Session機制詳解

　　雖然session機制在web應用程式中被採用已經很長時間了，但是仍然有很多人不清楚session機制的本質，以至不能正確的應用這一技術。本文將詳細討論session的工作機制並且對在Java web application中應用session機制時常見的問題作出解答。

　　一、術語session 

　　在我的經驗裡，session這個詞被濫用的程度大概僅次於transaction，更加有趣的是transaction與session在某些語境下的含義是相同的。 

　　session，中文經常翻譯為會話，其本來的含義是指有始有終的一系列動作/訊息，比如打電話時從拿起電話撥號到結束通話電話這中間的一系列過程可以稱之為一個session。有時候我們可以看到這樣的話“在一個瀏覽器會話期間，...”，這裡的會話一詞用的就是其本義，是指從一個瀏覽器視窗開啟到關閉這個期間①。最混亂的是“使用者（客戶端）在一次會話期間”這樣一句話，它可能指使用者的一系列動作（一般情況下是同某個具體目的相關的一系列動作，比如從登入到選購商品到結賬登出這樣一個網上購物的過程，有時候也被稱為一個transaction），然而有時候也可能僅僅是指一次連線，也有可能是指含義①，其中的差別只能靠上下文來推斷②。 

　　然而當session一詞與網路協議相關聯時，它又往往隱含了“面向連線”和/或“保持狀態”這樣兩個含義，“面向連線”指的是在通訊雙方在通訊之前要先建立一個通訊的渠道，比如打電話，直到對方接了電話通訊才能開始，與此相對的是寫信，在你把信發出去的時候你並不能確認對方的地址是否正確，通訊渠道不一定能建立，但對發信人來說，通訊已經開始了。“保持狀態”則是指通訊的一方能夠把一系列的訊息關聯起來，使得訊息之間可以互相依賴，比如一個服務員能夠認出再次光臨的老顧客並且記得上次這個顧客還欠店裡一塊錢。這一類的例子有“一個TCP session”或者“一個POP3 session”③。 

　　而到了web伺服器蓬勃發展的時代，session在web開發語境下的語義又有了新的擴充套件，它的含義是指一類用來在客戶端與伺服器之間保持狀態的解決方案④。有時候session也用來指這種解決方案的儲存結構，如“把xxx儲存在session裡”⑤。由於各種用於web開發的語言在一定程度上都提供了對這種解決方案的支援，所以在某種特定語言的語境下，session也被用來指代該語言的解決方案，比如經常把Java裡提供的javax.servlet.http.HttpSession簡稱為session⑥。 

　　鑑於這種混亂已不可改變，本文中session一詞的運用也會根據上下文有不同的含義，請大家注意分辨。 

　　在本文中，使用中文“瀏覽器會話期間”來表達含義①，使用“session機制”來表達含義④，使用“session”表達含義⑤，使用具體的“HttpSession”來表達含義⑥ 

　　二、HTTP協議與狀態保持 

　　HTTP協議本身是無狀態的，這與HTTP協議本來的目的是相符的，客戶端只需要簡單的向伺服器請求下載某些檔案，無論是客戶端還是伺服器都沒有必要紀錄彼此過去的行為，每一次請求之間都是獨立的，好比一個顧客和一個自動售貨機或者一個普通的（非會員制）大賣場之間的關係一樣。 

　　然而聰明（或者貪心？）的人們很快發現如果能夠提供一些按需生成的動態資訊會使web變得更加有用，就像給有線電視加上點播功能一樣。這種需求一方面迫使HTML逐步新增了表單、指令碼、DOM等客戶端行為，另一方面在伺服器端則出現了CGI規範以響應客戶端的動態請求，作為傳輸載體的HTTP協議也新增了檔案上載、cookie這些特性。其中cookie的作用就是為了解決HTTP協議無狀態的缺陷所作出的努力。至於後來出現的session機制則是又一種在客戶端與伺服器之間保持狀態的解決方案。 

