什么是微內核架構

這篇文章主要講解了“什么是微內核架構”，文中的講解內容簡單清晰，易于學習與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學習“什么是微內核架構”吧！

什么是微內核架構?

微內核是一種典型的架構模式  ，區別于普通的設計模式，架構模式是一種高層模式，用于描述系統級的結構組成、相互關系及相關約束。微內核架構在開源框架中的應用非常廣泛，比如常見的  ShardingSphere  還有Dubbo都實現了自己的微內核架構。那么，在介紹什么是微內核架構之前，我們有必要先闡述這些開源框架會使用微內核架構的原因。

為什么要使用微內核架構?

微內核架構本質上是為了提高系統的擴展性  。所謂擴展性，是指系統在經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，當在往系統中添加新業務時，不需要改變原有的各個組件，只需把新業務封閉在一個新的組件中就能完成整體業務的升級，我們認為這樣的系統具有較好的可擴展性。

就架構設計而言，擴展性是軟件設計的永恒話題。而要實現系統擴展性，一種思路是提供可插拔式的機制來應對所發生的變化。當系統中現有的某個組件不滿足要求時，我們可以實現一個新的組件來替換它，而整個過程對于系統的運行而言應該是無感知的，我們也可以根據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，分布式主鍵的實現可能有很多種，而擴展性在這個點上的體現就是，  我們可以使用任意一種新的分布式主鍵實現來替換原有的實現，而不需要依賴分布式主鍵的業務代碼做任何的改變 。

微內核架構模式為這種實現擴展性的思路提供了架構設計上的支持，ShardingSphere  基于微內核架構實現了高度的擴展性。在介紹如何實現微內核架構之前，我們先對微內核架構的具體組成結構和基本原理做簡要的闡述。

什么是微內核架構?

從組成結構上講， 微內核架構包含兩部分組件：內核系統和插件  。這里的內核系統通常提供系統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務代碼，用來向內核系統增強或擴展額外的業務能力。在  ShardingSphere 中，前面提到的分布式主鍵就是插件，而 ShardingSphere 的運行時環境構成了內核系統。

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，一個概念就是經常在說的 API ，這是系統對外暴露的接口。而另一個概念就是  SPI(Service Provider Interface，服務提供接口)，這是插件自身所具備的擴展點。就兩者的關系而言，API 面向業務開發人員，而 SPI  面向框架開發人員，兩者共同構成了 ShardingSphere 本身。

可插拔式的實現機制說起來簡單，做起來卻不容易，我們需要考慮兩方面內容。一方面，我們需要梳理系統的變化并把它們抽象成多個 SPI 擴展點。另一方面，  當我們實現了這些 SPI 擴展點之后，就需要構建一個能夠支持這種可插拔機制的具體實現，從而提供一種 SPI 運行時環境 。

如何實現微內核架構?

事實上，JDK 已經為我們提供了一種微內核架構的實現方式，就是JDK SPI。這種實現方式針對如何設計和實現 SPI  提出了一些開發和配置上的規范，ShardingSphere、Dubbo  使用的就是這種規范，只不過在這基礎上進行了增強和優化。所以要理解如何實現微內核架構，我們不妨先看看JDK SPI 的工作原理。

JDK SPI

SPI(Service Provider Interface)主要是被框架開發人員使用的一種技術。例如，使用 Java 語言訪問數據庫時我們會使用到  java.sql.Driver 接口，不同數據庫產品底層的協議不同，提供的 java.sql.Driver 實現也不同，在開發 java.sql.Driver  接口時，開發人員并不清楚用戶最終會使用哪個數據庫，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。

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(); }

然后創建兩個接口實現類，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);     } }

在項目的resources/META-INF/services  目錄下添加一個名為com.github.jianzh6.spi.IdGenerator的文件，這是 JDK SPI 需要讀取的配置文件，內容如下：

com.github.jianzh6.spi.impl.UuidGenerator com.github.jianzh6.spi.impl.SequenceIdGenerator

創建main方法，讓其加載上述的配置文件，創建全部IdGenerator 接口實現的實例，并執行生成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);         }     } }

執行結果如下：

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前使用的  ClassLoader，然后調用 reload() 方法，調用關系如下圖所示：

調用關系

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  創建的實現對象，其中 Key 為實現類的完整類名，Value 為實現類的對象。之后創建 LazyIterator 迭代器，用于讀取 SPI  配置文件并實例化實現類對象。

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用了 ServiceLoader.LazyIterator 實現的。Iterator  接口有兩個關鍵方法：hasNext() 方法和 next() 方法。這里的 LazyIterator 中的 next() 方法最終調用的是其  nextService() 方法，hasNext() 方法最終調用的是 hasNextService() 方法，我們來看看  hasNextService()方法的具體實現：

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.jianzh6.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「負責實例化 hasNextService() 方法讀取到的實現類」，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()); // 創建實現類的對象      providers.put(cn, p); // 將實現類名稱以及相應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。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的，這個迭代器是依賴 LazyIterator 實現的一個匿名內部類，核心實現如下：

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 中的應用

了解了 JDK SPI 實現的原理之后，我們再來看實踐中 JDBC 是如何使用 JDK SPI 機制加載不同數據庫廠商的實現類。

JDK 中只定義了一個 java.sql.Driver 接口，具體的實現是由不同數據庫廠商來提供的。這里我們就以 MySQL 提供的 JDBC  實現包為例進行分析。

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

com.mysql.cj.jdbc.Driver

在使用 mysql-connector-java-*.jar 包連接 MySQL 數據庫的時候，我們會用到如下語句創建數據庫連接：

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

「DriverManager 是 JDK 提供的數據庫驅動管理器」，其中的代碼片段，如下所示：

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

在調用 getConnection() 方法的時候，DriverManager 類會被 Java 虛擬機加載、解析并觸發 static 代碼塊的執行;在  loadInitialDrivers()方法中通過 JDK SPI 掃描 Classpath 下 java.sql.Driver  接口實現類并實例化，核心實現如下所示：

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實現類          Class.forName(aDriver, true,              ClassLoader.getSystemClassLoader());      }  }

在 MySQL 提供的 com.mysql.cj.jdbc.Driver 實現類中，同樣有一段 static 靜態代碼塊，這段代碼會創建一個  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 集合中獲取對應的 Driver 對象創建  Connection，核心實現如下所示：

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

感謝各位的閱讀，以上就是“什么是微內核架構”的內容了，經過本文的學習后，相信大家對什么是微內核架構這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關知識點的文章，歡迎關注！