Dubbo原理和源码解析之“微内核+插件”机制

github新增仓库 "dubbo-read"（点此查看），集合所有《Dubbo原理和源码解析》系列文章，后续将继续补充该系列，同时将针对Dubbo所做的功能扩展也进行分享。不定期更新，欢迎Follow。

1 框架设计

在官方《Dubbo 开发指南》框架设计部分提到，Dubbo 服务框架的基本设计原则是：

• 采用 URL 作为配置信息的统一格式，所有扩展点都通过传递 URL 携带配置信息；
• 采用 Microkernel + Plugin 模式，Microkernel 只负责组装 Plugin，Dubbo 自身的功能也是通过扩展点实现的，也就是 Dubbo 的所有功能点都可被用户自定义扩展所替换；

对于第一点比较容易理解，所有的参数都封装成 Dubbo 自定义的 URL 对象进行传递。URL 对象主要包括以下属性：

• String protocol
• String host
• int port
• String path
• Map<String, String> parameters

本文将重点介绍第二点，对 Microkernel + Plugin 机制的实现原理、源码进行分析和跟踪。

2 API 和 SPI

框架或组件通常有两类客户，一个是使用者，一个是扩展者。API (Application Programming Interface) 是给使用者用的，而 SPI (Service Provide Interface) 是给扩展者用的。
我们系统里抽象的各个模块，往往有很多不同的实现方案，比如日志模块的方案、jdbc模块的方案等。面向的对象的设计里，我们一般推荐 模块之间基于接口编程，模块之间不对实现类进行硬编码。一旦代码里涉及具体的实现类，就违反了 可拔插的原则，如果需要替换一种实现，就需要修改代码。
为了实现在模块装配的时候能不在程序里动态指明，这就需要一种服务发现机制。JAVA SPI 就提供了这样的一个机制——为某个接口寻找服务实现的机制。有点类似 IOC 的思想，将装配的控制权移到程序之外，在 模块化设计 中这个机制尤其重要。

3 JAVA SPI

JAVA SPI 实际上是 ”基于接口编程＋策略模式＋配置文件“ 组合实现的动态加载机制。具体步骤为：

1. 1. 定义一个接口；
   2. 编写接口的一个或多个实现；
   3. 在 src/main/resources/ 下建立 /META-INF/services 目录， 新增一个以接口命名的文件，内容是实现类类名；
   4. 使用 ServiceLoader 来加载配置文件中指定的实现。

假设我们提供了一个“打招呼”的接口，有中文版和英文版两种实现：

3.1 定义接口

package com.spi.service;

public interface HelloService {

    public String sayHello();

}

3.2 编写实现

分别编写中文版、英文版的实现：

package com.spi.service.impl;

public class ChineseHelloService implements HelloService {

    @Override
    public String sayHello() {
        return "你好";
    }

}

　　

package com.spi.service.impl;

public class EnglishHelloService implements HelloService {

    @Override
    public String sayHello() {
        return "hello";
    }

}

　　

编写工厂类，用于封装实现类的获取逻辑：

public class HelloServiceFactory {

    public HelloServiceFactory(){ }

    public static HelloService newHelloService(){
        HelloService helloService = null;
        ServiceLoader<HelloService> serviceLoader = ServiceLoader.load(HelloService.class);
        Iterator<HelloService> services = serviceLoader.iterator();
        if(services.hasNext()){
            helloService = services.next();
        }
        return helloService;
    }

}

　　

3.3 创建文件

在 /src/main/resource/META-INF/services 下创建 com.spi.service.HelloService 文件，内容为两个具体实现类的类名：

package com.spi.service.impl.EnglishHelloService

或

package com.spi.service.impl.ChineseHelloService

3.4 执行测试

package com.spi;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        HelloService helloService = HelloServiceFactory.newHelloService();
        System.out.println(helloService.sayHello());
    }

}

　　

当文件内容为 package com.spi.service.impl.EnglishHelloService 时，执行结果为：

hello

　　

当文件内容为 package com.spi.service.impl.ChineseHelloService 时，执行结果为：

你好

　　

以此类推，如果你把所有实现类类名都写到文件中，由调用者自行选择实现类，那么可以通过以下方式实现（简陋版，纯属举例用）：

com.spi.service.HelloService文件：

package com.spi.service.impl.EnglishHelloService
package com.spi.service.impl.ChineseHelloService

　　

