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一直以来我都想写一写Spring Security系列的文章,但是整个Spring Security体系强大却又繁杂。陆陆续续从最开始的guides接触它,到项目中看了一些源码,到最近这个月为了写一写这个系列的文章,阅读了好几遍文档,最终打算尝试一下,写一个较为完整的系列文章。

较为简单或者体量较小的技术,完全可以参考着demo直接上手,但系统的学习一门技术则不然。以我的认知,一般的文档大致有两种风格:Architecture First和Code First。前者致力于让读者先了解整体的架构,方便我们对自己的认知有一个宏观的把控,而后者以特定的demo配合讲解,可以让读者在解决问题的过程中顺便掌握一门技术。关注过我博客或者公众号的朋友会发现,我之前介绍技术的文章,大多数是Code First,提出一个需求,介绍一个思路,解决一个问题,分析一下源码,大多如此。而学习一个体系的技术,我推荐Architecture First,正如本文标题所言,这篇文章是我Spring Security系列的第一篇,主要是根据Spring Security文档选择性翻译整理而成的一个架构概览,配合自己的一些注释方便大家理解。写作本系列文章时,参考版本为Spring Security 4.2.3.RELEASE。

1 核心组件

这一节主要介绍一些在Spring Security中常见且核心的Java类,它们之间的依赖,构建起了整个框架。想要理解整个架构,最起码得对这些类眼熟。

1.1 SecurityContextHolder

SecurityContextHolder用于存储安全上下文(security context)的信息。当前操作的用户是谁,该用户是否已经被认证,他拥有哪些角色权限…这些都被保存在SecurityContextHolder中。SecurityContextHolder默认使用ThreadLocal 策略来存储认证信息。看到ThreadLocal 也就意味着,这是一种与线程绑定的策略。Spring Security在用户登录时自动绑定认证信息到当前线程,在用户退出时,自动清除当前线程的认证信息。但这一切的前提,是你在web场景下使用Spring Security,而如果是Swing界面,Spring也提供了支持,SecurityContextHolder的策略则需要被替换,鉴于我的初衷是基于web来介绍Spring Security,所以这里以及后续,非web的相关的内容都一笔带过。

获取当前用户的信息

因为身份信息是与线程绑定的,所以可以在程序的任何地方使用静态方法获取用户信息。一个典型的获取当前登录用户的姓名的例子如下所示:

Object principal = SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication().getPrincipal();

if (principal instanceof UserDetails) {
String username = ((UserDetails)principal).getUsername();
} else {
String username = principal.toString();
}

getAuthentication()返回了认证信息,再次getPrincipal()返回了身份信息,UserDetails便是Spring对身份信息封装的一个接口。Authentication和UserDetails的介绍在下面的小节具体讲解,本节重要的内容是介绍SecurityContextHolder这个容器。

1.2 Authentication

先看看这个接口的源码长什么样:

package org.springframework.security.core;// <1>

public interface Authentication extends Principal, Serializable { // <1>
Collection<? extends GrantedAuthority> getAuthorities(); // <2>

Object getCredentials();// <2>

Object getDetails();// <2>

Object getPrincipal();// <2>

boolean isAuthenticated();// <2>

void setAuthenticated(boolean var1) throws IllegalArgumentException;
}

<1> Authentication是spring security包中的接口,直接继承自Principal类,而Principal是位于java.security包中的。可以见得,Authentication在spring security中是最高级别的身份/认证的抽象。

<2> 由这个顶级接口,我们可以得到用户拥有的权限信息列表,密码,用户细节信息,用户身份信息,认证信息。

还记得1.1节中,authentication.getPrincipal()返回了一个Object,我们将Principal强转成了Spring Security中最常用的UserDetails,这在Spring Security中非常常见,接口返回Object,使用instanceof判断类型,强转成对应的具体实现类。接口详细解读如下:

  • getAuthorities(),权限信息列表,默认是GrantedAuthority接口的一些实现类,通常是代表权限信息的一系列字符串。
  • getCredentials(),密码信息,用户输入的密码字符串,在认证过后通常会被移除,用于保障安全。
  • getDetails(),细节信息,web应用中的实现接口通常为 WebAuthenticationDetails,它记录了访问者的ip地址和sessionId的值。
  • getPrincipal(),敲黑板!!!最重要的身份信息,大部分情况下返回的是UserDetails接口的实现类,也是框架中的常用接口之一。UserDetails接口将会在下面的小节重点介绍。

Spring Security是如何完成身份认证的?

