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Tomcat 中的 Session 和 Cookie

HTTP 是一种无状态通信协议,每个请求之间相互独立,服务器不能识别曾经来过的请求。而对于 Web 应用,它的活动都是依赖某个状态的,比如用户登录,此时使用 HTTP 就需要它在一次登录请求后,有为后续请求提供已登录信息的能力。本文首发于公众号顿悟源码.

解决办法就是使用 Cookie,它由服务器返回给浏览器,浏览器缓存并在每次请求时将 cookie 数据提交到服务器。Cookies 在请求中以明文传输,且大小限制 4KB,显然把所有状态数据保存在浏览器是不靠谱的,主流做法是:

  1. 浏览器发出第一个请求时,服务器为用户分配一个唯一标识符,返回并存入浏览器的 Cookies 中
  2. 服务器内部维护一个全局的请求状态库,并使用生成的唯一标识符关联每个请求的状态信息
  3. 浏览器后续发出的请求,都将唯一标识符提交给服务器,以便获取之前请求的状态信息

为了方便管理,服务器把整个过程称为会话,并抽象成一个 Session 类,用于识别和存储有关该用户的信息或状态。

接下来,将通过会话标识符的解析和生成,Session 的创建、销毁和持久化等问题,分析 Tomcat 的源码实现,版本使用的是 6.0.53。

1. 解析会话标识符

Cookie 作为最常用的会话跟踪机制,所有的 Servlet 容器都支持,Tomcat 也不例外,在 Tomcat 中,表示存储会话标识符的 cookie 的标准名字是 JSESSIONID

如果如果浏览器不支持 Cookie,也可以使用以下办法,记录标识符:

  • URL 重写: 作为路径参数包含到 url 中,如 /path;JSESSIONID=xxx
  • URL 请求参数: 将会话唯一标识作为查询参数添加到页面所有链接中,如 /path?JSESSIONID=xxx
  • FORM 隐藏字段: 表单中使用一个隐藏字段存储唯一值,随表单提交到服务器

Tomcat 就实现了从 URL 重写路径和 Cookie 中提取 JSESSIONID。在分析源码之前,首先看下设置 Cookie 的响应和带 Cookie 的请求它们头域的关键信息:

// 设置 Cookie
HTTP/1.1 200 OK
Server: Apache-Coyote/1.1
Set-Cookie: JSESSIONID=56AE5B92C272EA4F5E0FBFEFE6936C91; Path=/examples
Date: Sun, 12 May 2019 01:40:35 GMT

// 提交 Cookie
GET /examples/servlets/servlet/SessionExample HTTP/1.1
Host: localhost:8080
Cookie: JSESSIONID=56AE5B92C272EA4F5E0FBFEFE6936C91
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1.1 从 URL 重写路径

一个包含会话 ID 路径参数的 URL 如下:

http://localhost:8080/examples/SessionExample;JSESSIONID=1234;n=v/?x=x
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简单来看就是查找匹配分号和最后一个斜线之间的 JSESSIONID,事实也是如此,只不过 Tomcat 操作的是字节,核心代码在 CoyoteAdapter.parsePathParameters() 方法,这里不在贴出。

1.2 从 Cookie 头域

触发 Cookie 解析的方法调用如下:

CoyoteAdapter.service(Request, Response)
└─CoyoteAdapter.postParseRequest(Request, Request, Response, Response)
 └─CoyoteAdapter.parseSessionCookiesId(Request, Request)
  └─Cookies.getCookieCount()
   └─Cookies.processCookies(MimeHeaders)
    └─Cookies.processCookieHeader(byte[], int, int)
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这个 processCookieHeader 操作的是字节,解析看起来不直观,在 Tomcat 内部还有一个被标记废弃的使用字符串解析的方法,有助于理解,代码如下:

private void processCookieHeader(  String cookieString ){
  // 多个 cookie 值以逗号分割
  StringTokenizer tok = new StringTokenizer(cookieString, ";", false);
  while (tok.hasMoreTokens()) {
    String token = tok.nextToken();
    // 获取等号的位置
    int i = token.indexOf("=");
    if (i > -1) {
      // 获取name 和 value 并去除空格
      String name = token.substring(0, i).trim();
      String value = token.substring(i+1, token.length()).trim();
      // RFC 2109 and bug 去除两头的双引号 "
      value=stripQuote( value );
      // 从内部 cookie 缓存池中获取一个 ServerCookie 对象
      ServerCookie cookie = addCookie();
      // 设置 name 和 value
      cookie.getName().setString(name);
      cookie.getValue().setString(value);
    } else {
      // we have a bad cookie.... just let it go
    }
  }
}
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解析完毕,接下来就是在 parseSessionCookiesId 方法遍历并尝试匹配名称为 JSESSIONID 的 Cookie,如果存在,则将其值设为 Request 的 requestedSessionId,与内部的一个 Session 对象关联。

