Java 实现一个自定义分布式 Session

HTTP 是无状态协议，所以服务端如果需要记住登录用户，就需要维护一个 SessionId(Cookie) - Session 的键值对。Session 存放用户信息对象。用户信息对象作为 Session 的一个 Attribute。当浏览器请求中包含 Cookie 时，服务器就能识别出具体是哪个用户了。

默认 SessionId 与 Session 的键值对由服务器来维护，Session 的过期时间默认为 30 分钟（可通过 Debug 查看 maxInactiveInterval 的值）。

使用 HttpSession

下面是一个简单的使用 Session 来保存用户登录状态的例子，相关代码我放到了 GitHub 上

设置 Attribute（登录时）

@PostMapping("/signin")
public ModelAndView doSignin(@RequestParam("email") String email, @RequestParam("password") String password, HttpSession session) {
	try {
		User user = userService.signin(email, password);
		session.setAttribute(KEY_USER, user);
	} catch (RuntimeException e) {
		return new ModelAndView("signin.html", Map.of("email", email, "error", "Signin failed"));
	}
	return new ModelAndView("redirect:/profile");
}

获取 Attribute（判断是否已经登录）

@GetMapping("/profile")
public ModelAndView profile(HttpSession session) {
	User user = (User) session.getAttribute(KEY_USER);
	if (user == null) {
		return new ModelAndView("redirect:/signin");
	}
	return new ModelAndView("profile.html", Map.of("user", user));
}

删除 Attribute（退出时）

@GetMapping("/signout")
public String signout(HttpSession session) {
	session.removeAttribute(KEY_USER);
	return "redirect:/signin";
}

这里的 HttpSession session 可以用 HTTPServletRequest request 代替，此时使用 request.getSession().getAttribute()。HttpSession session 和 HTTPServletRequest request 可以认为是方法默认就包含的参数。

Session 的生命周期是半小时，如果半小时后访问时，服务器将重新建立连接，将发送新的 SessionId 到浏览器，再次访问时， 新 Session 中将没有 User，此时登录将失效。

浏览器 Cookie 样式：

Cookie: JSESSIONID=C8698B74AFAD403C6E28D77B75373500

此部分代码对应 v1

使用 Redis

当存在跨域问题时，即多个服务都需要用到 Session 判断登录状态时，就需要将 Session 在每个服务中复制一份，或做成分布式 Session。一般使用 Redis 实现。

下面使用 Redis 来维护这个 SessionId - Session 的键值对，或者说维护一个 SessionId - Attributes 的键值对。

public class BaseController {

    final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(getClass());

    final long EXPIRE_TIME = 1800;

    public static HttpServletRequest getRequest() {
        ServletRequestAttributes attrs = (ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes();
        return attrs.getRequest();
    }

    protected void setAttribute(String name, Object value) {
        String sessionId = getRequest().getSession().getId();
        Map<String, Object> attributes = new HashMap<>();
        attributes.put(name, value);
        RedisUtils.setKey(sessionId, JsonUtils.getJson(attributes), EXPIRE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
    }

    protected Object getAttribute(String name) {
        String sessionId = getRequest().getSession().getId();
        String attributesJson = RedisUtils.getKey(sessionId);
        Map<String, Object> attributes = JsonUtils.fromJson(attributesJson, Map.class);
        return attributes.get(name);
    }

    protected User getKeyUser(String name) {
        Object user = getAttribute(name);
        return JsonUtils.fromJson(user.toString(), User.class);
    }

    protected void removeAttribute(String name) {
        String sessionId = getRequest().getSession().getId();
        String attributesJson = RedisUtils.getKey(sessionId);
        Map<String, Object> attributes = JsonUtils.fromJson(attributesJson, HashMap.class);
        attributes.remove(name);
        RedisUtils.setKey(sessionId, JsonUtils.getJson(attributes), EXPIRE_TIME, TimeUnit.SECONDS);
    }

}

自定义 RedisUtils，使用静态方法

@Slf4j
@Component
public class RedisUtils {
    private static StringRedisTemplate stringRedisTemplate;

    @Autowired
    private StringRedisTemplate autowiredStringRedisTemplate;

