Spring Security 案例实现和执行流程剖析

Spring Security

Spring Security 是 Spring 社区的一个顶级项目，也是 Spring Boot 官方推荐使用的安全框架。除了常规的认证（Authentication）和授权（Authorization）之外，Spring Security还提供了诸如ACLs，LDAP，JAAS，CAS等高级特性以满足复杂场景下的安全需求。

Spring Security 应用级别的安全主要包含两个主要部分，即登录认证（Authentication）和访问授权（Authorization），首先用户登录的时候传入登录信息，登录验证器完成登录认证并将登录认证好的信息存储到请求上下文，然后在进行其他操作，如接口访问、方法调用时，权限认证器从上下文中获取登录认证信息，然后根据认证信息获取权限信息，通过权限信息和特定的授权策略决定是否授权。

接下来，本教程将分别对登录认证和访问授权的执行流程进行剖析，并在最后给出完整的案例实现，如果觉得先读前面原理比较难懂，可以先学习后面的实现案例，再结合案例理解登录认证和访问授权的执行原理。

登录认证

登录认证过滤器

如果在继承 WebSecurityConfigurerAdapter 的配置类中的 configure(HttpSecurity http) 方法中有配置 HttpSecurity 的 formLogin，则会返回一个 FormLoginConfigurer 对象。如下是一个 Spring Security 的配置样例， formLogin().x.x 就是配置使用内置的登录验证过滤器，默认实现为 UsernamePasswordAuthenticationFilter。

WebSecurityConfig.java

@Configuration
@EnableWebSecurity
@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true)
public class WebSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

    @Autowired
    private UserDetailsService userDetailsService;
    
    @Override
    public void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        // 使用自定义身份验证组件
        auth.authenticationProvider(new JwtAuthenticationProvider(userDetailsService));
    }
    
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http.cors().and().csrf().disable()
            .authorizeRequests()
        // 首页和登录页面
        .antMatchers("/").permitAll()
        // 其他所有请求需要身份认证
        .anyRequest().authenticated()
        // 配置登录认证
        .and().formLogin().loginProcessingUrl("/login");
    }
}

查看 HttpSecurity , formLogion 方法返回一个 FormLoginConfigurer 对象。

HttpSecurity.java

    public FormLoginConfigurer formLogin() throws Exception {
        return getOrApply(new FormLoginConfigurer<>());
    }

而 FormLoginConfigurer 的构造函数内绑定了一个 UsernamePasswordAuthenticationFilter 过滤器。

FormLoginConfigurer.java

    public FormLoginConfigurer() {
        super(new UsernamePasswordAuthenticationFilter(), null);
        usernameParameter("username");
        passwordParameter("password");
    }

再看 UsernamePasswordAuthenticationFilter 过滤器的构造函数内绑定了 POST 类型的 /login 请求，也就是说，如果配置了 formLogin 的相关信息，那么在使用 POST 类型的 /login URL进行登录的时候就会被这个过滤器拦截，并进行登录验证，登录验证过程我们下面继续分析。

UsernamePasswordAuthenticationFilter.java

    public UsernamePasswordAuthenticationFilter() {
        super(new AntPathRequestMatcher("/login", "POST"));
    }

查看 UsernamePasswordAuthenticationFilter，发现它继承了 AbstractAuthenticationProcessingFilter，AbstractAuthenticationProcessingFilter 中的 doFilter 包含了触发登录认证执行流程的相关逻辑。

AbstractAuthenticationProcessingFilter.java

public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res, FilterChain chain)
            throws IOException, ServletException {

        ...

