spring boot高效能實現二維碼掃碼登入(上)——單伺服器版

冬子哥發表於2018-03-25

前言

　　目前網頁的主流登入方式是透過手機掃碼二維碼登入。我看了網上很多關於掃碼登入部落格後，發現基本思路大致是：開啟網頁，生成uuid，然後長連線請求後端並等待登入認證相應結果，而後端每個幾百毫秒會迴圈查詢資料庫或redis，當查詢到登入資訊後則響應長連線的請求。

然而，如果是小型應用則沒問題，如果使用者量，併發大則會出現非常嚴重的效能瓶頸。而問題的關鍵是使用了迴圈查詢資料庫或redis的方案。假設要最佳化這個方案可以使用java多執行緒的同步集合+CountDownLatch來解決。

一、環境

1.java 8(jdk1.8)

2.maven 3.3.9

3.spring boot 2.0

二、知識點

1.同步集合使用

2.CountDownLatch使用

3.http ajax

4.zxing二維碼生成

三、流程及實現原理

1.開啟網頁，透過ajax請求獲取二維碼圖片地址

2.頁面渲染二維碼圖片，並透過長連線請求，獲取後端的登入認證資訊

3.事先登入過APP的手機掃碼二維碼，然後APP請求伺服器端的API介面，把使用者認證資訊傳遞到伺服器中。

4.後端收到APP的請求後，喚醒長連線的等待執行緒，並把使用者認證資訊寫入session。

5.頁面得到長連線的響應，並跳轉到首頁。

整個流程圖下圖所示

四、程式碼編寫

pom.xml檔案如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
    xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <groupId>com.demo</groupId>
    <artifactId>auth</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <packaging>jar</packaging>

    <name>auth</name>
    <description>二維碼登入</description>

    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.0.0.RELEASE</version>
        <relativePath /> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>

    <properties>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <project.reporting.outputEncoding>UTF-8</project.reporting.outputEncoding>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-thymeleaf</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-devtools</artifactId>
            <scope>runtime</scope>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
        </dependency>

        <!-- zxing -->
        <dependency>
            <groupId>com.google.zxing</groupId>
            <artifactId>core</artifactId>
            <version>3.3.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.google.zxing</groupId>
            <artifactId>javase</artifactId>
            <version>3.3.0</version>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>commons-codec</groupId>
            <artifactId>commons-codec</artifactId>
        </dependency>

    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>


</project>

pom.xml

首先，參照《玩轉spring boot——簡單登入認證》完成簡單登入認證。在瀏覽器中輸入http://localhost:8080頁面時，由於未登入認證，則重定向到http://localhost:8080/login頁面

程式碼如下：

package com.demo.auth;

import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import javax.servlet.http.HttpSession;

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.InterceptorRegistration;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.InterceptorRegistry;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.WebMvcConfigurer;
import org.springframework.web.servlet.handler.HandlerInterceptorAdapter;

/**
 * 登入配置 部落格出處：http://www.cnblogs.com/GoodHelper/
 *
 */
@Configuration
public class WebSecurityConfig implements WebMvcConfigurer {

    /**
     * 登入session key
     */
    public final static String SESSION_KEY = "user";

    @Bean
    public SecurityInterceptor getSecurityInterceptor() {
        return new SecurityInterceptor();
    }

    public void addInterceptors(InterceptorRegistry registry) {
        InterceptorRegistration addInterceptor = registry.addInterceptor(getSecurityInterceptor());

        // 排除配置
        addInterceptor.excludePathPatterns("/error");
        addInterceptor.excludePathPatterns("/login");
        addInterceptor.excludePathPatterns("/login/**");
        // 攔截配置
        addInterceptor.addPathPatterns("/**");
    }

    private class SecurityInterceptor extends HandlerInterceptorAdapter {

        @Override
        public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler)
                throws Exception {
            HttpSession session = request.getSession();
            if (session.getAttribute(SESSION_KEY) != null)
                return true;

            // 跳轉登入
            String url = "/login";
            response.sendRedirect(url);
            return false;
        }
    }
}

其次，新建控制器類：MainController

/**
 * 控制器
 * 
 * @author 劉冬部落格http://www.cnblogs.com/GoodHelper
 *
 */
@Controller
public class MainController {

    @GetMapping({ "/", "index" })
    public String index(Model model, @SessionAttribute(WebSecurityConfig.SESSION_KEY) String user) {
        model.addAttribute("user", user);
        return "index";
    }

