前言
對於廣大java開發者而已，對於J2EE規范中的Session應該並不陌生，我們可以使用Session管理用戶的會話信息，最常見的就是拿Session用來存放用戶登錄、身份、權限及狀態等信息。對於使用Tomcat作為Web容器的大部分開發人員而言，Tomcat是如何實現Session標記用戶和管理Session信息的呢？
概述
Session
Tomcat內部定義了Session和HttpSession這兩個會話相關的接口，其類繼承體系如圖1所示。
圖1 Session類繼承體系
圖1中額外列出了Session的類繼承體系，這里對他們逐個進行介紹。
Session：Tomcat中有關會話的基本接口規范，圖1列出了它定義的主要方法，表1對這些方法進行介紹。
表1 Session接口說明
| 方法 | 描述 |
| getCreationTime()/setCreationTime(time : long) | 獲取與設置Session的創建時間 |
| getId()/setId(id : String) | 獲取與設置Session的ID |
| getThisAccessedTime() | 獲取最近一次請求的開始時間 |
| getLastAccessedTime() | 獲取最近一次請求的完成時間 |
| getManager()/setManager(manager : Manager) | 獲取與設置Session管理器 |
| getMaxInactiveInterval()/setMaxInactiveInterval(interval : int) | 獲取與設置Session的最大訪問間隔 |
| getSession() | 獲取HttpSession |
| isValid()/setValid(isValid : boolean) | 獲取與設置Session的有效狀態 |
| access()/endAccess() | 開始與結束Session的訪問 |
| expire() | 設置Session過期 |
HttpSession：在HTTP客戶端與HTTP服務端提供的一種會話的接口規范，圖1列出了它定義的主要方法，表2對這些方法進行介紹。
表2 HttpSession接口說明
| 方法 | 描述 |
| getCreationTime() | 獲取Session的創建時間 |
| getId() | 獲取Session的ID |
| getLastAccessedTime() | 獲取最近一次請求的完成時間 |
| getServletContext() | 獲取當前Session所屬的ServletContext |
| getMaxInactiveInterval()/setMaxInactiveInterval(interval : int) | 獲取與設置Session的最大訪問間隔 |
| getAttribute(name : String) /setAttribute(name : String, value : Object) | 獲取與設置Session作用域的屬性 |
| removeAttribute(name : String) | 清除Session作用域的屬性 |
| invalidate() | 使Session失效並解除任何與此Session綁定的對象 |
ClusterSession：集群部署下的會話接口規范，圖1列出了它的主要方法，表3對這些方法進行介紹。
表3 ClusterSession接口說明
| 方法 | 描述 |
| isPrimarySession() | 是否是集群的主Session |
| setPrimarySession(boolean primarySession) | 設置集群主Session |
StandardSession：標准的HTTP Session實現，本文將以此實現為例展開。
在部署Tomcat集群時，需要使集群中各個節點的會話狀態保持同步，目前Tomcat提供了兩種同步策略：
- ReplicatedSession：每次都把整個會話對象同步給集群中的其他節點，其他節點然后更新整個會話對象。這種實現比較簡單方便，但會造成大量無效信息的傳輸。
- DeltaSession：對會話中增量修改的屬性進行同步。這種方式由於是增量的，所以會大大降低網絡I/O的開銷，但是實現上會比較復雜因為涉及到對會話屬性操作過程的管理。
Session管理器
Tomcat內部定義了Manager接口用於制定Session管理器的接口規范，目前已經有很多Session管理器的實現，如圖2所示。
圖2 Session管理器的類繼承體系
對應圖2中的內容我們下面逐個描述：
Manager：Tomcat對於Session管理器定義的接口規范，圖2已經列出了Manager接口中定義的主要方法，表4詳細描述了這些方法的作用。
表4 Manager接口說明
| 方法 | 描述 |
| getContainer()/setContainer(container : Container) | 獲取或設置Session管理器關聯的容器，一般為Context容器 |
| getDistributable()/setDistributable(distributable : boolean) | 獲取或設置Session管理器是否支持分布式 |
| getMaxInactiveInterval()/setMaxInactiveInterval(interval : int) | 獲取或設置Session管理器創建的Session的最大非活動時間間隔 |
| getSessionIdLength()/setSessionIdLength(idLength : int) | 獲取或設置Session管理器創建的Session ID的長度 |
| getSessionCounter()/setSessionCounter(sessionCounter : long) | 獲取或設置Session管理器創建的Session總數 |
| getMaxActive()/setMaxActive(maxActive : int) | 獲取或設置當前已激活Session的最大數量 |
| getActiveSessions() | 獲取當前激活的所有Session |
| getExpiredSessions()/setExpiredSessions(expiredSessions : long) | 獲取或設置當前已過期Session的數量 |
| getRejectedSessions()/setRejectedSessions(rejectedSessions : int) | 獲取或設置已拒絕創建Session的數量 |
| getSessionMaxAliveTime()/setSessionMaxAliveTime(sessionMaxAliveTime : int) | 獲取或設置已過期Session中的最大活動時長 |
| getSessionAverageAliveTime()/setSessionAverageAliveTime(sessionAverageAliveTime : int) | 獲取或設置已過期Session的平均活動時長 |
| add(session : Session)/remove(session : Session) | 給Session管理器增加或刪除活動Session |
| changeSessionId(session : Session) | 給Session設置新生成的隨機Session ID |