        Authentication authResult;
        try {
            authResult = attemptAuthentication(request, response);
            if (authResult == null) {
                // return immediately as subclass has indicated that it hasn't completed
                // authentication
                return;
            }
            sessionStrategy.onAuthentication(authResult, request, response);
        }

　　　　　...

        successfulAuthentication(request, response, chain, authResult);
    }

上面的登录逻辑主要步骤有两个：

1. attemptAuthentication(request, response)

这是 AbstractAuthenticationProcessingFilter  中的一个抽象方法，包含登录主逻辑，由其子类实现具体的登录验证，如 UsernamePasswordAuthenticationFilter 是使用表单方式登录的具体实现。如果是非表单登录的方式，如JNDI等其他方式登录的可以通过继承 AbstractAuthenticationProcessingFilter 自定义登录实现。UsernamePasswordAuthenticationFilter 的登录实现逻辑如下。

UsernamePasswordAuthenticationFilter.java

public Authentication attemptAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws AuthenticationException {
        if (postOnly && !request.getMethod().equals("POST")) {
            throw new AuthenticationServiceException("Authentication method not supported: " + request.getMethod());
        }
　　　　　// 获取用户名和密码
        String username = obtainUsername(request);
        String password = obtainPassword(request);

        if (username == null) {
            username = "";
        }

        if (password == null) {
            password = "";
        }

        username = username.trim();

        UsernamePasswordAuthenticationToken authRequest = new UsernamePasswordAuthenticationToken(username, password);

        // Allow subclasses to set the "details" property
        setDetails(request, authRequest);

        return this.getAuthenticationManager().authenticate(authRequest);
    }

2. successfulAuthentication(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain, Authentication authResult)

登录成功之后，将认证后的 Authentication 对象存储到请求线程上下文，这样在授权阶段就可以获取到 Authentication 认证信息，并利用 Authentication 内的权限信息进行访问控制判断。

AbstractAuthenticationProcessingFilter.java

    protected void successfulAuthentication(HttpServletRequest request,
            HttpServletResponse response, FilterChain chain, Authentication authResult)
            throws IOException, ServletException {

        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug("Authentication success. Updating SecurityContextHolder to contain: " + authResult);
        }
　　　　　// 登录成功之后，把认证后的 Authentication 对象存储到请求线程上下文，这样在授权阶段就可以获取到此认证信息进行访问控制判断
        SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authResult);

        rememberMeServices.loginSuccess(request, response, authResult);

        // Fire event
        if (this.eventPublisher != null) {
            eventPublisher.publishEvent(new InteractiveAuthenticationSuccessEvent(
                    authResult, this.getClass()));
        }

        successHandler.onAuthenticationSuccess(request, response, authResult);
    }

从上面的登录逻辑我们可以看到，Spring Security的登录认证过程是委托给 AuthenticationManager 完成的，它先是解析出用户名和密码，然后把用户名和密码封装到一个UsernamePasswordAuthenticationToken 中，传递给 AuthenticationManager，交由 AuthenticationManager 完成实际的登录认证过程。 

AuthenticationManager.java

package org.springframework.security.authentication;

import org.springframework.security.core.Authentication;
import org.springframework.security.core.AuthenticationException;

/**
* Processes an {@link Authentication} request.
* @author Ben Alex
*/
public interface AuthenticationManager {

　　Authentication authenticate(Authentication authentication) throws AuthenticationException;
}

AuthenticationManager 提供了一个默认的 实现 ProviderManager，而 ProviderManager 又将验证委托给了 AuthenticationProvider。

ProviderManager.java

    public Authentication authenticate(Authentication authentication)
            throws AuthenticationException {
　　　　　...
　　 for (AuthenticationProvider provider : getProviders()) {
            if (!provider.supports(toTest)) {
                continue;
            }try {
                result = provider.authenticate(authentication);
                if (result != null) {
                    copyDetails(authentication, result);
                    break;
                }
            }
　　　　 ...

    }

根据验证方式的多样化，AuthenticationProvider 衍生出多种类型的实现，AbstractUserDetailsAuthenticationProvider 是 AuthenticationProvider 的抽象实现，定义了较为统一的验证逻辑，各种验证方式可以选择直接继承 AbstractUserDetailsAuthenticationProvider 完成登录认证，如 DaoAuthenticationProvider 就是继承了此抽象类，完成了从DAO方式获取验证需要的用户信息的。