    @PostConstruct
    private void init() {
        stringRedisTemplate = this.autowiredStringRedisTemplate;
    }

    public static void setKey(String key, String value, long timeout, TimeUnit unit) {
        stringRedisTemplate.opsForValue().set(addKeyPrefix(key), value, timeout, unit);
    }

    public static String getKey(String key) {
        return stringRedisTemplate.opsForValue().get(addKeyPrefix(key));
    }

    public static Boolean deleteKey(String key) {
        return stringRedisTemplate.opsForValue().getOperations().delete(addKeyPrefix(key));
    }
    
    public static Long incrementKey(String key) {
        return stringRedisTemplate.opsForValue().increment(addKeyPrefix(key));
    }

    private static String addKeyPrefix(String key) {
        return String.format("session:%s", key);
    }
}

UserController

public class UserController extends BaseController {	
	@PostMapping("/signin")
	public ModelAndView doSignin(@RequestParam("email") String email, @RequestParam("password") String password) {
		try {
			User user = userService.signin(email, password);
			setAttribute(KEY_USER, user);
		} catch (RuntimeException e) {
			return new ModelAndView("signin.html", Map.of("email", email, "error", "Signin failed"));
		}
		return new ModelAndView("redirect:/profile");
	}

	@GetMapping("/profile")
	public ModelAndView profile() {
		User user = getKeyUser(KEY_USER);
		if (user == null) {
			return new ModelAndView("redirect:/signin");
		}
		return new ModelAndView("profile.html", Map.of("user", user));
	}

	@GetMapping("/signout")
	public String signout() {
		removeAttribute(KEY_USER);
		return "redirect:/signin";
	}
}

此部分代码对应 v2

自定义 Session

上面这种方式实现了一个简单的分布式 Session，我们可以自定义 Session 来对其进行一定优化，使其具有以下特点：

• 封装 Attribute 的设置与获取的实现细节
• 可以自定义 Cookie
• Attributes 做一个二级缓存，自定义 Session 中存放一份，Redis 再存放一份。

需要利用下面这几个原生类：

HttpSession
HttpServletRequestWrapper
HttpServletResponseWrapper

设计

1、设置自定义 Session、Request 和 Response

public class WrapperSession implements HttpSession {
    private Map<StoreType, SessionStore> sessionStores;
}

public class WrapperSessionServletRequest extends HttpServletRequestWrapper {
    private WrapperSession wrapperSession;
}

public class WrapperSessionServletResponse extends HttpServletResponseWrapper {
    private WrapperSession session;
}

2、使用 session-config.xml 配置 cookie 和 cache，一个 entry 对应一个 SessionConfigEntry。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<sessionConfig>
    <entries>
        <entry name="sessionId">
            <key>js</key>
            <path>/</path>
            <httponly>true</httponly>
            <readonly>true</readonly>
            <encrypt>false</encrypt>
            <storeType>cookie</storeType>
        </entry>
        
       	<entry name="__user__">
            <storeType>cache</storeType>
            <type>wang.depp.session.entity.User</type> <!--类型用于 String 转换 对象-->
        </entry>
    </entries>
 </sessionConfig>

public class SessionConfigEntry {
    private String name;
    private String key;
    private StoreType storeType;
    private String domain;
    private String path;
	...
}

3、使用 CookieStore 存放 Cookie。使用 CacheStore 存放 attributes，获取 attribute 时默认直接从 CacheStore 中取（CacheStore 从 Redis 缓存中读取）。

public class CacheStore implements SessionStore, SessionCacheContainerAware {
    private final WrapperSessionServletRequest wrapperRequest;
    private volatile Map<String, Object> attributes;
}

public class CookieStore implements SessionStore {
    private Map<String, String> undecodedCookies = new HashMap<>();
    private Map<String, Attribute> attributes = new HashMap<>();
}