| createSession(sessionId : String) | 基於Session管理器的默認屬性配置創建新的Session |
| findSession(id : String) | 返回sessionId參數唯一標記的Session |
| findSessions() | 返回Session管理器管理的所有活動Session |
| load()/unload() | 從持久化機制中加載Session或向持久化機制寫入Session |
| backgroundProcess() | 容器接口中定義的為具體容器在后台處理相關工作的實現，Session管理器基於此機制實現了過期Session的銷毀 |
ManagerBase：封裝了Manager接口通用實現的抽象類，未提供對load()/unload()等方法的實現，需要具體子類去實現。所有的Session管理器都繼承自ManagerBase。
ClusterManager：在Manager接口的基礎上增加了集群部署下的一些接口，所有實現集群下Session管理的管理器都需要實現此接口。
PersistentManagerBase：提供了對於Session持久化的基本實現。
PersistentManager：繼承自PersistentManagerBase，可以在Server.xml的<Context>元素下通過配置<Store>元素來使用。PersistentManager可以將內存中的Session信息備份到文件或數據庫中。當備份一個Session對象時，該Session對象會被復制到存儲器（文件或者數據庫）中，而原對象仍然留在內存中。因此即便服務器宕機，仍然可以從存儲器中獲取活動的Session對象。如果活動的Session對象超過了上限值或者Session對象閑置了的時間過長，那么Session會被換出到存儲器中以節省內存空間。
StandardManager：不用配置<Store>元素，當Tomcat正常關閉，重啟或Web應用重新加載時，它會將內存中的Session序列化到Tomcat目錄下的/work/Catalina/host_name/webapp_name/SESSIONS.ser文件中。當Tomcat重啟或應用加載完成后，Tomcat會將文件中的Session重新還原到內存中。如果突然終止該服務器，則所有Session都將丟失，因為StandardManager沒有機會實現存盤處理。
ClusterManagerBase：提供了對於Session的集群管理實現。
DeltaManager：繼承自ClusterManagerBase。此Session管理器是Tomcat在集群部署下的默認管理器，當集群中的某一節點生成或修改Session后，DeltaManager將會把這些修改增量復制到其他節點。
BackupManager：沒有繼承ClusterManagerBase，而是直接實現了ClusterManager接口。是Tomcat在集群部署下的可選的Session管理器，集群中的所有Session都被全量復制到一個備份節點。集群中的所有節點都可以訪問此備份節點，達到Session在集群下的備份效果。
為簡單起見，本文以StandardManager為例講解Session的管理。StandardManager是StandardContext的子組件，用來管理當前Context的所有Session的創建和維護。如果你已經閱讀或者熟悉了《Tomcat源碼分析——生命周期管理》一文的內容，那么你就知道當StandardContext正式啟動，也就是StandardContext的startInternal方法（見代碼清單1）被調用時，StandardContext還會啟動StandardManager。
代碼清單1
@Override protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException { // 省略與Session管理無關的代碼 // Acquire clustered manager Manager contextManager = null; if (manager == null) { if ( (getCluster() != null) && distributable) { try { contextManager = getCluster().createManager(getName()); } catch (Exception ex) { log.error("standardContext.clusterFail", ex); ok = false; } } else { contextManager = new StandardManager(); } } // Configure default manager if none was specified if (contextManager != null) { setManager(contextManager); } if (manager!=null && (getCluster() != null) && distributable) { //let the cluster know that there is a context that is distributable //and that it has its own manager getCluster().registerManager(manager); } // 省略與Session管理無關的代碼 try { // Start manager if ((manager != null) && (manager instanceof Lifecycle)) { ((Lifecycle) getManager()).start(); } // Start ContainerBackgroundProcessor thread super.threadStart(); } catch(Exception e) { log.error("Error manager.start()", e); ok = false; } // 省略與Session管理無關的代碼 }
從代碼清單1可以看到StandardContext的startInternal方法中涉及Session管理的執行步驟如下：
- 創建StandardManager；
- 如果Tomcat結合Apache做了分布式部署，會將當前StandardManager注冊到集群中；
- 啟動StandardManager；
StandardManager的start方法用於啟動StandardManager，實現見代碼清單2。
代碼清單2