1 用户名和密码被过滤器获取到,封装成Authentication,通常情况下是UsernamePasswordAuthenticationToken这个实现类。

2 AuthenticationManager 身份管理器负责验证这个Authentication

3 认证成功后,AuthenticationManager身份管理器返回一个被填充满了信息的(包括上面提到的权限信息,身份信息,细节信息,但密码通常会被移除)Authentication实例。

4 SecurityContextHolder安全上下文容器将第3步填充了信息的Authentication,通过SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(…)方法,设置到其中。

这是一个抽象的认证流程,而整个过程中,如果不纠结于细节,其实只剩下一个AuthenticationManager 是我们没有接触过的了,这个身份管理器我们在后面的小节介绍。将上述的流程转换成代码,便是如下的流程:

public class AuthenticationExample {
private static AuthenticationManager am = new SampleAuthenticationManager();

public static void main(String[] args) throws Exception {
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

while(true) {
System.out.println("Please enter your username:");
String name = in.readLine();
System.out.println("Please enter your password:");
String password = in.readLine();
try {
Authentication request = new UsernamePasswordAuthenticationToken(name, password);
Authentication result = am.authenticate(request);
SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(result);
break;
} catch(AuthenticationException e) {
System.out.println("Authentication failed: " + e.getMessage());
}
}
System.out.println("Successfully authenticated. Security context contains: " +
SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication());
}
}

class SampleAuthenticationManager implements AuthenticationManager {
static final List<GrantedAuthority> AUTHORITIES = new ArrayList<GrantedAuthority>();

static {
AUTHORITIES.add(new SimpleGrantedAuthority("ROLE_USER"));
}

public Authentication authenticate(Authentication auth) throws AuthenticationException {
if (auth.getName().equals(auth.getCredentials())) {
return new UsernamePasswordAuthenticationToken(auth.getName(),
auth.getCredentials(), AUTHORITIES);
}
throw new BadCredentialsException("Bad Credentials");
}
}

注意:上述这段代码只是为了让大家了解Spring Security的工作流程而写的,不是什么源码。在实际使用中,整个流程会变得更加的复杂,但是基本思想,和上述代码如出一辙。

1.3 AuthenticationManager

初次接触Spring Security的朋友相信会被AuthenticationManagerProviderManagerAuthenticationProvider …这么多相似的Spring认证类搞得晕头转向,但只要稍微梳理一下就可以理解清楚它们的联系和设计者的用意。AuthenticationManager(接口)是认证相关的核心接口,也是发起认证的出发点,因为在实际需求中,我们可能会允许用户使用用户名+密码登录,同时允许用户使用邮箱+密码,手机号码+密码登录,甚至,可能允许用户使用指纹登录(还有这样的操作?没想到吧),所以说AuthenticationManager一般不直接认证,AuthenticationManager接口的常用实现类ProviderManager 内部会维护一个List<AuthenticationProvider>列表,存放多种认证方式,实际上这是委托者模式的应用(Delegate)。也就是说,核心的认证入口始终只有一个:AuthenticationManager,不同的认证方式:用户名+密码(UsernamePasswordAuthenticationToken),邮箱+密码,手机号码+密码登录则对应了三个AuthenticationProvider。这样一来四不四就好理解多了?熟悉shiro的朋友可以把AuthenticationProvider理解成Realm。在默认策略下,只需要通过一个AuthenticationProvider的认证,即可被认为是登录成功。

只保留了关键认证部分的ProviderManager源码:

public class ProviderManager implements AuthenticationManager, MessageSourceAware,
InitializingBean {

// 维护一个AuthenticationProvider列表
private List<AuthenticationProvider> providers = Collections.emptyList();

public Authentication authenticate(Authentication authentication)
throws AuthenticationException {
Class<? extends Authentication> toTest = authentication.getClass();
AuthenticationException lastException = null;
Authentication result = null;

// 依次认证
for (AuthenticationProvider provider : getProviders()) {
if (!provider.supports(toTest)) {
continue;
}
try {
result = provider.authenticate(authentication);

if (result != null) {
copyDetails(authentication, result);
break;
}
}
...
catch (AuthenticationException e) {
lastException = e;
}
}
// 如果有Authentication信息,则直接返回
if (result != null) {
if (eraseCredentialsAfterAuthentication
&& (result instanceof CredentialsContainer)) {
//移除密码
((CredentialsContainer) result).eraseCredentials();
}
//发布登录成功事件
eventPublisher.publishAuthenticationSuccess(result);
return result;
}
...
//执行到此,说明没有认证成功,包装异常信息
if (lastException == null) {
lastException = new ProviderNotFoundException(messages.getMessage(
"ProviderManager.providerNotFound",
new Object[] { toTest.getName() },
"No AuthenticationProvider found for {0}"));
}
prepareException(lastException, authentication);
throw lastException;
}
}

ProviderManager 中的List,会依照次序去认证,认证成功则立即返回,若认证失败则返回null,下一个AuthenticationProvider会继续尝试认证,如果所有认证器都无法认证成功,则ProviderManager 会抛出一个ProviderNotFoundException异常。

到这里,如果不纠结于AuthenticationProvider的实现细节以及安全相关的过滤器,认证相关的核心类其实都已经介绍完毕了:身份信息的存放容器SecurityContextHolder,身份信息的抽象Authentication,身份认证器AuthenticationManager及其认证流程。姑且在这里做一个分隔线。下面来介绍下AuthenticationProvider接口的具体实现。