　　讓我們用幾個例子來描述一下cookie和session機制之間的區別與聯絡。筆者曾經常去的一家咖啡店有喝5杯咖啡免費贈一杯咖啡的優惠，然而一次性消費5杯咖啡的機會微乎其微，這時就需要某種方式來紀錄某位顧客的消費數量。想象一下其實也無外乎下面的幾種方案： 

　　1、該店的店員很厲害，能記住每位顧客的消費數量，只要顧客一走進咖啡店，店員就知道該怎麼對待了。這種做法就是協議本身支援狀態。 

　　2、發給顧客一張卡片，上面記錄著消費的數量，一般還有個有效期限。每次消費時，如果顧客出示這張卡片，則此次消費就會與以前或以後的消費相聯絡起來。這種做法就是在客戶端保持狀態。 

　　3、發給顧客一張會員卡，除了卡號之外什麼資訊也不紀錄，每次消費時，如果顧客出示該卡片，則店員在店裡的紀錄本上找到這個卡號對應的紀錄新增一些消費資訊。這種做法就是在伺服器端保持狀態。 

　　由於HTTP協議是無狀態的，而出於種種考慮也不希望使之成為有狀態的，因此，後面兩種方案就成為現實的選擇。具體來說cookie機制採用的是在客戶端保持狀態的方案，而session機制採用的是在伺服器端保持狀態的方案。同時我們也看到，由於採用伺服器端保持狀態的方案在客戶端也需要儲存一個標識，所以session機制可能需要藉助於cookie機制來達到儲存標識的目的，但實際上它還有其他選擇。 

　　三、理解cookie機制 

　　cookie機制的基本原理就如上面的例子一樣簡單，但是還有幾個問題需要解決：“會員卡”如何分發；“會員卡”的內容；以及客戶如何使用“會員卡”。 

　　正統的cookie分發是通過擴充套件HTTP協議來實現的，伺服器通過在HTTP的響應頭中加上一行特殊的指示以提示瀏覽器按照指示生成相應的cookie。然而純粹的客戶端指令碼如JavaScript或者VBScript也可以生成cookie。 

　　而cookie的使用是由瀏覽器按照一定的原則在後臺自動傳送給伺服器的。瀏覽器檢查所有儲存的cookie，如果某個cookie所宣告的作用範圍大於等於將要請求的資源所在的位置，則把該cookie附在請求資源的HTTP請求頭上傳送給伺服器。意思是麥當勞的會員卡只能在麥當勞的店裡出示，如果某家分店還發行了自己的會員卡，那麼進這家店的時候除了要出示麥當勞的會員卡，還要出示這家店的會員卡。 

　　cookie的內容主要包括：名字，值，過期時間，路徑和域。 

　　其中域可以指定某一個域比如.google.com，相當於總店招牌，比如寶潔公司，也可以指定一個域下的具體某臺機器比如www.google.com或者froogle.google.com，可以用飄柔來做比。 

　　路徑就是跟在域名後面的URL路徑，比如/或者/foo等等，可以用某飄柔專櫃做比。路徑與域合在一起就構成了cookie的作用範圍。如果不設定過期時間，則表示這個cookie的生命期為瀏覽器會話期間，只要關閉瀏覽器視窗，cookie就消失了。這種生命期為瀏覽器會話期的cookie被稱為會話cookie。會話cookie一般不儲存在硬碟上而是儲存在記憶體裡，當然這種行為並不是規範規定的。如果設定了過期時間，瀏覽器就會把cookie儲存到硬碟上，關閉後再次開啟瀏覽器，這些cookie仍然有效直到超過設定的過期時間。 

　　儲存在硬碟上的cookie可以在不同的瀏覽器程式間共享，比如兩個IE視窗。而對於儲存在記憶體裡的cookie，不同的瀏覽器有不同的處理方式。對於IE，在一個開啟的視窗上按Ctrl-N（或者從檔案選單）開啟的視窗可以與原視窗共享，而使用其他方式新開的IE程式則不能共享已經開啟的視窗的記憶體cookie；對於Mozilla Firefox0.8，所有的程式和標籤頁都可以共享同樣的cookie。一般來說是用javascript的window.open開啟的視窗會與原視窗共享記憶體cookie。瀏覽器對於會話cookie的這種只認cookie不認人的處理方式經常給採用session機制的web應用程式開發者造成很大的困擾。 

