Shiro框架：认证和授权原理

前言

Shiro作为解决权限问题的常用框架，常用于解决认证、授权、加密、会话管理等场景。本文将对Shiro的认证和授权原理进行介绍：

• Shiro可以做什么？、
• Shiro是由什么组成的？
• 举个Shiro的例子呗？
• Shiro认证的原理是咋样的？
• Shiro授权的原理是咋样的？

（若文章有不正之处，或难以理解的地方，请多多谅解，欢迎指正）

1. Shiro可以做什么？

在构建一个网络应用的时候，权限检验管理作为非常重要的安全措施，需要包含以下几点：

• 用户认证 — 用户身份识别。得知道来的人是谁；
• 用户授权 — 用户权限访问控制。得知道来的人有没有资格进来，又不是“我家大门常打开”；
• 密码加密 — 加密敏感数据，防止被偷窥。就像是家里上锁，上几把锁，原子锁还是电子锁？
• 会话管理 — 与用户相关的时间敏感的状态信息。类似于阅后即焚的信件。

Shiro支持以上的功能，而且它提供的API可以帮助我们很容易就开发出足够好的应用。Shiro具备认证、授权、加密、会话管理、集成Web、缓存等功能，相当好用。

2. Shiro是由什么组成的？

下图是Shiro的架构图：

可以看出来，Security Manager是Shiro的核心，连认证、授权、会话管理等都是在这里面执行的。接下来我们来看看这些组件分别是做什么用的：

• Subject：主体，可以是用户或程序，主体可以访问Security Manager以获得认证、授权、会话等服务；
• Security Manager：安全管理器，主体所需的认证、授权功能都是在这里进行的，是Shiro的核心；
  • Authenticator：认证器，主体的认证过程通过Authenticator进行；
  • Authorizer：授权器，主体的授权过程通过Authorizer进行；
  • Session Manager：shiro的会话管理器，与web应用提供的Session管理分隔开；
  • Session DAO：通过Session DAO管理Session数据，针对个性化的Session数据存储，需要使用到Session DAO；
  • Cache Manager：缓存管理器，主要对Session和授权数据进行缓存。因为这些数据不怎么改变，为了提高访问速度选择将其缓存起来；
  • Realm：域，可以有一个或多个域，可通过Realm存储授权和认证的逻辑；
• Cryptography：密码管理，Shiro提供了一套加密/解密的组件，如MD5散列算法等。

3. 举个Shiro的例子呗？

笔者采用Shiro官网给的例子，来梳理Shiro认证、授权的过程：

shiro.ini

创建一个文件shiro.ini，其功用相当于Realm。shiro默认使用的也是IniRealm：

# =============================================================================
# Tutorial INI configuration
#
# Usernames/passwords are based on the classic Mel Brooks' film "Spaceballs" :)
# =============================================================================

# -----------------------------------------------------------------------------
# Users and their (optional) assigned roles
# username = password, role1, role2, ..., roleN
# -----------------------------------------------------------------------------
[users]
root = secret, admin
guest = guest, guest
presidentskroob = 12345, president
darkhelmet = ludicrousspeed, darklord, schwartz
lonestarr = vespa, goodguy, schwartz

# -----------------------------------------------------------------------------
# Roles with assigned permissions
# roleName = perm1, perm2, ..., permN
# -----------------------------------------------------------------------------
[roles]
admin = *
schwartz = lightsaber:*
goodguy = winnebago:drive:eagle5

在上面这串代码中，已经给出了用户和角色信息。root = secret, admin表示，用户名为root，密码是secret，角色是admin；**schwartz = lightsaber:**表示角色schwartz拥有权限lightsaber:。

Tutorial测试类

import org.apache.shiro.SecurityUtils;
import org.apache.shiro.authc.*;
import org.apache.shiro.config.IniSecurityManagerFactory;
import org.apache.shiro.mgt.SecurityManager;
import org.apache.shiro.session.Session;
import org.apache.shiro.subject.Subject;
import org.apache.shiro.util.Factory;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

public class Tutorial {
     

    private static final transient Logger log = LoggerFactory.getLogger(Tutorial.class);

    public static void main(String[] args) {
     
        log.info("My First Apache Shiro Application");

