7.flask 源码解析：session
session 简介
在解析 session 的实现之前，我们先介绍一下 session 怎么使用。session 可以看做是在不同的请求之间保存数据的方法，因为 HTTP 是无状态的协议，但是在业务应用上我们希望知道不同请求是否是同一个人发起的。比如购物网站在用户点击进入购物车的时候，服务器需要知道是哪个用户执行了这个操作。
在 flask 中使用 session 也很简单，只要使用 from flask import session 导入这个变量，在代码中就能直接通过读写它和 session 交互。
from flask import Flask, session, escape, request
app = Flask(__name__)
app.secret_key = 'please-generate-a-random-secret_key'
@app.route("/")
def index():
if 'username' in session:
return 'hello, {}\n'.format(escape(session['username']))
return 'hello, stranger\n'
@app.route("/login", methods=['POST'])
def login():
session['username'] = request.form['username']
return 'login success'
if __name__ == '__main__':
app.run(host='0.0.0.0', port=5000, debug=True)
上面这段代码模拟了一个非常简单的登陆逻辑，用户访问 POST /login 来登陆，后面访问页面的时候 GET /，会返回该用户的名字。我们看一下具体的操作实例（下面的操作都是用 httpie来执行的，使用 curl 命令也能达到相同的效果）：
直接访问的话，我们可以看到返回 hello stranger：
➜ ~ http -v http://127.0.0.1:5000/
GET / HTTP/1.1
Accept: */*
Accept-Encoding: gzip, deflate
Host: 127.0.0.1:5000
User-Agent: HTTPie/0.8.0
HTTP/1.0 200 OK
Content-Length: 14
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Date: Wed, 01 Mar 2017 04:22:18 GMT
Server: Werkzeug/0.11.2 Python/2.7.10
hello stranger
然后我们模拟登陆请求，-v 是打印出请求，-f 是告诉服务器这是表单数据，--session=mysession 是把请求的 cookie 等信息保存到这个变量中，后面可以通过变量来指定 session：
➜ ~ http -v -f --session=mysession POST http://127.0.0.1:5000/login username=cizixs
POST /login HTTP/1.1
Accept: */*
Accept-Encoding: gzip, deflate
Content-Length: 15
Content-Type: application/x-www-form-urlencoded; charset=utf-8
Host: 127.0.0.1:5000
User-Agent: HTTPie/0.8.0
username=cizixs
HTTP/1.0 200 OK
Content-Length: 13
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Date: Wed, 01 Mar 2017 04:20:54 GMT
Server: Werkzeug/0.11.2 Python/2.7.10
Set-Cookie: session=eyJ1c2VybmFtZSI6ImNpeml4cyJ9.C5fdpg.fqm3FTv0kYE2TuOyGF1mx2RuYQ4; HttpOnly; Path=/
login success
最重要的是我们看到 response 中有 Set-Cookie 的头部，cookie 的键是 session，值是一堆看起来随机的字符串。
继续，这个时候我们用 --session=mysession 参数把这次的请求带上保存在 mysession 中的信息，登陆后访问，可以看到登陆的用户名：
➜ ~ http -v --session=mysession http://127.0.0.1:5000/
GET / HTTP/1.1
Accept: */*
Accept-Encoding: gzip, deflate
Cookie: session=eyJ1c2VybmFtZSI6ImNpeml4cyJ9.C5fevg.LE03yEZDWTUMQW-nNkTr1zBEhKk
Host: 127.0.0.1:5000
User-Agent: HTTPie/0.8.0
HTTP/1.0 200 OK
Content-Length: 11
Content-Type: text/html; charset=utf-8
Date: Wed, 01 Mar 2017 04:25:46 GMT
Server: Werkzeug/0.11.2 Python/2.7.10
Set-Cookie: session=eyJ1c2VybmFtZSI6ImNpeml4cyJ9.C5feyg.sfFCDIqfef4i8cvxUClUUGQNcHA; HttpOnly; Path=/
hellocizixs
这次注意在发送的请求中，客户端带了 Cookie 头部，上面的值保存了前一个请求的 response 给我们设置的值。
