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使用Session和Cookie

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在Web应用程序中,我们经常要跟踪用户身份。当一个用户登录成功后,如果他继续访问其他页面,Web程序如何才能识别出该用户身份?

因为HTTP协议是一个无状态协议,即Web应用程序无法区分收到的两个HTTP请求是否是同一个浏览器发出的。为了跟踪用户状态,服务器可以向浏览器分配一个唯一ID,并以Cookie的形式发送到浏览器,浏览器在后续访问时总是附带此Cookie,这样,服务器就可以识别用户身份。

Session

我们把这种基于唯一ID识别用户身份的机制称为Session。每个用户第一次访问服务器后,会自动获得一个Session ID。如果用户在一段时间内没有访问服务器,那么Session会自动失效,下次即使带着上次分配的Session ID访问,服务器也认为这是一个新用户,会分配新的Session ID。

JavaEE的Servlet机制内建了对Session的支持。我们以登录为例,当一个用户登录成功后,我们就可以把这个用户的名字放入一个HttpSession对象,以便后续访问其他页面的时候,能直接从HttpSession取出用户名:

@WebServlet(urlPatterns = "/signin")
public class SignInServlet extends HttpServlet {
    // 模拟一个数据库:
    private Map<String, String> users = Map.of("bob", "bob123", "alice", "alice123", "tom", "tomcat");

    // GET请求时显示登录页:
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        resp.setContentType("text/html");
        PrintWriter pw = resp.getWriter();
        pw.write("<h1>Sign In</h1>");
        pw.write("<form action=\"/signin\" method=\"post\">");
        pw.write("<p>Username: <input name=\"username\"></p>");
        pw.write("<p>Password: <input name=\"password\" type=\"password\"></p>");
        pw.write("<p><button type=\"submit\">Sign In</button> <a href=\"/\">Cancel</a></p>");
        pw.write("</form>");
        pw.flush();
    }

    // POST请求时处理用户登录:
    protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        String name = req.getParameter("username");
        String password = req.getParameter("password");
        String expectedPassword = users.get(name.toLowerCase());
        if (expectedPassword != null && expectedPassword.equals(password)) {
            // 登录成功:
            req.getSession().setAttribute("user", name);
            resp.sendRedirect("/");
        } else {
            resp.sendError(HttpServletResponse.SC_FORBIDDEN);
        }
    }
}

上述SignInServlet在判断用户登录成功后,立刻将用户名放入当前HttpSession中:

HttpSession session = req.getSession();
session.setAttribute("user", name);

IndexServlet中,可以从HttpSession取出用户名:

@WebServlet(urlPatterns = "/")
public class IndexServlet extends HttpServlet {
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        // 从HttpSession获取当前用户名:
        String user = (String) req.getSession().getAttribute("user");
        resp.setContentType("text/html");
        resp.setCharacterEncoding("UTF-8");
        resp.setHeader("X-Powered-By", "JavaEE Servlet");
        PrintWriter pw = resp.getWriter();
        pw.write("<h1>Welcome, " + (user != null ? user : "Guest") + "</h1>");
        if (user == null) {
            // 未登录,显示登录链接:
            pw.write("<p><a href=\"/signin\">Sign In</a></p>");
        } else {
            // 已登录,显示登出链接:
            pw.write("<p><a href=\"/signout\">Sign Out</a></p>");
        }
        pw.flush();
    }
}

如果用户已登录,可以通过访问/signout登出。登出逻辑就是从HttpSession中移除用户相关信息:

@WebServlet(urlPatterns = "/signout")
public class SignOutServlet extends HttpServlet {
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        // 从HttpSession移除用户名:
        req.getSession().removeAttribute("user");
        resp.sendRedirect("/");
    }
}

对于Web应用程序来说,我们总是通过HttpSession这个高级接口访问当前Session。如果要深入理解Session原理,可以认为Web服务器在内存中自动维护了一个ID到HttpSession的映射表,我们可以用下图表示:

           ┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐

           │      ┌───────────────┐                │
             ┌───>│ IndexServlet  │<──────────┐
           │ │    └───────────────┘           ▼    │
┌───────┐    │    ┌───────────────┐      ┌────────┐
│Browser│──┼─┼───>│ SignInServlet │<────>│Sessions││
└───────┘    │    └───────────────┘      └────────┘
           │ │    ┌───────────────┐           ▲    │
             └───>│SignOutServlet │<──────────┘
           │      └───────────────┘                │

           └ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘

而服务器识别Session的关键就是依靠一个名为JSESSIONID的Cookie。在Servlet中第一次调用req.getSession()时,Servlet容器自动创建一个Session ID,然后通过一个名为JSESSIONID的Cookie发送给浏览器:

session

这里要注意的几点是:

  • JSESSIONID是由Servlet容器自动创建的,目的是维护一个浏览器会话,它和我们的登录逻辑没有关系;
  • 登录和登出的业务逻辑是我们自己根据HttpSession是否存在一个"user"的Key判断的,登出后,Session ID并不会改变;
  • 即使没有登录功能,仍然可以使用HttpSession追踪用户,例如,放入一些用户配置信息等。