@Override public synchronized final void start() throws LifecycleException { //省略狀態校驗的代碼if (state.equals(LifecycleState.NEW)) { init(); } else if (!state.equals(LifecycleState.INITIALIZED) && !state.equals(LifecycleState.STOPPED)) { invalidTransition(Lifecycle.BEFORE_START_EVENT); } setState(LifecycleState.STARTING_PREP); try { startInternal(); } catch (LifecycleException e) { setState(LifecycleState.FAILED); throw e; } if (state.equals(LifecycleState.FAILED) || state.equals(LifecycleState.MUST_STOP)) { stop(); } else { // Shouldn't be necessary but acts as a check that sub-classes are // doing what they are supposed to. if (!state.equals(LifecycleState.STARTING)) { invalidTransition(Lifecycle.AFTER_START_EVENT); } setState(LifecycleState.STARTED); } }
從代碼清單2可以看出啟動StandardManager的步驟如下：
- 調用init方法初始化StandardManager；
- 調用startInternal方法啟動StandardManager；
StandardManager的初始化
經過上面的分析，我們知道啟動StandardManager的第一步就是調用父類LifecycleBase的init方法，關於此方法已在《Tomcat源碼分析——生命周期管理》一文詳細介紹，所以我們只需要關心StandardManager的initInternal。StandardManager本身並沒有實現initInternal方法，但是StandardManager的父類ManagerBase實現了此方法，其實現見代碼清單3。
代碼清單3
@Override protected void initInternal() throws LifecycleException { super.initInternal(); setDistributable(((Context) getContainer()).getDistributable()); // Initialize random number generation getRandomBytes(new byte[16]); }
閱讀代碼清單3，我們總結下ManagerBase的initInternal方法的執行步驟：
- 將容器自身即StandardManager注冊到JMX（LifecycleMBeanBase的initInternal方法的實現請參考《Tomcat源碼分析——生命周期管理》一文）；
- 從父容器StandardContext中獲取當前Tomcat是否是集群部署，並設置為ManagerBase的布爾屬性distributable；
- 調用getRandomBytes方法從隨機數文件/dev/urandom中獲取隨機數字節數組，如果不存在此文件則通過反射生成java.security.SecureRandom的實例，用它生成隨機數字節數組。
注意：此處調用getRandomBytes方法生成的隨機數字節數組並不會被使用，之所以在這里調用實際是為了完成對隨機數生成器的初始化，以便將來分配Session ID時使用。
我們詳細閱讀下getRandomBytes方法的代碼實現，見代碼清單4。
代碼清單4
protected void getRandomBytes(byte bytes[]) { // Generate a byte array containing a session identifier if (devRandomSource != null && randomIS == null) { setRandomFile(devRandomSource); } if (randomIS != null) { try { int len = randomIS.read(bytes); if (len == bytes.length) { return; } if(log.isDebugEnabled()) log.debug("Got " + len + " " + bytes.length ); } catch (Exception ex) { // Ignore } devRandomSource = null; try { randomIS.close(); } catch (Exception e) { log.warn("Failed to close randomIS."); } randomIS = null; } getRandom().nextBytes(bytes); }
代碼清單4中的setRandomFile方法（見代碼清單5）用於從隨機數文件/dev/urandom中獲取隨機數字節數組。
代碼清單5
public void setRandomFile( String s ) { // as a hack, you can use a static file - and generate the same // session ids ( good for strange debugging ) if (Globals.IS_SECURITY_ENABLED){ randomIS = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedSetRandomFile(s)); } else { try{ devRandomSource=s; File f=new File( devRandomSource ); if( ! f.exists() ) return; randomIS= new DataInputStream( new FileInputStream(f)); randomIS.readLong(); if( log.isDebugEnabled() ) log.debug( "Opening " + devRandomSource ); } catch( IOException ex ) { log.warn("Error reading " + devRandomSource, ex); if (randomIS != null) { try { randomIS.close(); } catch (Exception e) { log.warn("Failed to close randomIS."); } } devRandomSource = null; randomIS=null; } } }
代碼清單4中的getRandom方法（見代碼清單6）通過反射生成java.security.SecureRandom的實例，並用此實例生成隨機數字節數組。
代碼清單6