总结一下：session 是通过在客户端设置 cookie 实现的，每次客户端发送请求的时候会附带着所有的 cookie，而里面保存着一些重要的信息（比如这里的用户信息），这样服务器端就能知道客户端的信息，然后根据这些数据做出对应的判断，就好像不同请求之间是有记忆的。
解析
我们知道 session 是怎么回事了，这部分就分析一下 flask 是怎么实现它的。
请求过程
不难想象，session 的大致解析过程是这样的：
- 请求过来的时候，flask 会根据 cookie 信息创建出 session 变量（如果 cookie 不存在，这个变量有可能为空），保存在该请求的上下文中
- 视图函数可以获取 session 中的信息，实现自己的逻辑处理
- flask 会在发送 response 的时候，根据 session 的值，把它写回到 cookie 中
注意：session 和 cookie 的转化过程中，应该考虑到安全性，不然直接使用伪造的 cookie 会是个很大的安全隐患。
在 flask 上下文那篇文章中，我们知道，每次请求过来的时候，我们访问的 request 和 session 变量都是 RequestContext 实例的变量。在 RequestContext.Push() 方法的最后有这么一段代码：
self.session = self.app.open_session(self.request)
if self.session is None:
self.session = self.app.make_null_session()
它初始化了 session 变量，保存在 RequestContext 上，这样后面就能直接通过 from flask import session 来使用它。如果没有设置 secret_key 变量， open_session 就会返回 None，这个时候会调用 make_null_session 来生成一个空的 session，这个特殊的 session 不能进行任何读写操作，不然会报异常给用户。
我们来看看 open_session 方法：
def open_session(self, request):
return self.session_interface.open_session(self, request)
在 Flask 中，所有和 session 有关的调用，都是转发到 self.session_interface 的方法调用上（这样用户就能用自定义的 session_interface 来控制 session 的使用）。而默认的 session_inerface 有默认值：
session_interface = SecureCookieSessionInterface()
后面遇到 session 有关方法解释，我们会直接讲解 SecureCookieSessionInterface 的代码实现，跳过中间的这个转发说明。
null_session_class = NullSession
def make_null_session(self, app):
return self.null_session_class()
def open_session(self, app, request):
# 获取 session 签名的算法
s = self.get_signing_serializer(app)
if s is None:
return None
# 从 cookie 中获取 session 变量的值
val = request.cookies.get(app.session_cookie_name)
if not val:
return self.session_class()
# 因为 cookie 的数据需要验证是否有篡改，所以需要签名算法来读取里面的值
max_age = total_seconds(app.permanent_session_lifetime)
try:
data = s.loads(val, max_age=max_age)
return self.session_class(data)
except BadSignature:
return self.session_class()
open_session 根据请求中的 cookie 来获取对应的 session 对象。之所以有 app 参数，是因为根据 app 中的安全设置（比如签名算法、secret_key）对 cookie 进行验证。
这里有两点需要特殊说明的：签名算法是怎么工作的？session 对象到底是怎么定义的？
session 对象
默认的 session 对象是 SecureCookieSession，这个类就是一个基本的字典，外加一些特殊的属性，比如 permanent（flask 插件会用到这个变量）、modified（表明实例是否被更新过，如果更新过就要重新计算并设置 cookie，因为计算过程比较贵，所以如果对象没有被修改，就直接跳过）。
class SessionMixin(object):
def _get_permanent(self):
return self.get('_permanent', False)
def _set_permanent(self, value):
self['_permanent'] = bool(value)
#: this reflects the ``'_permanent'`` key in the dict.
permanent = property(_get_permanent, _set_permanent)
del _get_permanent, _set_permanent
modified = True
class SecureCookieSession(CallbackDict, SessionMixin):
"""Base class for sessions based on signed cookies."""