除了使用Cookie机制可以实现Session外,还可以通过隐藏表单、URL末尾附加ID来追踪Session。这些机制很少使用,最常用的Session机制仍然是Cookie。

使用Session时,由于服务器把所有用户的Session都存储在内存中,如果遇到内存不足的情况,就需要把部分不活动的Session序列化到磁盘上,这会大大降低服务器的运行效率,因此,放入Session的对象要小,通常我们放入一个简单的User对象就足够了:

public class User {
    public long id; // 唯一标识
    public String email;
    public String name;
}

在使用多台服务器构成集群时,使用Session会遇到一些额外的问题。通常,多台服务器集群使用反向代理作为网站入口:

                                     ┌────────────┐
                                ┌───>│Web Server 1│
                                │    └────────────┘
┌───────┐     ┌─────────────┐   │    ┌────────────┐
│Browser│────>│Reverse Proxy│───┼───>│Web Server 2│
└───────┘     └─────────────┘   │    └────────────┘
                                │    ┌────────────┐
                                └───>│Web Server 3│
                                     └────────────┘

如果多台Web Server采用无状态集群,那么反向代理总是以轮询方式将请求依次转发给每台Web Server,这会造成一个用户在Web Server 1存储的Session信息,在Web Server 2和3上并不存在,即从Web Server 1登录后,如果后续请求被转发到Web Server 2或3,那么用户看到的仍然是未登录状态。

要解决这个问题,方案一是在所有Web Server之间进行Session复制,但这样会严重消耗网络带宽,并且,每个Web Server的内存均存储所有用户的Session,内存使用率很低。

另一个方案是采用粘滞会话(Sticky Session)机制,即反向代理在转发请求的时候,总是根据JSESSIONID的值判断,相同的JSESSIONID总是转发到固定的Web Server,但这需要反向代理的支持。

无论采用何种方案,使用Session机制,会使得Web Server的集群很难扩展,因此,Session适用于中小型Web应用程序。对于大型Web应用程序来说,通常需要避免使用Session机制。

Cookie

实际上,Servlet提供的HttpSession本质上就是通过一个名为JSESSIONID的Cookie来跟踪用户会话的。除了这个名称外,其他名称的Cookie我们可以任意使用。

如果我们想要设置一个Cookie,例如,记录用户选择的语言,可以编写一个LanguageServlet

@WebServlet(urlPatterns = "/pref")
public class LanguageServlet extends HttpServlet {

    private static final Set<String> LANGUAGES = Set.of("en", "zh");

    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        String lang = req.getParameter("lang");
        if (LANGUAGES.contains(lang)) {
            // 创建一个新的Cookie:
            Cookie cookie = new Cookie("lang", lang);
            // 该Cookie生效的路径范围:
            cookie.setPath("/");
            // 该Cookie有效期:
            cookie.setMaxAge(8640000); // 8640000秒=100天
            // 将该Cookie添加到响应:
            resp.addCookie(cookie);
        }
        resp.sendRedirect("/");
    }
}

创建一个新Cookie时,除了指定名称和值以外,通常需要设置setPath("/"),浏览器根据此前缀决定是否发送Cookie。如果一个Cookie调用了setPath("/user/"),那么浏览器只有在请求以/user/开头的路径时才会附加此Cookie。通过setMaxAge()设置Cookie的有效期,单位为秒,最后通过resp.addCookie()把它添加到响应。

如果访问的是https网页,还需要调用setSecure(true),否则浏览器不会发送该Cookie。

因此,务必注意:浏览器在请求某个URL时,是否携带指定的Cookie,取决于Cookie是否满足以下所有要求:

  • URL前缀是设置Cookie时的Path;
  • Cookie在有效期内;
  • Cookie设置了secure时必须以https访问。

我们可以在浏览器看到服务器发送的Cookie:

cookie

如果我们要读取Cookie,例如,在IndexServlet中,读取名为lang的Cookie以获取用户设置的语言,可以写一个方法如下:

private String parseLanguageFromCookie(HttpServletRequest req) {
    // 获取请求附带的所有Cookie:
    Cookie[] cookies = req.getCookies();
    // 如果获取到Cookie:
    if (cookies != null) {
        // 循环每个Cookie:
        for (Cookie cookie : cookies) {
            // 如果Cookie名称为lang:
            if (cookie.getName().equals("lang")) {
                // 返回Cookie的值:
                return cookie.getValue();
            }
        }
    }
    // 返回默认值:
    return "en";
}

可见,读取Cookie主要依靠遍历HttpServletRequest附带的所有Cookie。

练习

使用Session和Cookie

小结

Servlet容器提供了Session机制以跟踪用户;

默认的Session机制是以Cookie形式实现的,Cookie名称为JSESSIONID

通过读写Cookie可以在客户端设置用户偏好等。


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