一文读懂微内核架构

本文转载自微信公众号「 JAVA日知录」，作者 JAVA日知录 。转载本文请联系 JAVA日知录公众号。

什么是微内核架构?

微内核是一种典型的架构模式 ，区别于普通的设计模式，架构模式是一种高层模式，用于描述系统级的结构组成、相互关系及相关约束。微内核架构在开源框架中的应用非常广泛，比如常见的 ShardingSphere 还有Dubbo都实现了自己的微内核架构。那么，在介绍什么是微内核架构之前，我们有必要先阐述这些开源框架会使用微内核架构的原因。

为什么要使用微内核架构?

微内核架构本质上是为了提高系统的扩展性 。所谓扩展性，是指系统在经历不可避免的变更时所具有的灵活性，以及针对提供这样的灵活性所需要付出的成本间的平衡能力。也就是说，当在往系统中添加新业务时，不需要改变原有的各个组件，只需把新业务封闭在一个新的组件中就能完成整体业务的升级，我们认为这样的系统具有较好的可扩展性。

就架构设计而言，扩展性是软件设计的永恒话题。而要实现系统扩展性，一种思路是提供可插拔式的机制来应对所发生的变化。当系统中现有的某个组件不满足要求时，我们可以实现一个新的组件来替换它，而整个过程对于系统的运行而言应该是无感知的，我们也可以根据需要随时完成这种新旧组件的替换。

比如在 ShardingSphere 中提供的分布式主键功能，分布式主键的实现可能有很多种，而扩展性在这个点上的体现就是， 我们可以使用任意一种新的分布式主键实现来替换原有的实现，而不需要依赖分布式主键的业务代码做任何的改变 。

微内核架构模式为这种实现扩展性的思路提供了架构设计上的支持，ShardingSphere 基于微内核架构实现了高度的扩展性。在介绍如何实现微内核架构之前，我们先对微内核架构的具体组成结构和基本原理做简要的阐述。

什么是微内核架构?

从组成结构上讲， 微内核架构包含两部分组件：内核系统和插件 。这里的内核系统通常提供系统运行所需的最小功能集，而插件是独立的组件，包含自定义的各种业务代码，用来向内核系统增强或扩展额外的业务能力。在 ShardingSphere 中，前面提到的分布式主键就是插件，而 ShardingSphere 的运行时环境构成了内核系统。

那么这里的插件具体指的是什么呢?这就需要我们明确两个概念，一个概念就是经常在说的 API ，这是系统对外暴露的接口。而另一个概念就是 SPI(Service Provider Interface，服务提供接口)，这是插件自身所具备的扩展点。就两者的关系而言，API 面向业务开发人员，而 SPI 面向框架开发人员，两者共同构成了 ShardingSphere 本身。

可插拔式的实现机制说起来简单，做起来却不容易，我们需要考虑两方面内容。一方面，我们需要梳理系统的变化并把它们抽象成多个 SPI 扩展点。另一方面， 当我们实现了这些 SPI 扩展点之后，就需要构建一个能够支持这种可插拔机制的具体实现，从而提供一种 SPI 运行时环境 。

如何实现微内核架构?

事实上，JDK 已经为我们提供了一种微内核架构的实现方式，就是JDK SPI。这种实现方式针对如何设计和实现 SPI 提出了一些开发和配置上的规范，ShardingSphere、Dubbo 使用的就是这种规范，只不过在这基础上进行了增强和优化。所以要理解如何实现微内核架构，我们不妨先看看JDK SPI 的工作原理。

JDK SPI

SPI(Service Provider Interface)主要是被框架开发人员使用的一种技术。例如，使用 Java 语言访问数据库时我们会使用到 java.sql.Driver 接口，不同数据库产品底层的协议不同，提供的 java.sql.Driver 实现也不同，在开发 java.sql.Driver 接口时，开发人员并不清楚用户最终会使用哪个数据库，在这种情况下就可以使用 Java SPI 机制在实际运行过程中，为 java.sql.Driver 接口寻找具体的实现。

下面我们通过一个简单的示例演示一下JDK SPI的使用方式：

首先我们定义一个生成id键的接口，用来模拟id生成

public interface IdGenerator { 
     
    String generateId(); 
} 

然后创建两个接口实现类，分别用来模拟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); 
    } 
} 