def __init__(self, initial=None):
def on_update(self):
self.modified = True
CallbackDict.__init__(self, initial, on_update)
self.modified = False
怎么知道实例的数据被更新过呢？ SecureCookieSession 是基于 werkzeug/datastructures:CallbackDict 实现的，这个类可以指定一个函数作为 on_update 参数，每次有字典操作的时候（__setitem__、__delitem__、clear、popitem、update、pop、setdefault）会调用这个函数。
NOTE：CallbackDict 的实现很巧妙，但是并不复杂，感兴趣的可以自己参考代码。主要思路就是重载字典的一些更新操作，让它们在做原来事情的同时，额外调用一下实现保存的某个函数。
对于开发者来说，可以把 session 简单地看成字典，所有的操作都是和字典一致的。
签名算法
都获取 cookie 数据的过程中，最核心的几句话是：
s = self.get_signing_serializer(app)
val = request.cookies.get(app.session_cookie_name)
data = s.loads(val, max_age=max_age)
return self.session_class(data)
其中两句都和 s 有关，signing_serializer 保证了 cookie 和 session 的转换过程中的安全问题。如果 flask 发现请求的 cookie 被篡改了，它会直接放弃使用。
我们继续看 get_signing_serializer 方法：
def get_signing_serializer(self, app):
if not app.secret_key:
return None
signer_kwargs = dict(
key_derivation=self.key_derivation,
digest_method=self.digest_method
)
return URLSafeTimedSerializer(app.secret_key,
salt=self.salt,
serializer=self.serializer,
signer_kwargs=signer_kwargs)
我们看到这里需要用到很多参数：
-
secret_key：密钥。这个是必须的，如果没有配置secret_key就直接使用session会报错 -
salt：为了增强安全性而设置一个 salt 字符串（可以自行搜索“安全加盐”了解对应的原理） -
serializer：序列算法 -
signer_kwargs：其他参数，包括摘要/hash算法（默认是sha1）和 签名算法（默认是hmac）
URLSafeTimedSerializer 是 itsdangerous 库的类，主要用来进行数据验证，增加网络中数据的安全性。itsdangerours 提供了多种 Serializer，可以方便地进行类似 json 处理的数据序列化和反序列的操作。至于具体的实现，因为篇幅限制，就不解释了。
应答过程
flask 会在请求过来的时候自动解析 cookie 的值，把它变成 session 变量。开发在视图函数中可以使用它的值，也可以对它进行更新。最后再返回的 response 中，flask 也会自动把 session 写回到 cookie。我们来看看这部分是怎么实现的！
之前的文章讲解了应答的过程，其中 finalize_response 方法在根据视图函数的返回生成 response 对象之后，会调用 process_response 方法进行处理。process_response 方法的最后有这样两句话：
def process_response(self, response):
...
if not self.session_interface.is_null_session(ctx.session):
self.save_session(ctx.session, response)
return response
这里就是 session 在应答中出现的地方，思路也很简单，如果需要就调用 save_sessoin，把当前上下文中的 session 对象保存到 response 。
save_session 的代码和 open_session 对应：
def save_session(self, app, session, response):
domain = self.get_cookie_domain(app)
path = self.get_cookie_path(app)
# 如果 session 变成了空字典，flask 会直接删除对应的 cookie
if not session:
if session.modified:
response.delete_cookie(app.session_cookie_name,
domain=domain, path=path)
return
# 是否需要设置 cookie。如果 session 发生了变化，就一定要更新 cookie，否则用户可以 `SESSION_REFRESH_EACH_REQUEST` 变量控制是否要设置 cookie
if not self.should_set_cookie(app, session):
return
httponly = self.get_cookie_httponly(app)
secure = self.get_cookie_secure(app)
expires = self.get_expiration_time(app, session)
val = self.get_signing_serializer(app).dumps(dict(session))
response.set_cookie(app.session_cookie_name, val,
expires=expires,
httponly=httponly,
domain=domain, path=path, secure=secure)
这段代码也很容易理解，就是从 app 和 session 变量中获取所有需要的信息，然后调用 response.set_cookie 设置最后的 cookie。这样客户端就能在 cookie 中保存 session 有关的信息，以后访问的时候再次发送给服务器端，以此来实现有状态的交互。
解密 session
有时候在开发或者调试的过程中，需要了解 cookie 中保存的到底是什么值，可以通过手动解析它的值。session 在 cookie 中的值，是一个字符串，由句号分割成三个部分。第一部分是 base64 加密的数据，第二部分是时间戳，第三部分是校验信息。
前面两部分的内容可以通过下面的方式获取，代码也可直观，就不给出解释了：
In [1]: from itsdangerous import *
In [2]: s = 'eyJ1c2VybmFtZSI6ImNpeml4cyJ9.C5fdpg.fqm3FTv0kYE2TuOyGF1mx2RuYQ4'
In [3]: data, timstamp, secret = s.split('.')
In [4]: base64_decode(data)
Out[4]: '{"username":"cizixs"}'
In [5]: bytes_to_int(base64_decode(timstamp))
Out[5]: 194502054
In [7]: time.strftime('%Y-%m-%d %H:%I%S', time.localtime(194502054+EPOCH))
Out[7]: '2017-03-01 12:1254'
总结
flask 默认提供的 session 功能还是很简单的，满足了基本的功能。但是我们看到 flask 把 session 的数据都保存在客户端的 cookie 中，这里只有用户名还好，如果有一些私密的数据（比如密码，账户余额等等），就会造成严重的安全问题。可以考虑使用 flask-session 这个三方的库，它把数据保存在服务器端（本地文件、redis、memcached），客户端只拿到一个 sessionid。
session 主要是用来在不同的请求之间保存信息，最常见的应用就是登陆功能。虽然直接通过 session 自己也可以写出来不错的登陆功能，但是在实际的项目中可以考虑 flask-login 这个三方的插件，方便我们的开发