　　下面就是一個goolge設定cookie的響應頭的例子 

HTTP/1.1 302 Found 
    Location: http://www.google.com/intl/zh-CN/ 
    Set-Cookie: PREF=ID=0565f77e132de138:NW=1:TM=1098082649:LM=1098082649:S=KaeaCFPo49RiA_d8; 
    expires=Sun, 17-Jan-2038 19:14:07 GMT; path=/; domain=.google.com 
    Content-Type: text/html 

　　這是使用HTTPLook這個HTTP Sniffer軟體來俘獲的HTTP通訊紀錄的一部分：

　　瀏覽器在再次訪問goolge的資源時自動向外傳送cookie：

　　使用Firefox可以很容易的觀察現有的cookie的值，使用HTTPLook配合Firefox可以很容易的理解cookie的工作原理。

　　IE也可以設定在接受cookie前詢問：

　　這是一個詢問接受cookie的對話方塊。

　　四、理解session機制 

　　session機制是一種伺服器端的機制，伺服器使用一種類似於雜湊表的結構（也可能就是使用雜湊表）來儲存資訊。 

　　當程式需要為某個客戶端的請求建立一個session的時候，伺服器首先檢查這個客戶端的請求裡是否已包含了一個session標識 - 稱為session id，如果已包含一個session id則說明以前已經為此客戶端建立過session，伺服器就按照session id把這個session檢索出來使用（如果檢索不到，可能會新建一個），如果客戶端請求不包含session id，則為此客戶端建立一個session並且生成一個與此session相關聯的session id，session id的值應該是一個既不會重複，又不容易被找到規律以仿造的字串，這個session id將被在本次響應中返回給客戶端儲存。 

　　儲存這個session id的方式可以採用cookie，這樣在互動過程中瀏覽器可以自動的按照規則把這個標識發揮給伺服器。一般這個cookie的名字都是類似於SEEESIONID，而。比如weblogic對於web應用程式生成的cookie，JSESSIONID=ByOK3vjFD75aPnrF7C2HmdnV6QZcEbzWoWiBYEnLerjQ99zWpBng!-145788764，它的名字就是JSESSIONID。 

　　由於cookie可以被人為的禁止，必須有其他機制以便在cookie被禁止時仍然能夠把session id傳遞迴伺服器。經常被使用的一種技術叫做URL重寫，就是把session id直接附加在URL路徑的後面，附加方式也有兩種，一種是作為URL路徑的附加資訊，表現形式為 http://...../xxx;jsessionid=ByOK3vjFD75aPnrF7C2HmdnV6QZcEbzWoWiBYEnLerjQ99zWpBng!-145788764 

　　另一種是作為查詢字串附加在URL後面，表現形式為 http://...../xxx?jsessionid=ByOK3vjFD75aPnrF7C2HmdnV6QZcEbzWoWiBYEnLerjQ99zWpBng!-145788764

　　這兩種方式對於使用者來說是沒有區別的，只是伺服器在解析的時候處理的方式不同，採用第一種方式也有利於把session id的資訊和正常程式引數區分開來。 

　　為了在整個互動過程中始終保持狀態，就必須在每個客戶端可能請求的路徑後面都包含這個session id。 

　　另一種技術叫做表單隱藏欄位。就是伺服器會自動修改表單，新增一個隱藏欄位，以便在表單提交時能夠把session id傳遞迴伺服器。比如下面的表單： 

 <form name="testform" action="/xxx"> 
 <input type="text"> 
 </form> 

　　在被傳遞給客戶端之前將被改寫成： 

<form name="testform" action="/xxx"> 
<input type="hidden" name="jsessionid" value="ByOK3vjFD75aPnrF7C2HmdnV6QZcEbzWoWiBYEnLerjQ99zWpBng!-145788764"> 
<input type="text"> 
</form> 