在项目的resources/META-INF/services 目录下添加一个名为com.github.jianzh5.spi.IdGenerator的文件，这是 JDK SPI 需要读取的配置文件，内容如下：

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

创建main方法，让其加载上述的配置文件，创建全部IdGenerator 接口实现的实例，并执行生成id的方法。

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

执行结果如下：

JDK SPI 源码分析

通过上述示例，我们可以看到 JDK SPI 的入口方法是 ServiceLoader.load() 方法，在这个方法中首先会尝试获取当前使用的 ClassLoader，然后调用 reload() 方法，调用关系如下图所示：

调用关系

在 reload() 方法中，首先会清理 providers 缓存(LinkedHashMap 类型的集合)，该缓存用来记录 ServiceLoader 创建的实现对象，其中 Key 为实现类的完整类名，Value 为实现类的对象。之后创建 LazyIterator 迭代器，用于读取 SPI 配置文件并实例化实现类对象。

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层就是调用了 ServiceLoader.LazyIterator 实现的。Iterator 接口有两个关键方法：hasNext() 方法和 next() 方法。这里的 LazyIterator 中的 next() 方法最终调用的是其 nextService() 方法，hasNext() 方法最终调用的是 hasNextService() 方法，我们来看看 hasNextService()方法的具体实现：

private static final String PREFIX = "META-INF/services/";  
Enumeration configs = null;  
Iterator 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遍历配置文件的内容  
 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，再来看 LazyIterator.nextService() 方法，该方法「负责实例化 hasNextService() 方法读取到的实现类」，其中会将实例化的对象放到 providers 集合中缓存起来，核心实现如下所示：

private S nextService() {  
    String cn = nextName;  
    nextName = null;  
    // 加载 nextName字段指定的类  
    Class c = Class.forName(cn, false, loader);  
    if (!service.isAssignableFrom(c)) { // 检测类型  
        fail(service, "Provider " + cn  + " not a subtype");  
    }  
    S p = service.cast(c.newInstance()); // 创建实现类的对象  
    providers.put(cn, p); // 将实现类名称以及相应实例对象添加到缓存  
    return p;  
}  

以上就是在 main() 方法中使用的迭代器的底层实现。最后，我们再来看一下 main() 方法中使用 ServiceLoader.iterator() 方法拿到的迭代器是如何实现的，这个迭代器是依赖 LazyIterator 实现的一个匿名内部类，核心实现如下：

public Iterator iterator() {  
    return new Iterator() {  
        // knownProviders用来迭代providers缓存  
        Iterator> knownProviders  
            = providers.entrySet().iterator();  
        public boolean hasNext() {  
            // 先走查询缓存，缓存查询失败，再通过LazyIterator加载  
            if (knownProviders.hasNext())   
                return true;  
            return lookupIterator.hasNext();  
        }  
        public S next() {  
            // 先走查询缓存，缓存查询失败，再通过 LazyIterator加载  
            if (knownProviders.hasNext())  
                return knownProviders.next().getValue();  
            return lookupIterator.next();  
        }  
        // 省略remove()方法  
    };  
}  

com.mysql.cj.jdbc.Driver 

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

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

private static void loadInitialDrivers() {  
    String drivers = System.getProperty("jdbc.drivers")  
    // 使用 JDK SPI机制加载所有 java.sql.Driver实现类  
    ServiceLoader loadedDrivers =   
           ServiceLoader.load(Driver.class);  
    Iterator driversIterator = loadedDrivers.iterator();  
    while(driversIterator.hasNext()) {  
        driversIterator.next();  
    }  
    String[] driversList = drivers.split(":");  
    for (String aDriver : driversList) { // 初始化Driver实现类  
        Class.forName(aDriver, true,  
            ClassLoader.getSystemClassLoader());  
    }  
}  

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

private static Connection getConnection(String url, java.util.Properties info, Class caller) throws SQLException {  
    // 省略 try/catch代码块以及权限处理逻辑  
    for(DriverInfo aDriver : registeredDrivers) {  
        Connection con = aDriver.driver.connect(url, info);  
        return con;  
    }  
}