        //引用shiro.ini的配置信息
        Factory<SecurityManager> factory = new IniSecurityManagerFactory("classpath:shiro.ini");
        //获取SecurityManager安全管理器
        SecurityManager securityManager = factory.getInstance();
        SecurityUtils.setSecurityManager(securityManager);

        // get the currently executing user:
        //获取单签主体（用户）
        Subject currentUser = SecurityUtils.getSubject();

        // Do some stuff with a Session (no need for a web or EJB container!!!)
        //获取当前主体的会话
        Session session = currentUser.getSession();
        session.setAttribute("someKey", "aValue");
        String value = (String) session.getAttribute("someKey");
        if (value.equals("aValue")) {
     
            log.info("Retrieved the correct value! [" + value + "]");
        }

        // let's login the current user so we can check against roles and permissions:
        //判断当前用户是否认证
        if (!currentUser.isAuthenticated()) {
     
            //将账号和密码封装为UsernamePasswordToken中
            UsernamePasswordToken token = new UsernamePasswordToken("lonestarr", "vespa");
            //记住我
            token.setRememberMe(true);
            try {
     
                //进行登录操作
                currentUser.login(token);
            } catch (UnknownAccountException uae) {
     
                log.info("There is no user with username of " + token.getPrincipal());
            } catch (IncorrectCredentialsException ice) {
     
                log.info("Password for account " + token.getPrincipal() + " was incorrect!");
            } catch (LockedAccountException lae) {
     
                log.info("The account for username " + token.getPrincipal() + " is locked.  " +
                        "Please contact your administrator to unlock it.");
            }
            // ... catch more exceptions here (maybe custom ones specific to your application?
            catch (AuthenticationException ae) {
     
                //unexpected condition?  error?
            }
        }

        //say who they are:
        //print their identifying principal (in this case, a username):
        log.info("User [" + currentUser.getPrincipal() + "] logged in successfully.");

        //test a role:
        //检查是否有相应角色权限
        if (currentUser.hasRole("schwartz")) {
     
            log.info("May the Schwartz be with you!");
        } else {
     
            log.info("Hello, mere mortal.");
        }

        //test a typed permission (not instance-level)
        //判断是否有资源操作权限
        if (currentUser.isPermitted("lightsaber:wield")) {
     
            log.info("You may use a lightsaber ring.  Use it wisely.");
        } else {
     
            log.info("Sorry, lightsaber rings are for schwartz masters only.");
        }

        //a (very powerful) Instance Level permission:
        if (currentUser.isPermitted("winnebago:drive:eagle5")) {
     
            log.info("You are permitted to 'drive' the winnebago with license plate (id) 'eagle5'.  " +
                    "Here are the keys - have fun!");
        } else {
     
            log.info("Sorry, you aren't allowed to drive the 'eagle5' winnebago!");
        }

        //all done - log out!
        //退出
        currentUser.logout();

        System.exit(0);
    }
}

我们可以从示例代码中提取出认证、授权过程中比较常用的API：

• 认证

  //获取当前主体（用户）
  Subject currentUser = SecurityUtils.getSubject();
  //判断当前用户是否认证
  currentUser.isAuthenticated()
  //将账号和密码封装为UsernamePasswordToken中
  UsernamePasswordToken token = new UsernamePasswordToken("lonestarr", "vespa");
  //记住我
  token.setRememberMe(true);
  //进行登录操作
  currentUser.login(token);
  

• 判断权限

  //检查是否有相应角色权限
  currentUser.hasRole("schwartz")
  //判断是否有资源操作权限
  currentUser.isPermitted("lightsaber:wield")
  