    @GetMapping("login")
    public String login() {
        return "login";
    }
}

新建兩個html頁面：index.html和login.html

<!DOCTYPE html>
<html xmlns:th="http://www.thymeleaf.org">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>二維碼登入</title>
</head>
<body>
    <h1>二維碼登入</h1>
    <h4>
        <a target="_blank" href="http://www.cnblogs.com/GoodHelper/">from
            劉冬的部落格</a>
    </h4>
    <h3 th:text="'登入使用者：' + ${user}"></h3>
</body>
</html>

<!DOCTYPE html>
<html xmlns:th="http://www.thymeleaf.org">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>二維碼登入</title>
<script src="//cdn.bootcss.com/angular.js/1.5.6/angular.min.js"></script>
<script type="text/javascript">
    /*<![CDATA[*/
    var app = angular.module('app', []);
    app.controller('MainController', function($rootScope, $scope, $http) {
        //二維碼圖片src
        $scope.src = null;

        //獲取二維碼
        $scope.getQrCode = function() {
            $http.get('/login/getQrCode').success(function(data) {
                if (!data || !data.loginId || !data.image)
                    return;
                $scope.src = 'data:image/png;base64,' + data.image
                $scope.getResponse(data.loginId)
            });
        }

        //獲取登入響應
        $scope.getResponse = function(loginId) {
            $http.get('/login/getResponse/' + loginId).success(function(data) {
                //一秒後，重新獲取登入二維碼
                if (!data || !data.success) {
                    setTimeout($scope.getQrCode(), 1000);
                    return;
                }

                //登入成功，進去首頁
                location.href = '/'

            }).error(function(data, status) {
                console.log(data)
                console.log(status)
                //一秒後，重新獲取登入二維碼
                setTimeout($scope.getQrCode(), 1000);
            })
        }

        $scope.getQrCode();

    });
    /*]]>*/
</script>
</head>
<body ng-app="app" ng-controller="MainController">
    <h1>掃碼登入</h1>
    <h4>
        <a target="_blank" href="http://www.cnblogs.com/GoodHelper/">from
            劉冬的部落格</a>
    </h4>
    <img ng-show="src" ng-src="{{src}}" />
</body>
</html>

然後新建一個承載登入資訊的類：LoginResponse

package com.demo.auth;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * 登入資訊承載類
 * 
 * @author 劉冬部落格http://www.cnblogs.com/GoodHelper
 *
 */
public class LoginResponse {

    public CountDownLatch latch;

    public String user;

    // 省略 get set
}

最後修改MainController類，最終的程式碼如下：

package com.demo.auth;

import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.util.HashMap;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

import javax.imageio.ImageIO;
import javax.servlet.http.HttpSession;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.ui.Model;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.PathVariable;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.SessionAttribute;

import com.google.zxing.BarcodeFormat;
import com.google.zxing.EncodeHintType;
import com.google.zxing.MultiFormatWriter;
import com.google.zxing.common.BitMatrix;
import com.google.zxing.qrcode.decoder.ErrorCorrectionLevel;

/**
 * 控制器
 * 
 * @author 劉冬部落格http://www.cnblogs.com/GoodHelper
 *
 */
@Controller
public class MainController {

    /**
     * 儲存登入狀態
     */
    private Map<String, LoginResponse> loginMap = new ConcurrentHashMap<>();

    @GetMapping({ "/", "index" })
    public String index(Model model, @SessionAttribute(WebSecurityConfig.SESSION_KEY) String user) {
        model.addAttribute("user", user);
        return "index";
    }

    @GetMapping("login")
    public String login() {
        return "login";
    }

    /**
     * 獲取二維碼
     * 
     * @return
     */
    @GetMapping("login/getQrCode")
    public @ResponseBody Map<String, Object> getQrCode() throws Exception {
        Map<String, Object> result = new HashMap<>();
        result.put("loginId", UUID.randomUUID());

        // app端登入地址
        String loginUrl = "http://localhost:8080/login/setUser/loginId/";
        result.put("loginUrl", loginUrl);
        result.put("image", createQrCode(loginUrl));
        return result;
    }

    /**
     * app二維碼登入地址，這裡為了測試才傳{user},實際專案中user是透過其他方式傳值
     * 
     * @param loginId
     * @param user
     * @return
     */
    @GetMapping("login/setUser/{loginId}/{user}")
    public @ResponseBody Map<String, Object> setUser(@PathVariable String loginId, @PathVariable String user) {
        if (loginMap.containsKey(loginId)) {
            LoginResponse loginResponse = loginMap.get(loginId);

            // 賦值登入使用者
            loginResponse.user = user;

