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Spring Session工作原理
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本文首发于 vivo互联网技术 微信公众号 https://mp.weixin.qq.com/s/KCOFv0nRuymkX79-RZi9eg
作者：张正林
目录：
1、引入背景
2、使用方法
3、工作流程
4、缓存机制
5、事件订阅
6、总结
HTTP协议本身是无状态的，为了保存会话信息，浏览器Cookie通过SessionID标识会话请求，服务器以SessionID为key来存储会话信息。在单实例应用中，可以考虑应用进程自身存储，随着应用体量的增长，需要横向扩容，多实例session共享问题随之而来。
Spring Session就是为了解决多进程session共享的问题，本文将介绍怎么使用Spring Session，以及Spring Session工作原理。
1、引入背景
应用部署在Tomcat时，session是由Tomcat内存维护，如果应用部署多个实例，session就不能共享。Spring Session就是解决为了解决分布式场景中的session共享问题。
2、使用方法
Spring Session支持存储在Hazelcast 、Redis、MongoDB、关系型数据库，本文主要讨论session存储在Redis。
web.xml配置：
<!-- spring session -->
<filter>
<filter-name>springSessionRepositoryFilter</filter-name>
<filter-class>org.springframework.web.filter.DelegatingFilterProxy</filter-class>
</filter>
<filter-mapping>
<filter-name>springSessionRepositoryFilter</filter-name>
<url-pattern>/*</url-pattern>
</filter-mapping>
Spring 主要配置：
<!--创建了一个RedisConnectionFactory，它将Spring会话连接到Redis服务器-->
<bean id="jedisConnectionFactory" class="org.springframework.data.redis.connection.jedis.JedisConnectionFactory">
<!--配置Redis连接池 ，可以不配置，使用默认就行！-->
p:poolConfig-ref="jedisPoolConfig"
</bean>
<!--创建一个Spring Bean的名称springSessionRepositoryFilter实现过滤器-->
<bean class="org.springframework.session.data.redis.config.annotation.web.http.RedisHttpSessionConfiguration">
<!--默认session时效30分钟-->
<property name="maxInactiveIntervalInSeconds" value="60" />
</bean>
3、工作流程
Tomcat web.xml解析步骤：
contextInitialized(ServletContextEvent arg0); // Listener
init(FilterConfig filterConfig); // Filter
init(ServletConfig config); // Servlet
初始化顺序：Listener > Filter > Servlet。
1) 通过 Tomcat 的 listener 把SessionRepositoryFilter加载到Spring容器中。
上一小节Spring配置文件里面声明了RedisHttpSessionConfiguration，正是在其父类SpringHttpSessionConfiguration中生成了SessionRepositoryFilter：
@Bean
public <S extends ExpiringSession> SessionRepositoryFilter<? extends ExpiringSession> springSessionRepositoryFilter(
SessionRepository<S> sessionRepository) {
......
return sessionRepositoryFilter;
}
RedisHttpSessionConfiguration类继承关系
2) filter初始化
web.xml里面配置的filter是DelegatingFilterProxy。
DelegatingFilterProxy类继承关系
DelegatingFilterProxy初始化入口在其父类GenericFilterBean中：
public final void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {
......
// Let subclasses do whatever initialization they like.
initFilterBean();
......
}
DelegatingFilterProxy去Spring容器取第1步初始化好的springSessionRepositoryFilter：
protected void initFilterBean() throws ServletException {
synchronized (this.delegateMonitor) {
if (this.delegate == null) {
// If no target bean name specified, use filter name.
if (this.targetBeanName == null) {
//targetBeanName 为springSessionRepositoryFilter
this.targetBeanName = getFilterName();
}
WebApplicationContext wac = findWebApplicationContext();
if (wac != null) {
this.delegate = initDelegate(wac);
}
}
}
}
至此 sessionRepositoryFilter 初始化完成，DelegatingFilterProxy 实际代理了SessionRepositoryFilter。
SessionRepositoryFilter 工作核心流程：
protected void doFilterInternal(HttpServletRequest request,
HttpServletResponse response, FilterChain filterChain)
throws ServletException, IOException {
request.setAttribute(SESSION_REPOSITORY_ATTR, this.sessionRepository);
//包装了HttpServletRequest，覆写了HttpServletRequest中 getSession(boolean create)方法
SessionRepositoryRequestWrapper wrappedRequest = new SessionRepositoryRequestWrapper(
request, response, this.servletContext);
......
