(gòu)設(shè)計(jì)上的支持，ShardingSphere 基于微內(nèi)核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高度的擴(kuò)展性。在介紹如何實(shí)現(xiàn)微內(nèi)核架構(gòu)之前，我們先對微內(nèi)核架構(gòu)的具體組成結(jié)構(gòu)和基本原理做簡要的闡述。

什么是微內(nèi)核架構(gòu)？

從組成結(jié)構(gòu)上講， 微內(nèi)核架構(gòu)包含兩部分組件：內(nèi)核系統(tǒng)和插件 。這里的內(nèi)核系統(tǒng)通常提供系統(tǒng)運(yùn)行所需的最小功能集，而插件是獨(dú)立的組件，包含自定義的各種業(yè)務(wù)代碼，用來向內(nèi)核系統(tǒng)增強(qiáng)或擴(kuò)展額外的業(yè)務(wù)能力。在 ShardingSphere 中，前面提到的分布式主鍵就是插件，而 ShardingSphere 的運(yùn)行時(shí)環(huán)境構(gòu)成了內(nèi)核系統(tǒng)。

那么這里的插件具體指的是什么呢？這就需要我們明確兩個(gè)概念，一個(gè)概念就是經(jīng)常在說的 API ，這是系統(tǒng)對外暴露的接口。而另一個(gè)概念就是 SPI（Service Provider Interface，服務(wù)提供接口），這是插件自身所具備的擴(kuò)展點(diǎn)。就兩者的關(guān)系而言，API 面向業(yè)務(wù)開發(fā)人員，而 SPI 面向框架開發(fā)人員，兩者共同構(gòu)成了 ShardingSphere 本身。

可插拔式的實(shí)現(xiàn)機(jī)制說起來簡單，做起來卻不容易，我們需要考慮兩方面內(nèi)容。一方面，我們需要梳理系統(tǒng)的變化并把它們抽象成多個(gè) SPI 擴(kuò)展點(diǎn)。另一方面， 當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)了這些 SPI 擴(kuò)展點(diǎn)之后，就需要構(gòu)建一個(gè)能夠支持這種可插拔機(jī)制的具體實(shí)現(xiàn)，從而提供一種 SPI 運(yùn)行時(shí)環(huán)境 。

如何實(shí)現(xiàn)微內(nèi)核架構(gòu)？

事實(shí)上，JDK 已經(jīng)為我們提供了一種微內(nèi)核架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式，就是JDK SPI。這種實(shí)現(xiàn)方式針對如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) SPI 提出了一些開發(fā)和配置上的規(guī)范，ShardingSphere、Dubbo 使用的就是這種規(guī)范，只不過在這基礎(chǔ)上進(jìn)行了增強(qiáng)和優(yōu)化。所以要理解如何實(shí)現(xiàn)微內(nèi)核架構(gòu)，我們不妨先看看JDK SPI 的工作原理。

JDK SPI

SPI（Service Provider Interface）主要是被框架開發(fā)人員使用的一種技術(shù)。例如，使用 Java 語言訪問數(shù)據(jù)庫時(shí)我們會使用到 java.sql.Driver 接口，不同數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品底層的協(xié)議不同，提供的 java.sql.Driver 實(shí)現(xiàn)也不同，在開發(fā) java.sql.Driver 接口時(shí)，開發(fā)人員并不清楚用戶最終會使用哪個(gè)數(shù)據(jù)庫，在這種情況下就可以使用 Java SPI 機(jī)制在實(shí)際運(yùn)行過程中，為 java.sql.Driver 接口尋找具體的實(shí)現(xiàn)。

下面我們通過一個(gè)簡單的示例演示一下JDK SPI的使用方式：

• 首先我們定義一個(gè)生成id鍵的接口，用來模擬id生成

public interface IdGenerator {
    /**
     * 生成id
     * @return
     */
    String generateId();
}

• 然后創(chuàng)建兩個(gè)接口實(shí)現(xiàn)類，分別用來模擬uuid和序列id的生成

public class UuidGenerator implements IdGenerator {
    @Override
    public String generateId() {
        return UUID.randomUUID().toString();
    }
}

public class SequenceIdGenerator implements IdGenerator {
    private final AtomicLong atomicId = new AtomicLong(100L);
    @Override
    public String generateId() {
        long leastId = this.atomicId.incrementAndGet();
        return String.valueOf(leastId);
    }
}

• 在項(xiàng)目的resources/META-INF/services 目錄下添加一個(gè)名為com.github.jianzh5.spi.IdGenerator的文件，這是 JDK SPI 需要讀取的配置文件，內(nèi)容如下：

com.github.jianzh5.spi.impl.UuidGenerator
com.github.jianzh5.spi.impl.SequenceIdGenerator