2. 生成会话 Cookie

与会话相关的 Cookie 是 Tomcat 内部自己生成的,当在 Servlet 中使用 Request.getSession() 获取会话对象时,就会触发执行,核心代码:

protected Session doGetSession(boolean create) {
  ...
  // 创建 Session 实例
  if (connector.getEmptySessionPath() && isRequestedSessionIdFromCookie()) {
    // 如果会话 ID 来自 cookie,请重用该 ID,如果来自 URL,请不要
    // 重用该会话ID,以防止可能的网络钓鱼攻击
    session = manager.createSession(getRequestedSessionId());
  } else {
    session = manager.createSession(null);
  }
  // 基于该 Session 创建一个新的会话 cookie
  if ((session != null) && (getContext() != null)
       && getContext().getCookies()) {
    String scName = context.getSessionCookieName();
    if (scName == null) {
      // 默认 JSESSIONID
      scName = Globals.SESSION_COOKIE_NAME;
    }
    // 新建 Cookie
    Cookie cookie = new Cookie(scName, session.getIdInternal());
    // 设置 path domain secure
    configureSessionCookie(cookie);
    // 添加到响应头域
    response.addSessionCookieInternal(cookie, context.getUseHttpOnly());
  }
  if (session != null) {
    session.access();
    return (session);
  } else {
    return (null);
  }
}
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添加到响应头域,就是根据 Cookie 对象,生成如开始描述的格式那样。

3. Session

Session 是 Tomcat 内部的一个接口,是 HttpSession 的外观类,用于维护 web 应用特定用户的请求之间的状态信息。相关类图设计如下:

Tomcat session 类图

关键类或接口的作用如下:

  • Manager - 管理 Session 池,不同的实现提供特定的功能,如持久化和分布式
  • ManagerBase - 实现了一些基本功能,如 Session 池,唯一ID生成算法,便于继承扩展
  • StandardManager - 标准实现,可在此组件重新启动时提供简单的会话持久性(例如,当整个服务器关闭并重新启动时,或重新加载特定Web应用程序时)
  • PersistentManagerBase - 提供多种不同的持久化存储管理方式,如文件和数据库
  • Store - 提供持久化存储和加载会话和用户信息
  • ClusterManager - 集群 session 管理接口,负责会话的复制方式
  • DeltaManager - 将会话数据增量复制到集群中的所有成员
  • BackupManager - 将数据只复制到一个备份节点,集群中所有成员可看到这个节点

本文不分析集群复制的原理,只分析单机 Session 的管理。

3.1 创建 Session

在 Servlet 中首次使用 Request.getSession() 获取会话对象时,会创建一个 StandardSession 实例:

public Session createSession(String sessionId) {
  // 默认返回的是 new StandardSession(this) 实例
  Session session = createEmptySession();
  // 初始化属性
  session.setNew(true);
  session.setValid(true);
  session.setCreationTime(System.currentTimeMillis());
  // 设置会话有效时间,单位 秒,默认 30 分钟,为负值表示永不过期
  session.setMaxInactiveInterval(((Context) getContainer()).getSessionTimeout() * 60);
  if (sessionId == null) {
    // 生成一个会话 ID
    sessionId = generateSessionId();
  
  session.setId(sessionId);
  sessionCounter++;

  SessionTiming timing = new SessionTiming(session.getCreationTime(), 0);
  synchronized (sessionCreationTiming) {
    sessionCreationTiming.add(timing);
    sessionCreationTiming.poll();
  }
  return (session);
}
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关键就在于会话唯一标识的生成,来看 Tomcat 的生成算法

  1. 随机获取 16 个字节
  2. 使用 MD5 加密这些字节,再次得到一个 16 字节的数组
  3. 遍历新的字节数组,使用每个字节的高低4位分别生成一个十六进制字符
  4. 最后得到一个 32 位的十六进制字符串