　　這種技術現在已較少應用，筆者接觸過的很古老的iPlanet6(SunONE應用伺服器的前身)就使用了這種技術。 

　　實際上這種技術可以簡單的用對action應用URL重寫來代替。 

　　在談論session機制的時候，常常聽到這樣一種誤解“只要關閉瀏覽器，session就消失了”。其實可以想象一下會員卡的例子，除非顧客主動對店家提出銷卡，否則店家絕對不會輕易刪除顧客的資料。對session來說也是一樣的，除非程式通知伺服器刪除一個session，否則伺服器會一直保留，程式一般都是在使用者做log off的時候發個指令去刪除session。然而瀏覽器從來不會主動在關閉之前通知伺服器它將要關閉，因此伺服器根本不會有機會知道瀏覽器已經關閉，之所以會有這種錯覺，是大部分session機制都使用會話cookie來儲存session id，而關閉瀏覽器後這個session id就消失了，再次連線伺服器時也就無法找到原來的session。如果伺服器設定的cookie被儲存到硬碟上，或者使用某種手段改寫瀏覽器發出的HTTP請求頭，把原來的session id傳送給伺服器，則再次開啟瀏覽器仍然能夠找到原來的session。 

　　恰恰是由於關閉瀏覽器不會導致session被刪除，迫使伺服器為seesion設定了一個失效時間，當距離客戶端上一次使用session的時間超過這個失效時間時，伺服器就可以認為客戶端已經停止了活動，才會把session刪除以節省儲存空間。 

　　五、理解javax.servlet.http.HttpSession 

　　HttpSession是Java平臺對session機制的實現規範，因為它僅僅是個介面，具體到每個web應用伺服器的提供商，除了對規範支援之外，仍然會有一些規範裡沒有規定的細微差異。這裡我們以BEA的Weblogic Server8.1作為例子來演示。 

　　首先，Weblogic Server提供了一系列的引數來控制它的HttpSession的實現，包括使用cookie的開關選項，使用URL重寫的開關選項，session持久化的設定，session失效時間的設定，以及針對cookie的各種設定，比如設定cookie的名字、路徑、域，cookie的生存時間等。 

　　一般情況下，session都是儲存在記憶體裡，當伺服器程式被停止或者重啟的時候，記憶體裡的session也會被清空，如果設定了session的持久化特性，伺服器就會把session儲存到硬碟上，當伺服器程式重新啟動或這些資訊將能夠被再次使用，Weblogic Server支援的永續性方式包括檔案、資料庫、客戶端cookie儲存和複製。 

　　複製嚴格說來不算持久化儲存，因為session實際上還是儲存在記憶體裡，不過同樣的資訊被複制到各個cluster內的伺服器程式中，這樣即使某個伺服器程式停止工作也仍然可以從其他程式中取得session。 

　　cookie生存時間的設定則會影響瀏覽器生成的cookie是否是一個會話cookie。預設是使用會話cookie。有興趣的可以用它來試驗我們在第四節裡提到的那個誤解。 

　　cookie的路徑對於web應用程式來說是一個非常重要的選項，Weblogic Server對這個選項的預設處理方式使得它與其他伺服器有明顯的區別。後面我們會專題討論。 

　　關於session的設定參考[5] http://e-docs.bea.com/wls/docs70/webapp/weblogic_xml.html#1036869 

　　六、HttpSession常見問題（在本小節中session的含義為⑤和⑥的混合） 

　　1、session在何時被建立 

　　一個常見的誤解是以為session在有客戶端訪問時就被建立，然而事實是直到某server端程式呼叫HttpServletRequest.getSession(true)這樣的語句時才被建立，注意如果JSP沒有顯示的使用 <%@page session="false"%> 關閉session，則JSP檔案在編譯成Servlet時將會自動加上這樣一條語句HttpSession session = HttpServletRequest.getSession(true);這也是JSP中隱含的session物件的來歷。 

　　由於session會消耗記憶體資源，因此，如果不打算使用session，應該在所有的JSP中關閉它。 

　　2、session何時被刪除 

　　綜合前面的討論，session在下列情況下被刪除a.程式呼叫HttpSession.invalidate();或b.距離上一次收到客戶端傳送的session id時間間隔超過了session的超時設定;或c.伺服器程式被停止（非持久session） 