HelloServiceFactory：

public class HelloServiceFactory {

    private HelloServiceFactory(){

    }

    public static HelloService newHelloService(String name){
        HelloService helloService = null;
        ServiceLoader<HelloService> serviceLoader = ServiceLoader.load(HelloService.class);
        Iterator<HelloService> services = serviceLoader.iterator();
        while(services.hasNext()){
            HelloService tmp = services.next();
            if(tmp.getClass().toString().contains(name)){
                helloService = tmp;
                break;
            }
        }
        return helloService;
    }

}

　　

Main：

public class Main {

    public static String name = "com.spi.service.impl.EnglishHelloService";

    public static void main(String[] args) {
        HelloService helloService = HelloServiceFactory.newHelloService(name);
        System.out.println(helloService.sayHello());
    }

}

　　

4 Dubbo Microkernel + Plugin

Dubbo “微内核+插件“机制的整体特性如下：

下面结合源码进行分析

4.1 ExtensionLoader

Dubbo 实现 “微内核+插件“机制的核心是 ExtensionLoader，它取代了 JDK 自带的 ServiceLoader。 在 Dubbo 官方文档中提到，ExtensionLoader 改进了 JAVA ServiceLoader 的以下问题：

1. 1. JDK 标准的 SPI 会一次性实例化扩展点所有实现，没用上也加载，如果有扩展实现初始化很耗时，会很浪费资源。
   2. 如果扩展点加载失败，连扩展点的名称都拿不到了。比如：JDK 标准的 ScriptEngine，通过 getName() 获取脚本类型的名称，但如果 RubyScriptEngine 因为所依赖的 jruby.jar 不存在，导致 RubyScriptEngine 类加载失败，这个失败原因被吃掉了，和 ruby 对应不起来，当用户执行 ruby 脚本时，会报不支持 ruby，而不是真正失败的原因。
   3. 增加了对扩展点 IoC 和 AOP 的支持，一个扩展点可以直接 setter 注入其它扩展点。

以 LoadBalance 为例，文件 com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.LoadBalance 中内容为：

random=com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.RandomLoadBalance
roundrobin=com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.RoundRobinLoadBalance
leastactive=com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.LeastActiveLoadBalance
consistenthash=com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.ConsistentHashLoadBalance

用户使用时，在 XML 中配置 loadbalance="random"，那么 Dubbo 将加载（且仅加载）RandomLoadBalance。

从源码角度分析，ExtensionLoader 加载扩展点流程如下：

4.1.1 获取ExtensionLoader

public static <T> ExtensionLoader<T> getExtensionLoader(Class<T> type) {
    if (type == null)
        throw new IllegalArgumentException("Extension type == null");
    if(!type.isInterface()) {
        throw new IllegalArgumentException("Extension type(" + type + ") is not interface!");
    }
    if(!withExtensionAnnotation(type)) {
        throw new IllegalArgumentException("Extension type(" + type +
                ") is not extension, because WITHOUT @" + SPI.class.getSimpleName() + " Annotation!");
    }

    ExtensionLoader<T> loader = (ExtensionLoader<T>) EXTENSION_LOADERS.get(type);
    if (loader == null) {
        EXTENSION_LOADERS.putIfAbsent(type, new ExtensionLoader<T>(type));
        loader = (ExtensionLoader<T>) EXTENSION_LOADERS.get(type);
    }
    return loader;
}

在获取 ExtensionLoader 时，或判断传入的 Class 是否为 interface 并是否有 @SPI 注解。创建 ExtensionLoader 实例后在内存中缓存，保证每个扩展点具有唯一的 ExtensionLoader 单例。

4.1.2 获取扩展点

//根据名字获取扩展点实例
public T getExtension(String name) {
		if (name == null || name.length() == 0)
		    throw new IllegalArgumentException("Extension name == null");
		if ("true".equals(name)) {
		    return getDefaultExtension();
		}
		Holder<Object> holder = cachedInstances.get(name);
		if (holder == null) {
		    cachedInstances.putIfAbsent(name, new Holder<Object>());
		    holder = cachedInstances.get(name);
		}
		Object instance = holder.get();
		if (instance == null) {
		    synchronized (holder) {
	            instance = holder.get();
	            if (instance == null) {
	                instance = createExtension(name);
	                holder.set(instance);
	            }
	        }
		}
		return (T) instance;
}