AbstractUserDetailsAuthenticationProvider.java

public Authentication authenticate(Authentication authentication) throws AuthenticationException {// Determine username
        String username = (authentication.getPrincipal() == null) ? "NONE_PROVIDED" : authentication.getName();
        boolean cacheWasUsed = true;
        UserDetails user = this.userCache.getUserFromCache(username);
        if (user == null) {
            cacheWasUsed = false;
            try {
　　　　　　　　　 // 子类根据自身情况从指定的地方加载认证需要的用户信息
                user = retrieveUser(username, (UsernamePasswordAuthenticationToken) authentication);
            }
            ...try {
　　　　　　　// 前置检查，一般是检查账号状态，如是否锁定之类
            preAuthenticationChecks.check(user);

　　　　　　　// 进行一般逻辑认证，如 DaoAuthenticationProvider 实现中的密码验证就是在这里完成的
            additionalAuthenticationChecks(user, (UsernamePasswordAuthenticationToken) authentication);
        }
        ...

　　　　 //　后置检查，如可以检查密码是否过期之类
        postAuthenticationChecks.check(user);

　　　　 ...
　　　　　// 验证成功之后返回包含完整认证信息的 Authentication 对象
        return createSuccessAuthentication(principalToReturn, authentication, user);
    }

如上面所述， AuthenticationProvider 通过 retrieveUser(String username, UsernamePasswordAuthenticationToken authentication) 获取验证信息，对于我们一般所用的 DaoAuthenticationProvider 是由 UserDetailsService 专门负责获取验证信息的。

DaoAuthenticationProvider.java

    protected final UserDetails retrieveUser(String username, UsernamePasswordAuthenticationToken authentication) throws AuthenticationException {
        try {
            UserDetails loadedUser = this.getUserDetailsService().loadUserByUsername(username);
            if (loadedUser == null) {
                throw new InternalAuthenticationServiceException("UserDetailsService returned null, which is an interface contract violation");
            }
            return loadedUser;
        }
    }

UserDetailsService 接口只有一个方法，loadUserByUsername(String username)，一般需要我们实现此接口方法，根据用户名加载登录认证和访问授权所需要的信息，并返回一个 UserDetails的实现类，后面登录认证和访问授权都需要用到此中的信息。

public interface UserDetailsService {
    /**
     * Locates the user based on the username. In the actual implementation, the search
     * may possibly be case sensitive, or case insensitive depending on how the
     * implementation instance is configured. In this case, the UserDetails
     * object that comes back may have a username that is of a different case than what
     * was actually requested..
     *
     * @param username the username identifying the user whose data is required.
     *
     * @return a fully populated user record (never null)
     *
     * @throws UsernameNotFoundException if the user could not be found or the user has no
     * GrantedAuthority
     */
    UserDetails loadUserByUsername(String username) throws UsernameNotFoundException;
}

UserDetails 提供了一个默认实现 User，主要包含用户名（username）、密码(password)、权限（authorities）和一些账号或密码状态的标识。

如果默认实现满足不了你的需求，可以根据需求定制自己的 UserDetails，然后在 UserDetailsService 的 loadUserByUsername 中返回即可。

public class User implements UserDetails, CredentialsContainer {// ~ Instance fields
    // ================================================================================================
    private String password;
    private final String username;
    private final Set authorities;
    private final boolean accountNonExpired;
    private final boolean accountNonLocked;
    private final boolean credentialsNonExpired;
    private final boolean enabled;

    // ~ Constructors
    // ===================================================================================================
    public User(String username, String password,
            Collection authorities) {
        this(username, password, true, true, true, true, authorities);
    }

　　 ...
}

退出登录

Spring Security 提供了一个默认的登出过滤器 LogoutFilter，默认拦截路径是 /logout，当访问 /logout 路径的时候，LogoutFilter 会进行退出处理。

LogoutFilter.java

package org.springframework.security.web.authentication.logout;

public class LogoutFilter extends GenericFilterBean {

    // ~ Instance fields
    // ================================================================================================
    private RequestMatcher logoutRequestMatcher;
    private final LogoutHandler handler;
    private final LogoutSuccessHandler logoutSuccessHandler;