　　3、如何做到在瀏覽器關閉時刪除session 

　　嚴格的講，做不到這一點。可以做一點努力的辦法是在所有的客戶端頁面裡使用javascript程式碼window.oncolose來監視瀏覽器的關閉動作，然後向伺服器傳送一個請求來刪除session。但是對於瀏覽器崩潰或者強行殺死程式這些非常規手段仍然無能為力。 

　　4、有個HttpSessionListener是怎麼回事 

　　你可以建立這樣的listener去監控session的建立和銷燬事件，使得在發生這樣的事件時你可以做一些相應的工作。注意是session的建立和銷燬動作觸發listener，而不是相反。類似的與HttpSession有關的listener還有HttpSessionBindingListener，HttpSessionActivationListener和HttpSessionAttributeListener。 

　　5、存放在session中的物件必須是可序列化的嗎 

　　不是必需的。要求物件可序列化只是為了session能夠在叢集中被複制或者能夠持久儲存或者在必要時server能夠暫時把session交換出記憶體。在Weblogic Server的session中放置一個不可序列化的物件在控制檯上會收到一個警告。我所用過的某個iPlanet版本如果session中有不可序列化的物件，在session銷燬時會有一個Exception，很奇怪。 

　　6、如何才能正確的應付客戶端禁止cookie的可能性 

　　對所有的URL使用URL重寫，包括超連結，form的action，和重定向的URL，具體做法參見[6] 

　　http://e-docs.bea.com/wls/docs70/webapp/sessions.html#100770 

　　7、開兩個瀏覽器視窗訪問應用程式會使用同一個session還是不同的session 

　　參見第三小節對cookie的討論，對session來說是隻認id不認人，因此不同的瀏覽器，不同的視窗開啟方式以及不同的cookie儲存方式都會對這個問題的答案有影響。 

　　8、如何防止使用者開啟兩個瀏覽器視窗操作導致的session混亂 

　　這個問題與防止表單多次提交是類似的，可以通過設定客戶端的令牌來解決。就是在伺服器每次生成一個不同的id返回給客戶端，同時儲存在session裡，客戶端提交表單時必須把這個id也返回伺服器，程式首先比較返回的id與儲存在session裡的值是否一致，如果不一致則說明本次操作已經被提交過了。可以參看《J2EE核心模式》關於表示層模式的部分。需要注意的是對於使用javascript window.open開啟的視窗，一般不設定這個id，或者使用單獨的id，以防主視窗無法操作，建議不要再window.open開啟的視窗裡做修改操作，這樣就可以不用設定。 

　　9、為什麼在Weblogic Server中改變session的值後要重新呼叫一次session.setValue 

　　做這個動作主要是為了在叢集環境中提示Weblogic Server session中的值發生了改變，需要向其他伺服器程式複製新的session值。 

　　10、為什麼session不見了 

　　排除session正常失效的因素之外，伺服器本身的可能性應該是微乎其微的，雖然筆者在iPlanet6SP1加若干補丁的Solaris版本上倒也遇到過；瀏覽器外掛的可能性次之，筆者也遇到過3721外掛造成的問題；理論上防火牆或者代理伺服器在cookie處理上也有可能會出現問題。 

　　出現這一問題的大部分原因都是程式的錯誤，最常見的就是在一個應用程式中去訪問另外一個應用程式。我們在下一節討論這個問題。 

　　七、跨應用程式的session共享 

　　常常有這樣的情況，一個大專案被分割成若干小專案開發，為了能夠互不干擾，要求每個小專案作為一個單獨的web應用程式開發，可是到了最後突然發現某幾個小專案之間需要共享一些資訊，或者想使用session來實現SSO(single sign on)，在session中儲存login的使用者資訊，最自然的要求是應用程式間能夠訪問彼此的session。 

　　然而按照Servlet規範，session的作用範圍應該僅僅限於當前應用程式下，不同的應用程式之間是不能夠互相訪問對方的session的。各個應用伺服器從實際效果上都遵守了這一規範，但是實現的細節卻可能各有不同，因此解決跨應用程式session共享的方法也各不相同。 

