session的工作原理详细分析

session的工作原理
一、术语session 
在我的经验里,session这个词被滥用的程度大概仅次于transaction,更加有趣的是transaction与session在某些语境下的含义是相同的。 

session,中文经常翻译为会话,其本来的含义是指有始有终的一系列动作/消息,比如打电话时从拿起电话拨号到挂断电话这中间的一系列过程可以称之为一个session。有时候我们可以看到这样的话“在一个浏览器会话期间,...”,这里的会话一词用的就是其本义,是指从一个浏览器窗口打开到关闭这个期间①。最混乱的是“用户(客户端)在一次会话期间”这样一句话,它可能指用户的一系列动作(一般情况下是同某个具体目的相关的一系列动作,比如从登录到选购商品到结账登出这样一个网上购物的过程,有时候也被称为一个transaction),然而有时候也可能仅仅是指一次连接,也有可能是指含义①,其中的差别只能靠上下文来推断②。 

然而当session一词与网络协议相关联时,它又往往隐含了“面向连接”和/或“保持状态”这样两个含义,“面向连接”指的是在通信双方在通信之前要先建立一个通信的渠道,比如打电话,直到对方接了电话通信才能开始,与此相对的是写信,在你把信发出去的时候你并不能确认对方的地址是否正确,通信渠道不一定能建立,但对发信人来说,通信已经开始了。“保持状态”则是指通信的一方能够把一系列的消息关联起来,使得消息之间可以互相依赖,比如一个服务员能够认出再次光临的老顾客并且记得上次这个顾客还欠店里一块钱。这一类的例子有“一个TCP session”或者“一个POP3 session”③。 

而到了web服务器蓬勃发展的时代,session在web开发语境下的语义又有了新的扩展,它的含义是指一类用来在客户端与服务器之间保持状态的解决方案④。有时候session也用来指这种解决方案的存储结构,如“把xxx保存在session里”⑤。由于各种用于web开发的语言在一定程度上都提供了对这种解决方案的支持,所以在某种特定语言的语境下,session也被用来指代该语言的解决方案,比如经常把Java里提供的javax.servlet.http.HttpSession简称为session⑥。 

鉴于这种混乱已不可改变,本文中session一词的运用也会根据上下文有不同的含义,请大家注意分辨。 
在本文中,使用中文“浏览器会话期间”来表达含义①,使用“session机制”来表达含义④,使用“session”表达含义⑤,使用具体的“HttpSession”来表达含义⑥ 

二、HTTP协议与状态保持 
HTTP协议本身是无状态的,这与HTTP协议本来的目的是相符的,客户端只需要简单的向服务器请求下载某些文件,无论是客户端还是服务器都没有必要纪录彼此过去的行为,每一次请求之间都是独立的,好比一个顾客和一个自动售货机或者一个普通的(非会员制)大卖场之间的关系一样。 

然而聪明(或者贪心?)的人们很快发现如果能够提供一些按需生成的动态信息会使web变得更加有用,就像给有线电视加上点播功能一样。这种需求一方面迫使HTML逐步添加了表单、脚本、DOM等客户端行为,另一方面在服务器端则出现了CGI规范以响应客户端的动态请求,作为传输载体的HTTP协议也添加了文件上载、cookie这些特性。其中cookie的作用就是为了解决HTTP协议无状态的缺陷所作出的努力。至于后来出现的session机制则是又一种在客户端与服务器之间保持状态的解决方案。 

让我们用几个例子来描述一下cookie和session机制之间的区别与联系。笔者曾经常去的一家咖啡店有喝5杯咖啡免费赠一杯咖啡的优惠,然而一次性消费5杯咖啡的机会微乎其微,这时就需要某种方式来纪录某位顾客的消费数量。想象一下其实也无外乎下面的几种方案: 
1、该店的店员很厉害,能记住每位顾客的消费数量,只要顾客一走进咖啡店,店员就知道该怎么对待了。这种做法就是协议本身支持状态。 
2、发给顾客一张卡片,上面记录着消费的数量,一般还有个有效期限。每次消费时,如果顾客出示这张卡片,则此次消费就会与以前或以后的消费相联系起来。这种做法就是在客户端保持状态。 
3、发给顾客一张会员卡,除了卡号之外什么信息也不纪录,每次消费时,如果顾客出示该卡片,则店员在店里的纪录本上找到这个卡号对应的纪录添加一些消费信息。这种做法就是在服务器端保持状态。 

由于HTTP协议是无状态的,而出于种种考虑也不希望使之成为有状态的,因此,后面两种方案就成为现实的选择。具体来说cookie机制采用的是在客户端保持状态的方案,而session机制采用的是在服务器端保持状态的方案。同时我们也看到,由于采用服务器端保持状态的方案在客户端也需要保存一个标识,所以session机制可能需要借助于cookie机制来达到保存标识的目的,但实际上它还有其他选择。 

三、理解cookie机制 
cookie机制的基本原理就如上面的例子一样简单,但是还有几个问题需要解决:“会员卡”如何分发;“会员卡”的内容;以及客户如何使用“会员卡”。 