链路调用

1、项目启动时根据 session-config.xml 中初始化 SessionConfigEntry

public class WrapperSessionFilter implements Filter {
    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
         WrapperSessionServletRequest krqRequest = new WrapperSessionServletRequest((HttpServletRequest) request);
         WrapperSessionServletResponse krqResponse = new WrapperSessionServletResponse((HttpServletResponse) response);
    }
}
    public void init() {
        initSessionStore();
        this.sessionId = getSessionId(); // 从 CookieStore 的 attributes 中获取 sessionId
        generateTrackId();
    }
    
    private void initSessionStore() {
        for (SessionStore sessionStore : sessionStores.values()) {
            sessionStore.init(); // 分别调用子类的 init() 方法
        }
    }

2、请求时，拦截，查找 SessionId 在 Redis 是否有对应的 Attributes，设置时先设置到 SessionStore

public class CacheStore implements SessionStore, SessionCacheContainerAware {

    private final WrapperSessionServletRequest wrapperRequest;

    private volatile Map<String, Object> attributes;
    
    @Override
    public void setAttribute(SessionConfigEntry sessionConfigEntry, Object value) {
        value = RedisUtils.getKey(wrapperRequest.getSession().getId());; // 设置前，先从 Redis 写入 attributes
        if (null == value) { // 如果不存在，删除
            attributes.remove(sessionConfigEntry.getName());
        } else {
            attributes.put(sessionConfigEntry.getName(), value);  // 如果存在，将更新
        }
    }
}

3、返回前端前，将 Attributes 更新到 Redis

public class WrapperSessionServletResponse extends HttpServletResponseWrapper {
    @Override
    public PrintWriter getWriter() throws IOException {
        getSession().commit(); // 延长 session 的时间
        return super.getWriter();
    }
}
	@Override
    public void commit() {
        writeToCache();
    }
    
    private void writeToCache() {
        if (attributes.entrySet().size() > 0) {
            ObjectMapper mapper = new ObjectMapper();
            String value = null;
            try {
                value = mapper.writeValueAsString(attributes);
            } catch (JsonProcessingException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            RedisUtils.setKey(wrapperRequest.getSession().getId(), value, wrapperRequest.getSession().getMaxInactiveInterval());
        }
    }

4、获取时，直接从 SessionStore 中获取，默认将从 Redis 中读取一次，读取后将不再读取，因为以后都就将写入 Attributes

...
@Override
public Object getAttribute(SessionConfigEntry sessionConfigEntry) {
    loadCache(); // 先从 Redis 写入 attributes，当 readFromCache() 方法调用后，此时将不再从 Redis 中获取。如果当前对象一直存活，直接写入到 attribute，将不用从 Redis 中读取
    return attributes.get(sessionConfigEntry.getName());
}

使用

UserController

public class UserController extends BaseController {
	@PostMapping("/signin")
	public ModelAndView doSignin(@RequestParam("email") String email, @RequestParam("password") String password) {
		try {
			User user = userService.signin(email, password);
			setAttribute(KEY_USER, user);
		} catch (RuntimeException e) {
			return new ModelAndView("signin.html", Map.of("email", email, "error", "Signin failed"));
		}
		return new ModelAndView("redirect:/profile");
	}

	@GetMapping("/profile")
	public ModelAndView profile() {
		User user = (User) getAttribute(KEY_USER);
		if (user == null) {
			return new ModelAndView("redirect:/signin");
		}
		return new ModelAndView("profile.html", Map.of("user", user));
	}

	@GetMapping("/signout")
	public String signout() {
		removeAttribute(KEY_USER);
		return "redirect:/signin";
	}
}

BaseController

public class BaseController {

    // 获取当前 HttpServletRequest
    public static HttpServletRequest getRequest() {
        ServletRequestAttributes attrs = (ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes();
        return attrs.getRequest();
    }

    public static void setAttribute(String name, Object value) {
        getRequest().getSession().setAttribute(name, value);
    }

    public static Object getAttribute(String name) {
        return getRequest().getSession().getAttribute(name);
    }

    public static void removeAttribute(String name) {
        getRequest().getSession().removeAttribute(name);
    }
}

此部分代码对应 v3。

结语

自定义分布式 Session 一般实现在网关中，网关接口对外暴露，请求先调用网关，网关请求只能内网访问的业务系统接口。网关和业务系统规定相应的调用规则（如：添加指定 Header），网关来负责验证登录状态。

Redis 可以实现集群保证可用性。当不使用分布式 Session 时，可以使用 JSON Web Token