• 創(chuàng)建main方法，讓其加載上述的配置文件，創(chuàng)建全部IdGenerator 接口實(shí)現(xiàn)的實(shí)例，并執(zhí)行生成id的方法。

public class GeneratorMain {
    public static void main(String[] args) {
        ServiceLoader<IdGenerator> serviceLoader = ServiceLoader.load(IdGenerator.class);
        Iterator<IdGenerator> iterator = serviceLoader.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            IdGenerator generator = iterator.next();
            String id = generator.generateId();
            System.out.println(generator.getClass().getName() + "  >>id:" + id);
        }
    }
}

• 執(zhí)行結(jié)果如下：

JDK SPI 源碼分析

通過上述示例，我們可以看到 JDK SPI 的入口方法是 ServiceLoader.load() 方法，在這個(gè)方法中首先會嘗試獲取當(dāng)前使用的 ClassLoader，然后調(diào)用 reload() 方法，調(diào)用關(guān)系如下圖所示：

在 reload() 方法中，首先會清理 providers 緩存（LinkedHashMap 類型的集合），該緩存用來記錄 ServiceLoader 創(chuàng)建的實(shí)現(xiàn)對象，其中 Key 為實(shí)現(xiàn)類的完整類名，Value 為實(shí)現(xiàn)類的對象。之后創(chuàng)建 LazyIterator 迭代器，用于讀取 SPI 配置文件并實(shí)例化實(shí)現(xiàn)類對象。

public void reload() {
 providers.clear();
 lookupIterator = new LazyIterator(service, loader);
}

在前面的示例中，main() 方法中使用的迭代器底層就是調(diào)用了 ServiceLoader.LazyIterator 實(shí)現(xiàn)的。Iterator 接口有兩個(gè)關(guān)鍵方法：hasNext() 方法和 next() 方法。這里的 LazyIterator 中的 next() 方法最終調(diào)用的是其 nextService() 方法，hasNext() 方法最終調(diào)用的是 hasNextService() 方法，我們來看看 hasNextService()方法的具體實(shí)現(xiàn)：

private static final String PREFIX = "META-INF/services/"; 
Enumeration<URL> configs = null; 
Iterator<String> pending = null; 
String nextName = null; 
private boolean hasNextService() {
 if (nextName != null) {
  return true;
 }
 if (configs == null) {
  try {
   //META-INF/services/com.github.jianzh5.spi.IdGenerator
   String fullName = PREFIX + service.getName();
   if (loader == null)
    configs = ClassLoader.getSystemResources(fullName);
   else
    configs = loader.getResources(fullName);
  } catch (IOException x) {
   fail(service, "Error locating configuration files", x);
  }
 }
 // 按行SPI遍歷配置文件的內(nèi)容 
 while ((pending == null) || !pending.hasNext()) {
  if (!configs.hasMoreElements()) {
   return false;
  }
  // 解析配置文件 
  pending = parse(service, configs.nextElement());
 }
 // 更新 nextName字段 
 nextName = pending.next();
 return true;
}

在 hasNextService() 方法中完成 SPI 配置文件的解析之后，再來看 LazyIterator.nextService() 方法，該方法「負(fù)責(zé)實(shí)例化 hasNextService() 方法讀取到的實(shí)現(xiàn)類」，其中會將實(shí)例化的對象放到 providers 集合中緩存起來，核心實(shí)現(xiàn)如下所示：

private S nextService() { 
    String cn = nextName; 
    nextName = null; 
    // 加載 nextName字段指定的類 
    Class<?> c = Class.forName(cn, false, loader); 
    if (!service.isAssignableFrom(c)) { // 檢測類型 
        fail(service, "Provider " + cn  + " not a subtype"); 
    } 
    S p = service.cast(c.newInstance()); // 創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)類的對象 
    providers.put(cn, p); // 將實(shí)現(xiàn)類名稱以及相應(yīng)實(shí)例對象添加到緩存 
    return p; 
} 

