spring boot高性能实现二维码扫码登录(上)——单服务器版

前言

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　　目前网页的主流登录方式是通过手机扫码二维码登录。我看了网上很多关于扫码登录博客后，发现基本思路大致是：打开网页，生成uuid，然后长连接请求后端并等待登录认证相应结果，而后端每个几百毫秒会循环查询数据库或redis，当查询到登录信息后则响应长连接的请求。

然而，如果是小型应用则没问题，如果用户量，并发大则会出现非常严重的性能瓶颈。而问题的关键是使用了循环查询数据库或redis的方案。假设要优化这个方案可以使用java多线程的同步集合+CountDownLatch来解决。

一、环境

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1.java 8(jdk1.8)

2.maven 3.3.9

3.spring boot 2.0

二、知识点

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1.同步集合使用

2.CountDownLatch使用

3.http ajax

4.zxing二维码生成

三、流程及实现原理

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1.打开网页，通过ajax请求获取二维码图片地址

2.页面渲染二维码图片，并通过长连接请求，获取后端的登录认证信息

3.事先登录过APP的手机扫码二维码，然后APP请求服务器端的API接口，把用户认证信息传递到服务器中。

4.后端收到APP的请求后，唤醒长连接的等待线程，并把用户认证信息写入session。

5.页面得到长连接的响应，并跳转到首页。

整个流程图下图所示

 四、代码编写

---

pom.xml文件如下：

<?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>二维码登录</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>

首先，参照《玩转spring boot——简单登录认证》完成简单登录认证。在浏览器中输入http://localhost:8080页面时，由于未登录认证，则重定向到http://localhost:8080/login页面

代码如下：

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;

/**
 * 登录配置 博客出处：http://www.cnblogs.com/GoodHelper/
 *
 */
@Configuration
public class WebSecurityConfig implements WebMvcConfigurer {

    /**
     * 登录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/**");
        // 拦截配置
        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;

            // 跳转登录
            String url = "/login";
            response.sendRedirect(url);
            return false;
        }
    }
}

其次，新建控制器类：MainController

/**
 * 控制器
 * 
 * @author 刘冬博客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";
    }
}

新建两个html页面：index.html和login.html

<!DOCTYPE html>
<html xmlns:th="http://www.thymeleaf.org">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>二维码登录</title>
</head>
<body>
    <h1>二维码登录</h1>
    <h4>
        <a target="_blank" href="http://www.cnblogs.com/GoodHelper/">from
            刘冬的博客</a>
    </h4>
    <h3 th:text="'登录用户：' + ${user}"></h3>
</body>
</html>

<!DOCTYPE html>
<html xmlns:th="http://www.thymeleaf.org">
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>二维码登录</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) {
        //二维码图片src
        $scope.src = null;

        //获取二维码
        $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)
            });
        }

        //获取登录响应
        $scope.getResponse = function(loginId) {
            $http.get('/login/getResponse/' + loginId).success(function(data) {
                //一秒后，重新获取登录二维码
                if (!data || !data.success) {
                    setTimeout($scope.getQrCode(), 1000);
                    return;
                }

                //登录成功，进去首页
                location.href = '/'

            }).error(function(data, status) {
                console.log(data)
                console.log(status)
                //一秒后，重新获取登录二维码
                setTimeout($scope.getQrCode(), 1000);
            })
        }

        $scope.getQrCode();

    });
    /*]]>*/
</script>
</head>
<body ng-app="app" ng-controller="MainController">
    <h1>扫码登录</h1>
    <h4>
        <a target="_blank" href="http://www.cnblogs.com/GoodHelper/">from
            刘冬的博客</a>
    </h4>
    <img ng-show="src" ng-src="{{src}}" />
</body>
</html>

login.html页面先请求后端服务器，获取登录uuid，然后获取到服务器的二维码后在页面渲染二维码。接着使用长连接请求并等待服务器的相应。

然后新建一个承载登录信息的类：LoginResponse

package com.demo.auth;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * 登录信息承载类
 * 
 * @author 刘冬博客http://www.cnblogs.com/GoodHelper
 *
 */
public class LoginResponse {

    public CountDownLatch latch;

    public String user;

    // 省略 get set
}

最后修改MainController类，最终的代码如下：

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 刘冬博客http://www.cnblogs.com/GoodHelper
 *
 */
@Controller
public class MainController {

    /**
     * 存储登录状态
     */
    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";
    }

    /**
     * 获取二维码
     * 
     * @return
     */
    @GetMapping("login/getQrCode")
    public @ResponseBody Map<String, Object> getQrCode() throws Exception {
        Map<String, Object> result = new HashMap<>();
        result.put("loginId", UUID.randomUUID());

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

    /**
     * app二维码登录地址，这里为了测试才传{user},实际项目中user是通过其他方式传值
     * 
     * @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);

            // 赋值登录用户
            loginResponse.user = user;

            // 唤醒登录等待线程
            loginResponse.latch.countDown();
        }

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

    /**
     * 等待二维码扫码结果的长连接
     * 
     * @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);

            // 第一次判断
            // 判断是否登录,如果已登录则写入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 {
                // 线程等待
                loginResponse.latch.await(5, TimeUnit.MINUTES);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 再次判断
            // 判断是否登录,如果已登录则写入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 {
            // 移除登录请求
            if (loginMap.containsKey(loginId))
                loginMap.remove(loginId);
        }
    }

    /**
     * 生成base64二维码
     * 
     * @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类存储登录请求信息

createQrCode方法是用于生成二维码

getQrCode方法是给页面返回登录uuid和二维码，前端页面拿到登录uuid后请求长连接等待二维码的扫码登录结果。

setUser方法是提供给APP端调用的，在此过程中通过uuid找到对应的CountDownLatch，并唤醒长连接的线程。而这里是为了做演示才把这个方法放到这个类里，在实际项目中，此方法不一定在这个类里或未必在同一个后端中。另外我把用户信息的传递也写在这个方法中了，而实际项目是通过其他的方式来传递用户信息，这里仅仅是为了演示方便。

getResponse方法是处理ajax的长连接，并使用CountDownLatch等待APP端来唤醒这个线程，然后把用户信息写入session。

 入口类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);
    }
}

 项目结构如下图所示：

 五、总结

---

打开浏览器输入http://localhost:8080。运行效果如下图所以：

使用CountDownLatch则避免了每隔500毫秒读一次数据库或redis的频繁查询性能问题。因为操作的是内存数据，所以性能非常高。

而CountDownLatch是java多线程中非常实用的类，二维码扫码登录就是一个具有代表意义的应用场景。当然，如果你不嫌代码量大也可以用wait+notify来实现。另在java.util.concurrent包下，也有很多的多线程类能到达同样的目的，我这里就不一一例举了。

根据园友的建议，我发现本篇文章里的线程阻塞是设计缺陷，所以不循环查询数据库或redis里，但一台服务器的线程数是有限的。在下篇我会改进这个设计

代码下载

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作者：刘冬.NET 博客地址：http://www.cnblogs.com/GoodHelper/ 欢迎转载，但须保留版权