public Random getRandom() { if (this.random == null) { // Calculate the new random number generator seed long seed = System.currentTimeMillis(); long t1 = seed; char entropy[] = getEntropy().toCharArray(); for (int i = 0; i < entropy.length; i++) { long update = ((byte) entropy[i]) << ((i % 8) * 8); seed ^= update; } try { // Construct and seed a new random number generator Class<?> clazz = Class.forName(randomClass); this.random = (Random) clazz.newInstance(); this.random.setSeed(seed); } catch (Exception e) { // Fall back to the simple case log.error(sm.getString("managerBase.random", randomClass), e); this.random = new java.util.Random(); this.random.setSeed(seed); } if(log.isDebugEnabled()) { long t2=System.currentTimeMillis(); if( (t2-t1) > 100 ) log.debug(sm.getString("managerBase.seeding", randomClass) + " " + (t2-t1)); } } return (this.random); }
根據以上的分析，StandardManager的初始化主要就是執行了ManagerBase的initInternal方法。
StandardManager的啟動
調用StandardManager的startInternal方法用於啟動StandardManager，見代碼清單7。
代碼清單7
@Override protected synchronized void startInternal() throws LifecycleException { // Force initialization of the random number generator if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Force random number initialization starting"); generateSessionId(); if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Force random number initialization completed"); // Load unloaded sessions, if any try { load(); } catch (Throwable t) { log.error(sm.getString("standardManager.managerLoad"), t); } setState(LifecycleState.STARTING); }
從代碼清單7可以看出啟動StandardManager的步驟如下：
步驟一 調用generateSessionId方法（見代碼清單8）強制初始化隨機數生成器;
注意:此處調用generateSessionId方法的目的不是為了生成Session ID，而是為了強制初始化隨機數生成器。
代碼清單8
protected synchronized String generateSessionId() { byte random[] = new byte[16]; String jvmRoute = getJvmRoute(); String result = null; // Render the result as a String of hexadecimal digits StringBuilder buffer = new StringBuilder(); do { int resultLenBytes = 0; if (result != null) { buffer = new StringBuilder(); duplicates++; } while (resultLenBytes < this.sessionIdLength) { getRandomBytes(random); random = getDigest().digest(random); for (int j = 0; j < random.length && resultLenBytes < this.sessionIdLength; j++) { byte b1 = (byte) ((random[j] & 0xf0) >> 4); byte b2 = (byte) (random[j] & 0x0f); if (b1 < 10) buffer.append((char) ('0' + b1)); else buffer.append((char) ('A' + (b1 - 10))); if (b2 < 10) buffer.append((char) ('0' + b2)); else buffer.append((char) ('A' + (b2 - 10))); resultLenBytes++; } } if (jvmRoute != null) { buffer.append('.').append(jvmRoute); } result = buffer.toString(); } while (sessions.containsKey(result)); return (result); }
步驟二 加載持久化的Session信息。為什么Session需要持久化？由於在StandardManager中，所有的Session都維護在一個ConcurrentHashMap中，因此服務器重啟或者宕機會造成這些Session信息丟失或失效，為了解決這個問題，Tomcat將這些Session通過持久化的方式來保證不會丟失。下面我們來看看StandardManager的load方法的實現，見代碼清單9所示。
代碼清單9
public void load() throws ClassNotFoundException, IOException { if (SecurityUtil.isPackageProtectionEnabled()){ try{ AccessController.doPrivileged( new PrivilegedDoLoad() ); } catch (PrivilegedActionException ex){ Exception exception = ex.getException(); if (exception instanceof ClassNotFoundException){ throw (ClassNotFoundException)exception; } else if (exception instanceof IOException){ throw (IOException)exception; } if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Unreported exception in load() " + exception); } } else { doLoad(); } }
如果需要安全機制是打開的並且包保護模式打開，會通過創建PrivilegedDoLoad來加載持久化的Session，其實現如代碼清單10所示。
代碼清單10
private class PrivilegedDoLoad implements PrivilegedExceptionAction<Void> { PrivilegedDoLoad() { // NOOP } public Void run() throws Exception{ doLoad(); return null; } }