正统的cookie分发是通过扩展HTTP协议来实现的,服务器通过在HTTP的响应头中加上一行特殊的指示以提示浏览器按照指示生成相应的cookie。然而纯粹的客户端脚本如JavaScript或者VBScript也可以生成cookie。 

而cookie的使用是由浏览器按照一定的原则在后台自动发送给服务器的。浏览器检查所有存储的cookie,如果某个cookie所声明的作用范围大于等于将要请求的资源所在的位置,则把该cookie附在请求资源的HTTP请求头上发送给服务器。意思是麦当劳的会员卡只能在麦当劳的店里出示,如果某家分店还发行了自己的会员卡,那么进这家店的时候除了要出示麦当劳的会员卡,还要出示这家店的会员卡。 

cookie的内容主要包括:名字,值,过期时间,路径和域。 
其中域可以指定某一个域比如.google.com,相当于总店招牌,比如宝洁公司,也可以指定一个域下的具体某台机器比如www.google.com或者froogle.google.com,可以用飘柔来做比。 
路径就是跟在域名后面的URL路径,比如/或者/foo等等,可以用某飘柔专柜做比。 
路径与域合在一起就构成了cookie的作用范围。 
如果不设置过期时间,则表示这个cookie的生命期为浏览器会话期间,只要关闭浏览器窗口,cookie就消失了。这种生命期为浏览器会话期的cookie被称为会话cookie。会话cookie一般不存储在硬盘上而是保存在内存里,当然这种行为并不是规范规定的。如果设置了过期时间,浏览器就会把cookie保存到硬盘上,关闭后再次打开浏览器,这些cookie仍然有效直到超过设定的过期时间。 

存储在硬盘上的cookie可以在不同的浏览器进程间共享,比如两个IE窗口。而对于保存在内存里的cookie,不同的浏览器有不同的处理方式。对于IE,在一个打开的窗口上按Ctrl-N(或者从文件菜单)打开的窗口可以与原窗口共享,而使用其他方式新开的IE进程则不能共享已经打开的窗口的内存cookie;对于Mozilla Firefox0.8,所有的进程和标签页都可以共享同样的cookie。一般来说是用javascript的window.open打开的窗口会与原窗口共享内存cookie。浏览器对于会话cookie的这种只认cookie不认人的处理方式经常给采用session机制的web应用程序开发者造成很大的困扰。 

下面就是一个goolge设置cookie的响应头的例子 
HTTP/1.1 302 Found 
Location: http://www.google.com/intl/zh-CN/ 
Set-Cookie: PREF=ID=0565f77e132de138:NW=1:TM=1098082649M=1098082649:S=KaeaCFPo49RiA_d8; expires=Sun, 17-Jan-2038 19:14:07 GMT; path=/; domain=.google.com 
Content-Type: text/html 

这是使用HTTPLook这个HTTP Sniffer软件来俘获的HTTP通讯纪录的一部分 
浏览器在再次访问goolge的资源时自动向外发送cookie 
使用Firefox可以很容易的观察现有的cookie的值 
使用HTTPLook配合Firefox可以很容易的理解cookie的工作原理。 
IE也可以设置在接受cookie前询问 
这是一个询问接受cookie的对话框。 

四、理解session机制 
session机制是一种服务器端的机制,服务器使用一种类似于散列表的结构(也可能就是使用散列表)来保存信息。 

当程序需要为某个客户端的请求创建一个session的时候,服务器首先检查这个客户端的请求里是否已包含了一个session标识 - 称为session id,如果已包含一个session id则说明以前已经为此客户端创建过session,服务器就按照session id把这个session检索出来使用(如果检索不到,可能会新建一个),如果客户端请求不包含session id,则为此客户端创建一个session并且生成一个与此session相关联的session id,session id的值应该是一个既不会重复,又不容易被找到规律以仿造的字符串,这个session id将被在本次响应中返回给客户端保存。 

保存这个session id的方式可以采用cookie,这样在交互过程中浏览器可以自动的按照规则把这个标识发挥给服务器。一般这个cookie的名字都是类似于SEEESIONID,而。比如weblogic对于web应用程序生成的cookie,JSESSIONID=ByOK3vjFD75aPnrF7C2HmdnV6QZcEbzWoWiBYEnLerjQ99zWpBng!-145788764,它的名字就是JSESSIONID。 

由于cookie可以被人为的禁止,必须有其他机制以便在cookie被禁止时仍然能够把session id传递回服务器。经常被使用的一种技术叫做URL重写,就是把session id直接附加在URL路径的后面,附加方式也有两种,一种是作为URL路径的附加信息,表现形式为http://...../xxx;jsessionid=ByOK ... 99zWpBng!-145788764 
另一种是作为查询字符串附加在URL后面,表现形式为http://...../xxx?jsessionid=ByOK ... 99zWpBng!-145788764 
这两种方式对于用户来说是没有区别的,只是服务器在解析的时候处理的方式不同,采用第一种方式也有利于把session id的信息和正常程序参数区分开来。 
为了在整个交互过程中始终保持状态,就必须在每个客户端可能请求的路径后面都包含这个session id。 

另一种技术叫做表单隐藏字段。就是服务器会自动修改表单,添加一个隐藏字段,以便在表单提交时能够把session id传递回服务器。比如下面的表单 

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