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Spring Session工作原理

原创 嵌入式/内核开发 作者:vivo互联网技术 时间:2019-07-30 10:39:32 0 删除 编辑

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); // Listenerinit(FilterConfig filterConfig); // Filterinit(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:

@Beanpublic <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:15573891000001) "\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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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:

@Componentpublic 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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