//实例化扩展点
private T createExtension(String name) {
    Class<?> clazz = getExtensionClasses().get(name);
    if (clazz == null) {
        throw findException(name);
    }
    try {
        T instance = (T) EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
        if (instance == null) {
            EXTENSION_INSTANCES.putIfAbsent(clazz, (T) clazz.newInstance());
            instance = (T) EXTENSION_INSTANCES.get(clazz);
        }
        injectExtension(instance);
        Set<Class<?>> wrapperClasses = cachedWrapperClasses;
        if (wrapperClasses != null && wrapperClasses.size() > 0) {
            for (Class<?> wrapperClass : wrapperClasses) {
                instance = injectExtension((T) wrapperClass.getConstructor(type).newInstance(instance));
            }
        }
        return instance;
    } catch (Throwable t) {
        throw new IllegalStateException("Extension instance(name: " + name + ", class: " +
                type + ")  could not be instantiated: " + t.getMessage(), t);
    }
}

private Map<String, Class<?>> getExtensionClasses() {
      Map<String, Class<?>> classes = cachedClasses.get();
      if (classes == null) {
          synchronized (cachedClasses) {
              classes = cachedClasses.get();
              if (classes == null) {
                  classes = loadExtensionClasses();
                  cachedClasses.set(classes);
              }
          }
      }
      return classes;
}

//从配置文件中加载扩展点
private Map<String, Class<?>> loadExtensionClasses() {
    final SPI defaultAnnotation = type.getAnnotation(SPI.class);
    if(defaultAnnotation != null) {
        String value = defaultAnnotation.value();
        if(value != null && (value = value.trim()).length() > 0) {
            String[] names = NAME_SEPARATOR.split(value);
            if(names.length > 1) {
                throw new IllegalStateException("more than 1 default extension name on extension " + type.getName()
                        + ": " + Arrays.toString(names));
            }
            if(names.length == 1) cachedDefaultName = names[0];
        }
    }

    Map<String, Class<?>> extensionClasses = new HashMap<String, Class<?>>();
    loadFile(extensionClasses, DUBBO_INTERNAL_DIRECTORY);
    loadFile(extensionClasses, DUBBO_DIRECTORY);
    loadFile(extensionClasses, SERVICES_DIRECTORY);
    return extensionClasses;
}

获取扩展点时，从内存缓存中获取扩展点实例。扩展点实例在进程中也是个单例。Dubbo 从以下三个路径中读取扩展点配置文件并加载：

• META-INF/services/
• META-INF/dubbo/
• META-INF/dubbo/internal/

4.2 setter & Wrapper

在实例化扩展点的代码中，我们可以看到有以下两个处理：

• setter 注入
• Wrapper 包装

//实例化扩展点
private T createExtension(String name) {
    //......

        injectExtension(instance);
        Set<Class<?>> wrapperClasses = cachedWrapperClasses;
        if (wrapperClasses != null && wrapperClasses.size() > 0) {
            for (Class<?> wrapperClass : wrapperClasses) {
                instance = injectExtension((T) wrapperClass.getConstructor(type).newInstance(instance));
            }
        }
        return instance;

    //......
}

//注入扩展点
private T injectExtension(T instance) {
    try {
        if (objectFactory != null) {
            for (Method method : instance.getClass().getMethods()) {
                if (method.getName().startsWith("set")
                        && method.getParameterTypes().length == 1
                        && Modifier.isPublic(method.getModifiers())) {
                    Class<?> pt = method.getParameterTypes()[0];
                    try {
                        String property = method.getName().length() > 3 ? method.getName().substring(3, 4).toLowerCase() + method.getName().substring(4) : "";
                        Object object = objectFactory.getExtension(pt, property);
                        if (object != null) {
                            method.invoke(instance, object);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        logger.error("fail to inject via method " + method.getName()
                                + " of interface " + type.getName() + ": " + e.getMessage(), e);
                    }
                }
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        logger.error(e.getMessage(), e);
    }
    return instance;
}

setter

扩展点实现类的成员如果为其它扩展点类型，ExtensionLoader 在会自动注入依赖的扩展点。ExtensionLoader 通过扫描扩展点实现类的所有set方法来判定其成员。