从上面代码我们可以看出，Shiro中认证过程大概是：

• 先获取当前用户信息，判断当前用户是否认证
• 如果没认证，就将账号和密码封装成UserPasswordToken，进行登录操作

接下来，我们通过读源码，来看看Shiro的认证和授权原理是怎么样的。

4. Shiro认证的原理是咋样的？

通过从login()方法使用Debug追踪Shiro的认证逻辑，可以得到以下代码执行顺序：

//在构造了Security Manager之后，提交认证，参数是封装了用户信息的token
currentUser.login(token);  

//Security Manager执行认证
Subject subject = this.securityManager.login(this, token);

AuthenticationInfo info = this.authenticate(token);

//Security Manager委托给Authenticator执行认证逻辑
this.authenticator.authenticate(token);

AuthenticationInfo info = this.doAuthenticate(token);

//获取多Realm进行身份认证
Collection<Realm> realms = this.getRealms();
doSingleRealmAuthentication(realm, token);

AuthenticationInfo info = realm.getAuthenticationInfo(token);

//调用对应的Realm进行校验，认证成功则返回用户属性
AuthenticationInfo info = realm.doGetAuthenticationInfo(token);

简单说，认证过程的流程是这样的：

5. Shiro授权的原理是咋样的？

我们还是追踪一下源码，可以知道以下执行顺序：

//判断当前主体是否有角色限制
currentUser.hasRole("schwartz")
//判断当前主体是否具备资源操作权限
currentUser.isPermitted("lightsaber:wield")

//委托给securityManager判断角色是否与既定的角色匹配
this.securityManager.hasRole(this.getPrincipals(), roleIdentifier)

//securityManager委托Authorizer进行角色检验
this.authorizer.hasRole(principals, roleIdentifier)

//Authorizer判断Realm的角色/权限是否和传入的匹配
AuthorizationInfo info = this.getAuthorizationInfo(principal);
return info.getRoles().contains(roleIdentifier)

//执行Realm进行授权操作
info = this.doGetAuthorizationInfo(principals);

简单点看，Shiro的授权过程是这样的：

综上，我们可以知道，无论是认证还是授权操作，都需要SecurityManager中的Realm来定义用户认证时需要的账户信息，以及授权时所需的权限信息。而Realm一般不会采用Shiro官网介绍的“ini配置文件”方式，而是通过自定义Realm组件来实现：

public class UserRealm extends AuthorizingRealm {
     
    /**
     * 执行授权逻辑
     *
     * @param principalCollection
     * @return
     */
    @Override
    protected AuthorizationInfo doGetAuthorizationInfo(PrincipalCollection principalCollection) {
     
        User user = (User) principalCollection.getPrimaryPrincipal();
        SecurityUtils.getSubject().getSession().setAttribute(String.valueOf(user), SecurityUtils.getSubject().getPrincipals());

        SimpleAuthorizationInfo info = new SimpleAuthorizationInfo();
        
        info.addRole(...);
        return info;
    }

    /**
     * 执行认证逻辑
     *
     * @param authenticationToken
     * @return
     * @throws AuthenticationException
     */
    @Override
    protected AuthenticationInfo doGetAuthenticationInfo(AuthenticationToken authenticationToken) throws AuthenticationException {
     
    	UsernamePasswordToken token = (UsernamePasswordToken) authenticationToken;
        User user = userService.findByName(token.getUsername());
        if (user == null || !token.getUsername().equals(user.getUsername())) {
     
            throw new UnknownAccountException("此账号不存在");
        }
        ...
        return new SimpleAuthenticationInfo(user);
    }
}

如果采用上述方式来定义Realm，那么还需要自定义ShiroConfig作为组件。实现Shiro实现认证和授权的资料很多，大家也可以参考一下官网的资料：http://shiro.apache.org/tutorial.html

结语

之前写了很多Java基础篇文章，本篇文章是笔者第二篇关于框架类的文章。之后的精力应该也是会着重于对基础的学习，毕竟小菜鸟一只，不过也会适当对框架的原理进行探究~

如果本文对你有帮助，请给一个赞吧，这会是我最大的动力~

参考资料：
shiro原理及其运行流程介绍
极简入门，Shiro的认证与授权流程解析

本文已经授权以原创的方式发布在微信公众号Java后端。