try {
filterChain.doFilter(strategyRequest, strategyResponse);
}
finally {
//保证session持久化
wrappedRequest.commitSession();
}
}
4、缓存机制
每一个session，Redis实际缓存的数据如下：
spring:session:sessions:1b8b2340-da25-4ca6-864c-4af28f033327
spring:session:sessions:expires:1b8b2340-da25-4ca6-864c-4af28f033327
spring:session:expirations:1557389100000
spring:session:sessions为hash结构，存储Spring Session的主要内容：
hgetall spring:session:sessions:1b8b2340-da25-4ca6-864c-4af28f033327
1) "creationTime"
2) "\xac\xed\x00\x05sr\x00\x0ejava.lang.Long;\x8b\xe4\x90\xcc\x8f#\xdf\x02\x00\x01J\x00\x05valuexr\x00\x10java.lang.Number\x86\xac\x95\x1d\x0b\x94\xe0\x8b\x02\x00\x00xp\x00\x00\x01j\x9b\x83\x9d\xfd"
3) "maxInactiveInterval"
4) "\xac\xed\x00\x05sr\x00\x11java.lang.Integer\x12\xe2\xa0\xa4\xf7\x81\x878\x02\x00\x01I\x00\x05valuexr\x00\x10java.lang.Number\x86\xac\x95\x1d\x0b\x94\xe0\x8b\x02\x00\x00xp\x00\x00\a\b"
5) "lastAccessedTime"
6) "\xac\xed\x00\x05sr\x00\x0ejava.lang.Long;\x8b\xe4\x90\xcc\x8f#\xdf\x02\x00\x01J\x00\x05valuexr\x00\x10java.lang.Number\x86\xac\x95\x1d\x0b\x94\xe0\x8b\x02\x00\x00xp\x00\x00\x01j\x9b\x83\x9d\xfd"
spring:session:sessions:expires 为 string 结构，存储一个空值。
spring:session:expirations为set结构，存储1557389100000 时间点过期的spring:session:sessions:expires键值：
smembers spring:session:expirations:1557389100000
1) "\xac\xed\x00\x05t\x00,expires:1b8b2340-da25-4ca6-864c-4af28f033327"
RedisSessionExpirationPolicy，三个键值生成流程：
public void onExpirationUpdated(Long originalExpirationTimeInMilli,
ExpiringSession session) {
String keyToExpire = "expires:" + session.getId();
long toExpire = roundUpToNextMinute(expiresInMillis(session));
......
//把spring:session:sessions:expires加入到spring:session:expirations开头的key里面
String expireKey = getExpirationKey(toExpire);
BoundSetOperations<Object, Object> expireOperations = this.redis
.boundSetOps(expireKey);
expireOperations.add(keyToExpire);
long fiveMinutesAfterExpires = sessionExpireInSeconds
+ TimeUnit.MINUTES.toSeconds(5);
//spring:session:expirations开头的key过期时间为xml配置的时间后五分钟
expireOperations.expire(fiveMinutesAfterExpires, TimeUnit.SECONDS);
if (sessionExpireInSeconds == 0) {
this.redis.delete(sessionKey);
}
else {
//spring:session:sessions:expires开头的key过期时间为xml配置的时间
this.redis.boundValueOps(sessionKey).append("");
this.redis.boundValueOps(sessionKey).expire(sessionExpireInSeconds,
TimeUnit.SECONDS);
}
//spring:session:sessions开头的key过期时间为xml配置的时间后五分钟
this.redis.boundHashOps(getSessionKey(session.getId()))
.expire(fiveMinutesAfterExpires, TimeUnit.SECONDS);
}
Redis过期键有三种删除策略，分别是定时删除，惰性删除，定期删除。
- 定时删除：通过维护一个定时器，过期马上删除，是最有效的，但是也是最浪费cpu时间的。
- 惰性删除：程序在取出键时才判断它是否过期，过期才删除，这个方法对cpu时间友好，对内存不友好。
- 定期删除：每隔一定时间执行一次删除过期键的操作，并限制每次删除操作的执行时长和频率，是一种折中。
Redis采用了惰性删除和定期删除的策略。由此可见依赖 Redis 的过期策略实时删除过期key是不可靠的。
另外一方面，业务可能会在Spring Session过期后做业务逻辑处理，同时需要session里面的信息，如果只有一个 spring:session:sessions键值，那么Redis删除就删除了，业务没法获取session信息。
spring:session:expirations键中存储了spring:session:sessions:expires键，而spring:session:sessions:expires键过期五分钟早于spring:session:expirations键和spring:session:sessions键（实际Spring Session对于过期事件处理订阅的spring:session:sessions:expires键，下一节会具体讲），这样在订阅到过期事件时还能获取spring:session:sessions键值。
如果通过Redis本身清理机制未及时清除spring:session:sessions:expires，可以通过Spring Session提供的定时任务兜底，保证spring:session:sessions:expires清除。
RedisSessionExpirationPolicy，session清理定时任务
public void cleanExpiredSessions() {
long now = System.currentTimeMillis();
long prevMin = roundDownMinute(now);
......
