剖析Python的Tornado框架中session支持的实现代码

项目地址：tornado-memcached-sessions

让我们先从 demo 看起....

app.py 中：
首先可以注意到，这里定义了一个新的 Application 类，继承于 tornado.web.Application, 在该类的初始化方法中，设定了应用参数 settings, 之后初始化父类和 session_manager.（这是什么？暂时不管它...）

class Application(tornado.web.Application): 
  def __init__(self): 
    settings = dict( 
      # 设定 COOKIE_secret, 用于 secure_COOKIE 
      COOKIE_secret = "e446976943b4e8442f099fed1f3fea28462d5832f483a0ed9a3d5d3859f==78d", 
      # 设定 session_secret 用于生成 session_id 
      session_secret = "3cdcb1f00803b6e78ab50b466a40b9977db396840c28307f428b25e2277f1bcc", 
      # memcached 地址 
      memcached_address = ["127.0.0.1:11211"], 
      # session 过期时间 
      session_timeout = 60, 
      template_path = os.path.join(os.path.dirname(__file__), "templates"), 
      static_path = os.path.join(os.path.dirname(__file__), "static"), 
      xsrf_COOKIEs = True, 
      login_url = "/login", 
    ) 
 
    handlers = [ 
      (r"/", MainHandler), 
      (r"/login", LoginHandler) 
    ] 
 
    # 初始化父类 tornado.web.Application 
    tornado.web.Application.__init__(self, handlers, **settings) 
    # 初始化该类的 session_manager 
    self.session_manager = session.SessionManager(settings["session_secret"], settings["memcached_address"], settings["session_timeout"]) 

在下面的 LoginHandler 中我们可以看到 session 的使用：

class LoginHandler(BaseHandler): 
  def get(self): 
    self.render("login.html") 
 
  def post(self): 
    # 以字典的键值对形式存取 
    self.session["user_name"] = self.get_argument("name") 
    # 修改完要调用 session 的 save, 否则等于没有修改哦... 
    self.session.save() 
    self.redirect("/") 

从使用来看是不是非常简洁和清晰？那么，细心的你是不是发现现在的 handler 没有继承于 tornado.web.RequestHandler？带着强烈的探（zuo）索（si）精神我们打开了 base.py。天啊，好短....（噢，你想到哪里去了...）
BaseHandler 的方法只是初始化，并重写了 get_current_user 的用于用户登录验证的方法。

class BaseHandler(tornado.web.RequestHandler): 
  def __init__(self, *argc, **argkw): 
    super(BaseHandler, self).__init__(*argc, **argkw) 
    # 定义 handler 的 session, 注意，根据 HTTP 特点，每次访问都会初始化一个 Session 实例哦，这对于你后面的理解很重要 
    self.session = session.Session(self.application.session_manager, self) 
 
  # 这是干嘛的？用于验证登录...请 google 关于 tornado.web.authenticated, 其实就是 tornado 提供的用户验证 
  def get_current_user(self): 
    return self.session.get("user_name") 

看到这里，是不是心满意足？噢，我终于理解了！。。。喂，说好的探（zuo）索（si）精神呢？关键在于 session.py 啊！你一脸茫然地回过了头....

首先看看需要的库：
pickle 一个用于序列化反序列化的库（听不懂？你直接看成和 json 一样作用就行了...）
hmac 和 hashlib 用于生成加密字符串
uuid 用于生成一个唯一 id
memcache Python 的 memcache 客户端

这里面有三个类，SessionData Session 和 SessionManager。先看最简单的 SessionData。
SessionData 用于以字典的结构存储 session 数据，继承于字典，其实只比字典多了两个成员变量：

# 继承字典，因为 session 的存取类似于字典 
class SessionData(dict): 
  # 初始化时提供 session id 和 hmac_key 
  def __init__(self, session_id, hmac_key): 
    self.session_id = session_id 
    self.hmac_key = hmac_key 

然后就是真正的 Session 类了。Session 类继承于 SessionData, 注意，它还是十分像内置类型字典，只是重写了自己的初始化方法，并定义了 save 接口——用于保存修改后的 session 数据。

# 继承 SessionData 类 
class Session(SessionData): 
  # 初始化，绑定 session_manager 和 tornado 的对应 handler 
  def __init__(self, session_manager, request_handler): 
    self.session_manager = session_manager 
    self.request_handler = request_handler 
 
    try: 
      # 正常是获取该 session 的所有数据，以 SessionData 的形式保存 
      current_session = session_manager.get(request_handler) 
    except InvalidSessionException: 
      # 如果是第一次访问会抛出异常，异常的时候是获取了一个空的 SessionData 对象,里面没有数据，但包含新生成的 
      # session_id 和 hmac_key 
      current_session = session_manager.get() 
 
    # 取出 current_session 中的数据，以键值对的形式迭代存下 
    for key, data in current_session.iteritems(): 
      self[key] = data 
 
    # 保存下 session_id 
    self.session_id = current_session.session_id 
    # 以及对应的 hmac_key 
    self.hmac_key = current_session.hmac_key 
 
  # 定义 save 方法，用于 session 修改后的保存，实际调用 session_manager 的 set 方法 
  def save(self): 
    self.session_manager.set(self.request_handler, self) 