以上就是在 main() 方法中使用的迭代器的底層實(shí)現(xiàn)。最后，我們再來看一下 main() 方法中使用 ServiceLoader.iterator() 方法拿到的迭代器是如何實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)迭代器是依賴 LazyIterator 實(shí)現(xiàn)的一個(gè)匿名內(nèi)部類，核心實(shí)現(xiàn)如下：

public Iterator<S> iterator() { 
    return new Iterator<S>() { 
        // knownProviders用來迭代providers緩存 
        Iterator<Map.Entry<String,S>> knownProviders 
            = providers.entrySet().iterator(); 
        public boolean hasNext() { 
            // 先走查詢緩存，緩存查詢失敗，再通過LazyIterator加載 
            if (knownProviders.hasNext())  
                return true; 
            return lookupIterator.hasNext(); 
        } 
        public S next() { 
            // 先走查詢緩存，緩存查詢失敗，再通過 LazyIterator加載 
            if (knownProviders.hasNext()) 
                return knownProviders.next().getValue(); 
            return lookupIterator.next(); 
        } 
        // 省略remove()方法 
    }; 
} 

JDK SPI 在 JDBC 中的應(yīng)用

了解了 JDK SPI 實(shí)現(xiàn)的原理之后，我們再來看實(shí)踐中 JDBC 是如何使用 JDK SPI 機(jī)制加載不同數(shù)據(jù)庫廠商的實(shí)現(xiàn)類。

JDK 中只定義了一個(gè) java.sql.Driver 接口，具體的實(shí)現(xiàn)是由不同數(shù)據(jù)庫廠商來提供的。這里我們就以 MySQL 提供的 JDBC 實(shí)現(xiàn)包為例進(jìn)行分析。

在 mysql-connector-java-*.jar 包中的 META-INF/services 目錄下，有一個(gè) java.sql.Driver 文件中只有一行內(nèi)容，如下所示：

com.mysql.cj.jdbc.Driver

在使用 mysql-connector-java-*.jar 包連接 MySQL 數(shù)據(jù)庫的時(shí)候，我們會用到如下語句創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接：

String url = "jdbc:xxx://xxx:xxx/xxx"; 
Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, pwd); 

「DriverManager 是 JDK 提供的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動管理器」，其中的代碼片段，如下所示：

static { 
    loadInitialDrivers();
    println("JDBC DriverManager initialized"); 
} 

在調(diào)用 getConnection() 方法的時(shí)候，DriverManager 類會被 Java 虛擬機(jī)加載、解析并觸發(fā) static 代碼塊的執(zhí)行；在 loadInitialDrivers()方法中通過 JDK SPI 掃描 Classpath 下 java.sql.Driver 接口實(shí)現(xiàn)類并實(shí)例化，核心實(shí)現(xiàn)如下所示：

private static void loadInitialDrivers() { 
    String drivers = System.getProperty("jdbc.drivers") 
    // 使用 JDK SPI機(jī)制加載所有 java.sql.Driver實(shí)現(xiàn)類 
    ServiceLoader<Driver> loadedDrivers =  
           ServiceLoader.load(Driver.class); 
    Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator(); 
    while(driversIterator.hasNext()) { 
        driversIterator.next(); 
    } 
    String[] driversList = drivers.split(":"); 
    for (String aDriver : driversList) { // 初始化Driver實(shí)現(xiàn)類 
        Class.forName(aDriver, true, 
            ClassLoader.getSystemClassLoader()); 
    } 
} 

在 MySQL 提供的 com.mysql.cj.jdbc.Driver 實(shí)現(xiàn)類中，同樣有一段 static 靜態(tài)代碼塊，這段代碼會創(chuàng)建一個(gè) com.mysql.cj.jdbc.Driver 對象并注冊到 DriverManager.registeredDrivers 集合中（CopyOnWriteArrayList 類型），如下所示：

static { 
   java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver()); 
}

在 getConnection() 方法中，DriverManager 從該 registeredDrivers 集合中獲取對應(yīng)的 Driver 對象創(chuàng)建 Connection，核心實(shí)現(xiàn)如下所示：

private static Connection getConnection(String url, java.util.Properties info, Class<?> caller) throws SQLException { 
    // 省略 try/catch代碼塊以及權(quán)限處理邏輯 
    for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) { 
        Connection con = aDriver.driver.connect(url, info); 
        return con; 
    } 
} 

小結(jié)

本文我們詳細(xì)講述了微內(nèi)核架構(gòu)的一些基本概念并通過一個(gè)示例入手，介紹了 JDK 提供的 SPI 機(jī)制的基本使用，然后深入分析了 JDK SPI 的核心原理和底層實(shí)現(xiàn)，對其源碼進(jìn)行了深入剖析，最后我們以 MySQL 提供的 JDBC 實(shí)現(xiàn)為例，分析了 JDK SPI 在實(shí)踐中的使用方式。

掌握了JDK的SPI機(jī)制就等于掌握了微內(nèi)核架構(gòu)的核心，以上，希望對你有所幫助！

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