//获取到spring:session:expirations键
String expirationKey = getExpirationKey(prevMin);
// 取出当前这一分钟应当过期的 session
Set<Object> sessionsToExpire = this.redis.boundSetOps(expirationKey).members();
// 注意：这里删除的是spring:session:expirations键，不是删除 session 本身！
this.redis.delete(expirationKey);
for (Object session : sessionsToExpire) {
String sessionKey = getSessionKey((String) session);
//遍历一下spring:session:sessions:expires键
touch(sessionKey);
}
}
/**
* By trying to access the session we only trigger a deletion if it the TTL is
* expired. This is done to handle
* https://github.com/spring-projects/spring-session/issues/93
*
* @param key the key
*/
private void touch(String key) {
//并不是直接删除 key，而只是访问 key，通过惰性删除确保spring:session:sessions:expires键实时删除，
// 同时也保证多线程并发续签的场景下，key移动到不同spring:session:expirations键里面时，
//以spring:session:sessions:expires键实际ttl时间为准
this.redis.hasKey(key);
}
5、事件订阅
默认至少订阅键空间通知gxE事件（http://redisdoc.com/topic/notification.html）。
ConfigureNotifyKeyspaceEventsAction，开启键空间通知：
public void configure(RedisConnection connection) {
String notifyOptions = getNotifyOptions(connection);
String customizedNotifyOptions = notifyOptions;
if (!customizedNotifyOptions.contains("E")) {
customizedNotifyOptions += "E";
}
boolean A = customizedNotifyOptions.contains("A");
if (!(A || customizedNotifyOptions.contains("g"))) {
customizedNotifyOptions += "g";
}
if (!(A || customizedNotifyOptions.contains("x"))) {
customizedNotifyOptions += "x";
}
if (!notifyOptions.equals(customizedNotifyOptions)) {
connection.setConfig(CONFIG_NOTIFY_KEYSPACE_EVENTS, customizedNotifyOptions);
}
}
RedisHttpSessionConfiguration，注册监听事件：
@Bean
public RedisMessageListenerContainer redisMessageListenerContainer(
RedisConnectionFactory connectionFactory,
RedisOperationsSessionRepository messageListener) {
......
//psubscribe del和expired事件
container.addMessageListener(messageListener,
Arrays.asList(new PatternTopic("__keyevent@*:del"),
new PatternTopic("__keyevent@*:expired")));
//psubscribe created事件
container.addMessageListener(messageListener, Arrays.asList(new PatternTopic(
messageListener.getSessionCreatedChannelPrefix() + "*")));
return container;
}
RedisOperationsSessionRepository，事件处理：
public void onMessage(Message message, byte[] pattern) {
......
if (channel.startsWith(getSessionCreatedChannelPrefix())) {
...
//处理spring:session created事件
handleCreated(loaded, channel);
return;
}
//非spring:session:sessions:expires事件不做处理
String body = new String(messageBody);
if (!body.startsWith(getExpiredKeyPrefix())) {
return;
}
boolean isDeleted = channel.endsWith(":del");
if (isDeleted || channel.endsWith(":expired")) {
......
if (isDeleted) {
//处理spring:session:sessions:expires del事件
handleDeleted(sessionId, session);
}
else {
//处理spring:session:sessions:expires expired事件
handleExpired(sessionId, session);
}
......
return;
}
}
事件订阅样例：
@Component
public class SessionExpiredListener implements ApplicationListener<SessionExpiredEvent> {
@Override
public void onApplicationEvent(SessionExpiredEvent event) {
......
}
}
6、总结
Spring Session给我们提供了很好的分布式环境下资源共享问题解决思路，其基于Servlet 规范实现，业务使用时只需要简单配置就可以实现session共享，做到与业务低耦合，这都是以后我们项目开发中可以借签的设计理念。
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