核心代码如下:

protected String generateSessionId() {
  byte random[] = new byte[16];
  String jvmRoute = getJvmRoute();
  String result = null;
  // 将结果渲染为十六进制数字的字符串
  StringBuffer buffer = new StringBuffer();
  do {
    int resultLenBytes = 0;
    if (result != null) { // 重复,重新生成
      buffer = new StringBuffer();
      duplicates++;
    }
    // sessionIdLength 为 16
    while (resultLenBytes < this.sessionIdLength) {
      getRandomBytes(random);// 随机获取 16 个字节
      // 获取这16个字节的摘要,默认使用 MD5
      random = getDigest().digest(random);
      // 遍历这个字节数组,最后生成一个32位的十六进制字符串
      for (int j = 0;
      j < random.length && resultLenBytes < this.sessionIdLength;
      j++) {
        // 使用指定字节的高低4位分别生成一个十六进制字符
        byte b1 = (byte) ((random[j] & 0xf0) >> 4);
        byte b2 = (byte) (random[j] & 0x0f);
        // 转为十六进制数字字符
        if (b1 < 10) {buffer.append((char) ('0' + b1));}
        // 转为大写的十六进制字符
        else {buffer.append((char) ('A' + (b1 - 10)));}
        
        if (b2 < 10) {buffer.append((char) ('0' + b2));}
        else {buffer.append((char) ('A' + (b2 - 10)));}
        resultLenBytes++;
      }
    }
    if (jvmRoute != null) {buffer.append('.').append(jvmRoute);}
    result = buffer.toString();
  } while (sessions.containsKey(result));
  return (result);
}
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3.2 Session 过期检查

一个 Web 应用对应一个会话管理器,也就是说 StandardContext 内部有一个 Manager 实例。每个容器组件都会启动一个后台线程,周期的调用自身以及内部组件的 backgroundProcess() 方法,Manager 后台处理就是检查 Session 是否过期。

检查的逻辑是,获取所有 session 使用它的 isValid 判断是否过期,代码如下:

public boolean isValid() {
  ...
  // 是否检查是否活动,默认 false
  if (ACTIVITY_CHECK && accessCount.get() > 0) {
    return true;
  }
  // 检查时间是否过期
  if (maxInactiveInterval >= 0) { 
    long timeNow = System.currentTimeMillis();
    int timeIdle = (int) ((timeNow - thisAccessedTime) / 1000L);
    if (timeIdle >= maxInactiveInterval) {
      // 如果过期,执行一些内部处理
      // 主要是通知对过期事件感兴趣的 listeners
      expire(true);
    }
  } // 复数永不过期
  return (this.isValid);
}
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3.3 Session 持久化

持久化就是把内存中活动的 Session 对象,序列化到文件,或者存储到一个数据库中。如果会话管理组件符合并启用了持久化功能,那么就会在它生命周期事件 stop 方法中执行存储;在 start 方法中执行加载。

持久化到文件,StandardManager 也提供了持久化到文件的功能,它会把 session 池中活动的会话全部写入到CATALINA_HOME/work/Catalina/<host>/<webapp>/SESSIONS.ser文件中,代码在它的 doUnload 方法中。

FileStore 也提供了持久化到文件的功能,与 StandardManager 的区别是,它会把每个会话写入到单个文件中,以 <id>.session 命名。

持久化到数据库,分别把 session 相关数据存储到一个表中,包括序列化后的二进制数据,表字段信息如下:

create table tomcat_sessions (
  session_id     varchar(100) not null primary key,
  valid_session  char(1) not null, -- 是否有效
  max_inactive   int not null,-- 最大有效时间
  last_access    bigint not null, -- 最后访问时间
  app_name       varchar(255), -- 应用名,格式为 /Engine/Host/Context
  session_data   mediumblob, -- 二进制数据
  KEY kapp_name(app_name)
);
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注意:需要把数据库驱动程序的 jar 文件,放到 $CATALINA_HOME/lib 目录中,以便让 Tomcat 内部的类加载器可见。

4. 小结

本文简单分析了 Tomcat 对 Session 的管理,当然了忽略了很多细节,有兴趣的可以深入源码,后续将会对 Tomcat 集群 Session 的实现进行分析。如有疑问,欢迎留言交流。

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