            // 喚醒登入等待執行緒
            loginResponse.latch.countDown();
        }

        Map<String, Object> result = new HashMap<>();
        result.put("loginId", loginId);
        result.put("user", user);
        return result;
    }

    /**
     * 等待二維碼掃碼結果的長連線
     * 
     * @param loginId
     * @param session
     * @return
     */
    @GetMapping("login/getResponse/{loginId}")
    public @ResponseBody Map<String, Object> getResponse(@PathVariable String loginId, HttpSession session) {
        Map<String, Object> result = new HashMap<>();
        result.put("loginId", loginId);
        try {
            LoginResponse loginResponse = null;
            if (!loginMap.containsKey(loginId)) {
                loginResponse = new LoginResponse();
                loginMap.put(loginId, loginResponse);
            } else
                loginResponse = loginMap.get(loginId);

            // 第一次判斷
            // 判斷是否登入,如果已登入則寫入session
            if (loginResponse.user != null) {
                session.setAttribute(WebSecurityConfig.SESSION_KEY, loginResponse.user);
                result.put("success", true);
                return result;
            }

            if (loginResponse.latch == null) {
                loginResponse.latch = new CountDownLatch(1);
            }
            try {
                // 執行緒等待
                loginResponse.latch.await(5, TimeUnit.MINUTES);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 再次判斷
            // 判斷是否登入,如果已登入則寫入session
            if (loginResponse.user != null) {
                session.setAttribute(WebSecurityConfig.SESSION_KEY, loginResponse.user);
                result.put("success", true);
                return result;
            }

            result.put("success", false);
            return result;
        } finally {
            // 移除登入請求
            if (loginMap.containsKey(loginId))
                loginMap.remove(loginId);
        }
    }

    /**
     * 生成base64二維碼
     * 
     * @param content
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private String createQrCode(String content) throws Exception {
        try (ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream()) {
            Hashtable<EncodeHintType, Object> hints = new Hashtable<EncodeHintType, Object>();
            hints.put(EncodeHintType.ERROR_CORRECTION, ErrorCorrectionLevel.H);
            hints.put(EncodeHintType.CHARACTER_SET, "utf-8");
            hints.put(EncodeHintType.MARGIN, 1);
            BitMatrix bitMatrix = new MultiFormatWriter().encode(content, BarcodeFormat.QR_CODE, 400, 400, hints);
            int width = bitMatrix.getWidth();
            int height = bitMatrix.getHeight();
            BufferedImage image = new BufferedImage(width, height, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
            for (int x = 0; x < width; x++) {
                for (int y = 0; y < height; y++) {
                    image.setRGB(x, y, bitMatrix.get(x, y) ? 0xFF000000 : 0xFFFFFFFF);
                }
            }
            ImageIO.write(image, "JPG", out);
            return Base64.encodeBase64String(out.toByteArray());
        }
    }

}

其中，使用 Map<String, LoginResponse> loginMap類儲存登入請求資訊

createQrCode方法是用於生成二維碼

getQrCode方法是給頁面返回登入uuid和二維碼，前端頁面拿到登入uuid後請求長連線等待二維碼的掃碼登入結果。

setUser方法是提供給APP端呼叫的，在此過程中透過uuid找到對應的CountDownLatch，並喚醒長連線的執行緒。而這裡是為了做演示才把這個方法放到這個類裡，在實際專案中，此方法不一定在這個類裡或未必在同一個後端中。另外我把使用者資訊的傳遞也寫在這個方法中了，而實際專案是透過其他的方式來傳遞使用者資訊，這裡僅僅是為了演示方便。

getResponse方法是處理ajax的長連線，並使用CountDownLatch等待APP端來喚醒這個執行緒，然後把使用者資訊寫入session。

入口類App.java

package com.demo.auth;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class App {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(App.class, args);
    }
}

專案結構如下圖所示：

五、總結

開啟瀏覽器輸入http://localhost:8080。執行效果如下圖所以：

使用CountDownLatch則避免了每隔500毫秒讀一次資料庫或redis的頻繁查詢效能問題。因為操作的是記憶體資料，所以效能非常高。

而CountDownLatch是java多執行緒中非常實用的類，二維碼掃碼登入就是一個具有代表意義的應用場景。當然，如果你不嫌程式碼量大也可以用wait+notify來實現。另在java.util.concurrent包下，也有很多的多執行緒類能到達同樣的目的，我這裡就不一一例舉了。

根據園友的建議，我發現本篇文章裡的執行緒阻塞是設計缺陷，所以不迴圈查詢資料庫或redis裡，但一臺伺服器的執行緒數是有限的。在下篇我會改進這個設計

程式碼下載

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