1.4 DaoAuthenticationProvider

AuthenticationProvider最最最常用的一个实现便是DaoAuthenticationProvider。顾名思义,Dao正是数据访问层的缩写,也暗示了这个身份认证器的实现思路。由于本文是一个Overview,姑且只给出其UML类图:

DaoAuthenticationProvider UMLDaoAuthenticationProvider UML

按照我们最直观的思路,怎么去认证一个用户呢?用户前台提交了用户名和密码,而数据库中保存了用户名和密码,认证便是负责比对同一个用户名,提交的密码和保存的密码是否相同便是了。在Spring Security中。提交的用户名和密码,被封装成了UsernamePasswordAuthenticationToken,而根据用户名加载用户的任务则是交给了UserDetailsService,在DaoAuthenticationProvider中,对应的方法便是retrieveUser,虽然有两个参数,但是retrieveUser只有第一个参数起主要作用,返回一个UserDetails。还需要完成UsernamePasswordAuthenticationToken和UserDetails密码的比对,这便是交给additionalAuthenticationChecks方法完成的,如果这个void方法没有抛异常,则认为比对成功。比对密码的过程,用到了PasswordEncoder和SaltSource,密码加密和盐的概念相信不用我赘述了,它们为保障安全而设计,都是比较基础的概念。

如果你已经被这些概念搞得晕头转向了,不妨这么理解DaoAuthenticationProvider:它获取用户提交的用户名和密码,比对其正确性,如果正确,返回一个数据库中的用户信息(假设用户信息被保存在数据库中)。

1.5 UserDetails与UserDetailsService

上面不断提到了UserDetails这个接口,它代表了最详细的用户信息,这个接口涵盖了一些必要的用户信息字段,具体的实现类对它进行了扩展。

public interface UserDetails extends Serializable {

Collection<? extends GrantedAuthority> getAuthorities();

String getPassword();

String getUsername();

boolean isAccountNonExpired();

boolean isAccountNonLocked();

boolean isCredentialsNonExpired();

boolean isEnabled();
}

它和Authentication接口很类似,比如它们都拥有username,authorities,区分他们也是本文的重点内容之一。Authentication的getCredentials()与UserDetails中的getPassword()需要被区分对待,前者是用户提交的密码凭证,后者是用户正确的密码,认证器其实就是对这两者的比对。Authentication中的getAuthorities()实际是由UserDetails的getAuthorities()传递而形成的。还记得Authentication接口中的getUserDetails()方法吗?其中的UserDetails用户详细信息便是经过了AuthenticationProvider之后被填充的。

public interface UserDetailsService {
UserDetails loadUserByUsername(String username) throws UsernameNotFoundException;
}

UserDetailsService和AuthenticationProvider两者的职责常常被人们搞混,关于他们的问题在文档的FAQ和issues中屡见不鲜。记住一点即可,敲黑板!!!UserDetailsService只负责从特定的地方(通常是数据库)加载用户信息,仅此而已,记住这一点,可以避免走很多弯路。UserDetailsService常见的实现类有JdbcDaoImpl,InMemoryUserDetailsManager,前者从数据库加载用户,后者从内存中加载用户,也可以自己实现UserDetailsService,通常这更加灵活。

1.6 架构概览图

为了更加形象的理解上述我介绍的这些核心类,附上一张按照我的理解,所画出Spring Security的一张非典型的UML图

架构概览图架构概览图

如果对Spring Security的这些概念感到理解不能,不用担心,因为这是Architecture First导致的必然结果,先过个眼熟。后续的文章会秉持Code First的理念,陆续详细地讲解这些实现类的使用场景,源码分析,以及最基本的:如何配置Spring Security,在后面的文章中可以不时翻看这篇文章,找到具体的类在整个架构中所处的位置,这也是本篇文章的定位。另外,一些Spring Security的过滤器还未囊括在架构概览中,如将表单信息包装成UsernamePasswordAuthenticationToken的过滤器,考虑到这些虽然也是架构的一部分,但是真正重写他们的可能性较小,所以打算放到后面的章节讲解。

666. 彩蛋

如果你对 Spring Security 感兴趣,欢迎加入我的知识一起交流。

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文章目录
  1. 1. 1 核心组件
    1. 1.0.1. 1.1 SecurityContextHolder
      1. 1.0.1.1. 获取当前用户的信息
    2. 1.0.2. 1.2 Authentication
      1. 1.0.2.1. Spring Security是如何完成身份认证的?
    3. 1.0.3. 1.3 AuthenticationManager
    4. 1.0.4. 1.4 DaoAuthenticationProvider
    5. 1.0.5. 1.5 UserDetails与UserDetailsService
    6. 1.0.6. 1.6 架构概览图
  • 2. 666. 彩蛋