咱們經(jīng)常在一些中間件架構(gòu)設(shè)計中聽到 “微內(nèi)核架構(gòu)“ 這個詞，不知道各位第一次聽到這個詞是什么感覺，反正我是一臉懵逼，兩臉茫然。

那究竟什么是 “微內(nèi)核架構(gòu)” ，我們又應(yīng)該如何實現(xiàn)它？今天讓我們揭開微內(nèi)核架構(gòu)的神秘面紗！

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)的擴展性 。所謂擴展性，是指系統(tǒng)在經(jīng)歷不可避免的變更時所具有的靈活性，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，不需要改變原有的各個組件，只需把新業(yè)務(wù)封閉在一個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)具有較好的可擴展性。

就架構(gòu)設(shè)計而言，擴展性是軟件設(shè)計的永恒話題。而要實現(xiàn)系統(tǒng)擴展性，一種思路是提供可插拔式的機制來應(yīng)對所發(fā)生的變化。當(dāng)系統(tǒng)中現(xiàn)有的某個組件不滿足要求時，我們可以實現(xiàn)一個新的組件來替換它，而整個過程對于系統(tǒng)的運行而言應(yīng)該是無感知的，我們也可以根據(jù)需要隨時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，分布式主鍵的實現(xiàn)可能有很多種，而擴展性在這個點上的體現(xiàn)就是， 我們可以使用任意一種新的分布式主鍵實現(xiàn)來替換原有的實現(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)模式為這種實現(xiàn)擴展性的思路提供了架構(gòu)設(shè)計上的支持，ShardingSphere 基于微內(nèi)核架構(gòu)實現(xiàn)了高度的擴展性。在介紹如何實現(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)運行所需的最小功能集，而插件是獨立的組件，包含自定義的各種業(yè)務(wù)代碼，用來向內(nèi)核系統(tǒng)增強或擴展額外的業(yè)務(wù)能力。在 ShardingSphere 中，前面提到的分布式主鍵就是插件，而 ShardingSphere 的運行時環(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概念，一個概念就是經(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展點。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。

可插拔式的實現(xiàn)機制說起來簡單，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 SPI 擴展點。另一方面， 當(dāng)我們實現(xiàn)了這些 SPI 擴展點之后，就需要構(gòu)建一個能夠支持這種可插拔機制的具體實現(xiàn)，從而提供一種 SPI 運行時環(huán)境 。

如何實現(xiàn)微內(nèi)核架構(gòu)？

事實上，JDK 已經(jīng)為我們提供了一種微內(nèi)核架構(gòu)的實現(xiàn)方式，就是JDK SPI。這種實現(xiàn)方式針對如何設(shè)計和實現(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)上進行了增強和優(yōu)化。所以要理解如何實現(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?實現(xiàn)也不同，在開發(fā)?java.sql.Driver?接口時，開發(fā)人員并不清楚用戶最終會使用哪個數(shù)據(jù)庫，在這種情況下就可以使用 Java SPI 機制在實際運行過程中，為?java.sql.Driver?接口尋找具體的實現(xiàn)。

下面我們通過一個簡單的示例演示一下JDK SPI的使用方式：

• 首先我們定義一個生成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)建兩個接口實現(xiàn)類，分別用來模擬uuid和序列id的生成

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

• 在項目的resources/META-INF/services?目錄下添加一個名為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 接口實現(xiàn)的實例，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)建的實現(xiàn)對象，其中 Key 為實現(xiàn)類的完整類名，Value 為實現(xiàn)類的對象。之后創(chuàng)建 LazyIterator 迭代器，用于讀取 SPI 配置文件并實例化實現(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?實現(xiàn)的。Iterator 接口有兩個關(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.IdGeneratorString?fullName?=?PREFIX?+?service.getName();if?(loader?==?null)configs?=?ClassLoader.getSystemResources(fullName);elseconfigs?=?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)實例化 hasNextService() 方法讀取到的實現(xiàn)類，其中會將實例化的對象放到 providers 集合中緩存起來，核心實現(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)建實現(xiàn)類的對象?providers.put(cn,?p);?//?將實現(xiàn)類名稱以及相應(yīng)實例對象添加到緩存?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現(xiàn)的，這個迭代器是依賴 LazyIterator 實現(xiàn)的一個匿名內(nèi)部類，核心實現(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 實現(xiàn)的原理之后，我們再來看實踐中 JDBC 是如何使用 JDK SPI 機制加載不同數(shù)據(jù)庫廠商的實現(xiàn)類。

JDK 中只定義了一個 java.sql.Driver 接口，具體的實現(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 實現(xiàn)包為例進行分析。

在 mysql-connector-java-*.jar 包中的 META-INF/services 目錄下，有一個 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()?方法的時候，DriverManager 類會被 Java 虛擬機加載、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 接口實現(xiàn)類并實例化，核心實現(xiàn)如下所示：

private?static?void?loadInitialDrivers()?{?String?drivers?=?System.getProperty("jdbc.drivers")?//?使用?JDK?SPI機制加載所有?java.sql.Driver實現(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實現(xiàn)類?Class.forName(aDriver,?true,?ClassLoader.getSystemClassLoader());?}? }

在 MySQL 提供的?com.mysql.cj.jdbc.Driver?實現(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 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;?}? }

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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示例入手，介紹了 JDK 提供的 SPI 機制的基本使用，然后深入分析了 JDK SPI 的核心原理和底層實現(xiàn)，對其源碼進行了深入剖析，最后我們以 MySQL 提供的 JDBC 實現(xiàn)為例，分析了 JDK SPI 在實踐中的使用方式。

有道無術(shù)，術(shù)可成；有術(shù)無道，止于術(shù)

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的我懵了，那个听起来很厉害的微内核架构是个什么鬼？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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