從代碼清單10看到實際負責加載的方法是doLoad，根據代碼清單9知道默認情況下，加載Session信息的方法也是doLoad。所以我們只需要看看doLoad的實現了，見代碼清單11。
代碼清單11
protected void doLoad() throws ClassNotFoundException, IOException { if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Start: Loading persisted sessions"); // Initialize our internal data structures sessions.clear(); // Open an input stream to the specified pathname, if any File file = file(); if (file == null) return; if (log.isDebugEnabled()) log.debug(sm.getString("standardManager.loading", pathname)); FileInputStream fis = null; BufferedInputStream bis = null; ObjectInputStream ois = null; Loader loader = null; ClassLoader classLoader = null; try { fis = new FileInputStream(file.getAbsolutePath()); bis = new BufferedInputStream(fis); if (container != null) loader = container.getLoader(); if (loader != null) classLoader = loader.getClassLoader(); if (classLoader != null) { if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Creating custom object input stream for class loader "); ois = new CustomObjectInputStream(bis, classLoader); } else { if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Creating standard object input stream"); ois = new ObjectInputStream(bis); } } catch (FileNotFoundException e) { if (log.isDebugEnabled()) log.debug("No persisted data file found"); return; } catch (IOException e) { log.error(sm.getString("standardManager.loading.ioe", e), e); if (fis != null) { try { fis.close(); } catch (IOException f) { // Ignore } } if (bis != null) { try { bis.close(); } catch (IOException f) { // Ignore } } throw e; } // Load the previously unloaded active sessions synchronized (sessions) { try { Integer count = (Integer) ois.readObject(); int n = count.intValue(); if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Loading " + n + " persisted sessions"); for (int i = 0; i < n; i++) { StandardSession session = getNewSession(); session.readObjectData(ois); session.setManager(this); sessions.put(session.getIdInternal(), session); session.activate(); if (!session.isValidInternal()) { // If session is already invalid, // expire session to prevent memory leak. session.setValid(true); session.expire(); } sessionCounter++; } } catch (ClassNotFoundException e) { log.error(sm.getString("standardManager.loading.cnfe", e), e); try { ois.close(); } catch (IOException f) { // Ignore } throw e; } catch (IOException e) { log.error(sm.getString("standardManager.loading.ioe", e), e); try { ois.close(); } catch (IOException f) { // Ignore } throw e; } finally { // Close the input stream try { ois.close(); } catch (IOException f) { // ignored } // Delete the persistent storage file if (file.exists() ) file.delete(); } } if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Finish: Loading persisted sessions"); }
從代碼清單11看到StandardManager的doLoad方法的執行步驟如下：
- 清空sessions緩存維護的Session信息；
- 調用file方法返回當前Context下的Session持久化文件，比如：D:\workspace\Tomcat7.0\work\Catalina\localhost\host-manager\SESSIONS.ser；
- 打開Session持久化文件的輸入流，並封裝為CustomObjectInputStream；
- 從Session持久化文件讀入持久化的Session的數量，然后逐個讀取Session信息並放入sessions緩存中。
至此，有關StandardManager的啟動就介紹到這里，我將會在《TOMCAT源碼分析——SESSION管理分析（下）》一文講解Session的分配、追蹤、銷毀等內容。
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