__init__ 方法比较难理解，基本流程是定义自己的 session_manager 和 handler 处理对象。然后通过 session_manager 获得已有的 session 数据，用这些数据初始化一个访问的用户的 session, 如果用户是第一次访问，那么他拿到的是一个新的 SessionData 对象，因为有可能是新用户，所以这里要对 session_id 和 hmac_key（什么鬼） 进行赋值。
而 save 方法是提供了对修改 session 数据后的保存接口，实际是调用 session_manager 的 set 方法，具体实现先不考虑。

看到这两个类，你就应该对 session 的工作有基本理解，可以从用户访问的流程来考虑。注意 BaseHandler 这个入口，每个用户的访问都是一次 HTTP 请求。当用户第一次访问或者上一次的 session 过期了，这时用户访问时 tornado 建立了一个 handler 对象（该 handler 一定继承于 BaseHandler），并且在初始化时建立了一个 session 对象，因为是新访问，所以目前 session 里面没有数据，在之后采用 键/值 对的形式读写 session（不要忘了 Session 具有字典的所有操作），修改后通过 save 方法保存 session。如果用户不是新访问，那么也是按照上述的流程，不过 session 初始化时把 之前的数据取出来保存在该实例中。当用户结束访问，HTTP 断开连接，handler 实例销毁，session 实例销毁（注意，是实例销毁，不是数据销毁）。

下面准备讲 SessionManager 是吧，来～一个一个函数看～

首先是初始化，设置密钥， memcache 地址，session 超时时间。

# 初始化需要一个用于 session 加密的 secret, memcache 地址, session 的过期时间 
def __init__(self, secret, memcached_address, session_timeout): 
  self.secret = secret 
  self.memcached_address = memcached_address 
  self.session_timeout = session_timeout 

接着是 _fetch 方法，以 session_id 为键从 memcached 中取出数据，并用 pickle 反序列化解析数据：

# 该方法用 session_id 从 memcache 中取出数据 
def _fetch(self, session_id): 
  try: 
    # 连接 memcache 服务器 
    mc = memcache.Client(self.memcached_address, debug=0) 
    # 获取数据 
    session_data = raw_data = mc.get(session_id) 
    if raw_data != None: 
      # 为了重新刷新 timeout 
      mc.replace(session_id, raw_data, self.session_timeout, 0) 
      # 反序列化 
      session_data = pickle.loads(raw_data) 
    # 如果拿到的数据是字典形式，才进行返回 
    if type(session_data) == type({}): 
      return session_data 
    else: 
      return {} 
  except IOError: 
    return {} 

get 经过安全检查后，以 SessionData 的形式返回 memcached 的数据（调用了 _fetch）方法。

def get(self, request_handler = None): 
 
  # 获取对应的 session_id 和 hmac_key 
  if (request_handler == None): 
    session_id = None 
    hmac_key = None 
  else: 
    # session 的基础还是靠 COOKIE 
    session_id = request_handler.get_secure_COOKIE("session_id") 
    hmac_key = request_handler.get_secure_COOKIE("verification") 
 
  # session_id 不存在的时候则生成一个新的 session_id 和 hmac_key 
  if session_id == None: 
    session_exists = False 
    session_id = self._generate_id() 
    hmac_key = self._generate_hmac(session_id) 
  else: 
    session_exists = True 
 
  # 检查 hmac_key 
  check_hmac = self._generate_hmac(session_id) 
  # 不通过则抛出异常 
  if hmac_key != check_hmac: 
    raise InvalidSessionException() 
 
  # 新建 SessionData 对象 
  session = SessionData(session_id, hmac_key) 
 
  if session_exists: 
    # 通过 _fetch 方法获取 memcache 中该 session 的所有数据 
    session_data = self._fetch(session_id) 
    for key, data in session_data.iteritems(): 
      session[key] = data 
 
  return session 

至于 set 方法，是为了更新 memcached 的数据。

# 设置新的 session,需要设置 handler 的 COOKIE 和 memcache 客户端 
def set(self, request_handler, session): 
  # 设置浏览器的 COOKIE 
  request_handler.set_secure_COOKIE("session_id", session.session_id) 
  request_handler.set_secure_COOKIE("verification", session.hmac_key) 
  # 用 pickle 进行序列化 
  session_data = pickle.dumps(dict(session.items()), pickle.HIGHEST_PROTOCOL) 
  # 连接 memcache 服务器 
  mc = memcache.Client(self.memcached_address, debug=0) 
  # 写入 memcache 
  mc.set(session.session_id, session_data, self.session_timeout, 0) 

最后的两个函数，一个是生成 session_id，另一个用 session_id 与密钥加密后生成一个加密字符串，用于验证。

# 生成 session_id 
def _generate_id(self): 
  new_id = hashlib.sha256(self.secret + str(uuid.uuid4())) 
  return new_id.hexdigest() 
 
# 生成 hmac_key 
def _generate_hmac(self, session_id): 
  return hmac.new(session_id, self.secret, hashlib.sha256).hexdigest() 

我们在哪里初始化了 SessionManager 呢？还记得第一篇里面的 Application 类吗？噢...快回去翻翻。