Spring Session工作原理

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作者：张正林

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。

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：

@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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