一文读懂微内核架构-蒲公英云

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。

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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。

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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。

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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 {
```
/**
 * 生成id
 * @return
 */
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<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);
    }
}

}

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：

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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<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<S> iterator() { 
    return new Iterator<S>() { 
        // knownProviders用来迭代providers缓存 
        Iterator<Map.Entry<String,S>> 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 
    }; 
}

JDK SPI 在 JDBC 中的应用

了解了 JDK SPI 实现的原理之后，我们再来看实践中 JDBC 是如何使用 JDK SPI 机制加载不同数据库厂商的实现类。

JDK 中只定义了一个 java.sql.Driver 接口，具体的实现是由不同数据库厂商来提供的。这里我们就以 MySQL 提供的 JDBC 实现包为例进行分析。

在 mysql-connector-java-*.jar 包中的 META-INF/services 目录下，有一个 java.sql.Driver 文件中只有一行内容，如下所示：

com.mysql.cj.jdbc.Driver

在使用 mysql-connector-java-*.jar 包连接 MySQL 数据库的时候，我们会用到如下语句创建数据库连接：

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

「DriverManager 是 JDK 提供的数据库驱动管理器」，其中的代码片段，如下所示：

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

在调用 getConnection() 方法的时候，DriverManager 类会被 Java 虚拟机加载、解析并触发 static 代码块的执行；在 loadInitialDrivers()方法中通过 JDK SPI 扫描 Classpath 下 java.sql.Driver 接口实现类并实例化，核心实现如下所示：

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<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实现类 
        Class.forName(aDriver, true, 
            ClassLoader.getSystemClassLoader()); 
    } 
}

在 MySQL 提供的 com.mysql.cj.jdbc.Driver 实现类中，同样有一段 static 静态代码块，这段代码会创建一个 com.mysql.cj.jdbc.Driver 对象并注册到 DriverManager.registeredDrivers 集合中（CopyOnWriteArrayList 类型），如下所示：

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

在 getConnection() 方法中，DriverManager 从该 registeredDrivers 集合中获取对应的 Driver 对象创建 Connection，核心实现如下所示：

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; 
    } 
}