　　首先來看一下Tomcat是如何實現web應用程式之間session的隔離的，從Tomcat設定的cookie路徑來看，它對不同的應用程式設定的cookie路徑是不同的，這樣不同的應用程式所用的session id是不同的，因此即使在同一個瀏覽器視窗裡訪問不同的應用程式，傳送給伺服器的session id也可以是不同的。

 

　　根據這個特性，我們可以推測Tomcat中session的記憶體結構大致如下。

　　筆者以前用過的iPlanet也採用的是同樣的方式，估計SunONE與iPlanet之間不會有太大的差別。對於這種方式的伺服器，解決的思路很簡單，實際實行起來也不難。要麼讓所有的應用程式共享一個session id，要麼讓應用程式能夠獲得其他應用程式的session id。 

　　iPlanet中有一種很簡單的方法來實現共享一個session id，那就是把各個應用程式的cookie路徑都設為/（實際上應該是/NASApp，對於應用程式來講它的作用相當於根）。 

<session-info> 
<path>/NASApp</path> 
</session-info> 

　　需要注意的是，操作共享的session應該遵循一些程式設計約定，比如在session attribute名字的前面加上應用程式的字首，使得setAttribute("name", "neo")變成setAttribute("app1.name", "neo")，以防止名稱空間衝突，導致互相覆蓋。 

　　在Tomcat中則沒有這麼方便的選擇。在Tomcat版本3上，我們還可以有一些手段來共享session。對於版本4以上的Tomcat，目前筆者尚未發現簡單的辦法。只能藉助於第三方的力量，比如使用檔案、資料庫、JMS或者客戶端cookie，URL引數或者隱藏欄位等手段。 

　　我們再看一下Weblogic Server是如何處理session的。

　　從截圖畫面上可以看到Weblogic Server對所有的應用程式設定的cookie的路徑都是/，這是不是意味著在Weblogic Server中預設的就可以共享session了呢？然而一個小實驗即可證明即使不同的應用程式使用的是同一個session，各個應用程式仍然只能訪問自己所設定的那些屬性。這說明Weblogic Server中的session的記憶體結構可能如下：

　　對於這樣一種結構，在session機制本身上來解決session共享的問題應該是不可能的了。除了藉助於第三方的力量，比如使用檔案、資料庫、JMS或者客戶端cookie，URL引數或者隱藏欄位等手段，還有一種較為方便的做法，就是把一個應用程式的session放到ServletContext中，這樣另外一個應用程式就可以從ServletContext中取得前一個應用程式的引用。示例程式碼如下， 

　　應用程式A ：

context.setAttribute("appA", session); 

　　應用程式B ：

contextA = context.getContext("/appA"); 

HttpSession sessionA = (HttpSession)contextA.getAttribute("appA"); 

　　值得注意的是這種用法不可移植，因為根據ServletContext的JavaDoc，應用伺服器可以處於安全的原因對於context.getContext("/appA");返回空值，以上做法在Weblogic Server 8.1中通過。 

　　那麼Weblogic Server為什麼要把所有的應用程式的cookie路徑都設為/呢？原來是為了SSO，凡是共享這個session的應用程式都可以共享認證的資訊。一個簡單的實驗就可以證明這一點，修改首先登入的那個應用程式的描述符weblogic.xml，把cookie路徑修改為/appA訪問另外一個應用程式會重新要求登入，即使是反過來，先訪問cookie路徑為/的應用程式，再訪問修改過路徑的這個，雖然不再提示登入，但是登入的使用者資訊也會丟失。注意做這個實驗時認證方式應該使用FORM，因為瀏覽器和web伺服器對basic認證方式有其他的處理方式，第二次請求的認證不是通過session來實現的。具體請參看[7] secion 14.8 Authorization，你可以修改所附的示例程式來做這些試驗。 

　　八、總結 

　　session機制本身並不複雜，然而其實現和配置上的靈活性卻使得具體情況複雜多變。這也要求我們不能把僅僅某一次的經驗或者某一個瀏覽器，伺服器的經驗當作普遍適用的經驗，而是始終需要具體情況具體分析。 

　　感謝作者：郎雲鵬。