Wrapper

如果扩展点实现类有拷贝构造函数，则认为是包装类。包装类持有实际的扩展点实现类，通过包装类可以把所有扩展点的公共逻辑移到包装类，类似AOP。

4.3 Adaptive & Activate

从文件加载扩展点代码如下：

private void loadFile(Map<String, Class<?>> extensionClasses, String dir) {
    //......
    BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(url.openStream(), "utf-8"));
    try {
        String line = null;
        while ((line = reader.readLine()) != null) {
            final int ci = line.indexOf('#');
            if (ci >= 0) line = line.substring(0, ci);
            line = line.trim();
            if (line.length() > 0) {
                try {
                    String name = null;
                    int i = line.indexOf('=');
                    if (i > 0) {
                        name = line.substring(0, i).trim();
                        line = line.substring(i + 1).trim();
                    }
                    if (line.length() > 0) {
                        Class<?> clazz = Class.forName(line, true, classLoader);
                        if (! type.isAssignableFrom(clazz)) {
                            throw new IllegalStateException("Error when load extension class(interface: " +
                                    type + ", class line: " + clazz.getName() + "), class "
                                    + clazz.getName() + "is not subtype of interface.");
                        }
                        if (clazz.isAnnotationPresent(Adaptive.class)) {
                            if(cachedAdaptiveClass == null) {
                                cachedAdaptiveClass = clazz;
                            } else if (! cachedAdaptiveClass.equals(clazz)) {
                                throw new IllegalStateException("More than 1 adaptive class found: "
                                        + cachedAdaptiveClass.getClass().getName()
                                        + ", " + clazz.getClass().getName());
                            }
                        } else {
                            try {
                                clazz.getConstructor(type);
                                Set<Class<?>> wrappers = cachedWrapperClasses;
                                if (wrappers == null) {
                                    cachedWrapperClasses = new ConcurrentHashSet<Class<?>>();
                                    wrappers = cachedWrapperClasses;
                                }
                                wrappers.add(clazz);
                            } catch (NoSuchMethodException e) {
                                clazz.getConstructor();
                                if (name == null || name.length() == 0) {
                                    name = findAnnotationName(clazz);
                                    if (name == null || name.length() == 0) {
                                        if (clazz.getSimpleName().length() > type.getSimpleName().length()
                                                && clazz.getSimpleName().endsWith(type.getSimpleName())) {
                                            name = clazz.getSimpleName().substring(0, clazz.getSimpleName().length() - type.getSimpleName().length()).toLowerCase();
                                        } else {
                                            throw new IllegalStateException("No such extension name for the class " + clazz.getName() + " in the config " + url);
                                        }
                                    }
                                }
                                String[] names = NAME_SEPARATOR.split(name);
                                if (names != null && names.length > 0) {
                                    Activate activate = clazz.getAnnotation(Activate.class);
                                    if (activate != null) {
                                        cachedActivates.put(names[0], activate);
                                    }
                                    for (String n : names) {
                                        if (! cachedNames.containsKey(clazz)) {
                                            cachedNames.put(clazz, n);
                                        }
                                        Class<?> c = extensionClasses.get(n);
                                        if (c == null) {
                                            extensionClasses.put(n, clazz);
                                        } else if (c != clazz) {
                                            throw new IllegalStateException("Duplicate extension " + type.getName() + " name " + n + " on " + c.getName() + " and " + clazz.getName());
                                        }
                                    }
                                }
                            }
                        }
                    }
                } catch (Throwable t) {
                    IllegalStateException e = new IllegalStateException("Failed to load extension class(interface: " + type + ", class line: " + line + ") in " + url + ", cause: " + t.getMessage(), t);
                    exceptions.put(line, e);
                }
            }
        } // end of while read lines
    } finally {
        reader.close();
    }
    //......
}

简单来说，上面的代码做了以下几件事：

1. 1. 忽略已注释的行
   2. 解析出名称和扩展点实现类名
   3. 判断是否有@Adaptive注解
   4. 匹配构造函数，判断是否为Wrapper类
   5. 判断是否有@Activate注解

@Adaptive 

扩展点自适应，直到扩展点方法执行时才决定调用哪一个扩展点实现。扩展点的调用会有URL 作为参数，通过@Adaptive 注解可以提取约定 key 来决定调用哪个实现的方法。

@Activate

扩展点自动激活，指定 URL 中激活扩展点的 key，未指定 key 时表示无条件激活。 比如 LoadBalance：

SPI(RandomLoadBalance.NAME)
public interface LoadBalance {

    @Adaptive("loadbalance")
	<T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) throws RpcException;

}

表示默认使用 Random 负载均衡策略，同时会根据用户在 XML 中配置的 loadbalance 参数来最终决定调用哪个扩展点实现类。

再比如 AsyncFilter：

@Activate(group = Constants.CONSUMER)
public class AsyncFilter implements Filter{

}

表示只有在 Consumer 端才会激活。