    // ~ Constructors
    // ===================================================================================================
    public LogoutFilter(LogoutSuccessHandler logoutSuccessHandler,
            LogoutHandler... handlers) {
        this.handler = new CompositeLogoutHandler(handlers);
        Assert.notNull(logoutSuccessHandler, "logoutSuccessHandler cannot be null");
        this.logoutSuccessHandler = logoutSuccessHandler;
        setFilterProcessesUrl("/logout");　　// 绑定 /logout
    }// ~ Methods
    // ========================================================================================================
    public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res, FilterChain chain)
            throws IOException, ServletException {
        HttpServletRequest request = (HttpServletRequest) req;
        HttpServletResponse response = (HttpServletResponse) res;

        if (requiresLogout(request, response)) {
            Authentication auth = SecurityContextHolder.getContext().getAuthentication();this.handler.logout(request, response, auth);　　// 登出处理，可能包含session、cookie、认证信息的清理工作

            logoutSuccessHandler.onLogoutSuccess(request, response, auth);　　// 退出后的操作，可能是跳转、返回成功状态等

            return;
        }

        chain.doFilter(request, response);
    }

   ...
}

如下是 SecurityContextLogoutHandler 中的登出处理实现。

SecurityContextLogoutHandler.java

    public void logout(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
            Authentication authentication) {
        // 让 session 失效　if (invalidateHttpSession) {
            HttpSession session = request.getSession(false);
            if (session != null) {
                logger.debug("Invalidating session: " + session.getId());
                session.invalidate();
            }
        }
　　　　　// 清理 Security 上下文，其中包含登录认证信息
        if (clearAuthentication) {
            SecurityContext context = SecurityContextHolder.getContext();
            context.setAuthentication(null);
        }
        SecurityContextHolder.clearContext();
    }

 

访问授权

访问授权主要分为两种：通过URL方式的接口访问控制和方法调用的权限控制。

接口访问权限

在通过比如浏览器使用URL访问后台接口时，是否允许访问此URL，就是接口访问权限。

在进行接口访问时，会由 FilterSecurityInterceptor 进行拦截并进行授权。

FilterSecurityInterceptor 继承了 AbstractSecurityInterceptor 并实现了 javax.servlet.Filter 接口， 所以在URL访问的时候都会被过滤器拦截，doFilter 实现如下。

FilterSecurityInterceptor.java

    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response,
            FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
        FilterInvocation fi = new FilterInvocation(request, response, chain);
        invoke(fi);
    }

doFilter 方法又调用了自身的 invoke 方法， invoke 方法又调用了父类 AbstractSecurityInterceptor 的 beforeInvocation 方法。

FilterSecurityInterceptor.java

    public void invoke(FilterInvocation fi) throws IOException, ServletException {
        if ((fi.getRequest() != null)
                && (fi.getRequest().getAttribute(FILTER_APPLIED) != null)
                && observeOncePerRequest) {
            // filter already applied to this request and user wants us to observe
            // once-per-request handling, so don't re-do security checking
            fi.getChain().doFilter(fi.getRequest(), fi.getResponse());
        }
        else {
            // first time this request being called, so perform security checking
            if (fi.getRequest() != null && observeOncePerRequest) {
                fi.getRequest().setAttribute(FILTER_APPLIED, Boolean.TRUE);
            }

            InterceptorStatusToken token = super.beforeInvocation(fi);

            try {
                fi.getChain().doFilter(fi.getRequest(), fi.getResponse());
            }
            finally {
                super.finallyInvocation(token);
            }

            super.afterInvocation(token, null);
        }
    }

方法调用权限

在进行后台方法调用时，是否允许该方法调用，就是方法调用权限。比如在方法上添加了此类注解 @PreAuthorize("hasRole('ROLE_ADMIN')") ，Security 方法注解的支持需要在任何配置类中（如 WebSecurityConfigurerAdapter ）添加 @EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true) 开启，才能够使用。

@Configuration
@EnableWebSecurity
@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true)
public class WebSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {

}

在进行方法调用时，会由 MethodSecurityInterceptor 进行拦截并进行授权。

MethodSecurityInterceptor 继承了 AbstractSecurityInterceptor 并实现了AOP 的 org.aopalliance.intercept.MethodInterceptor 接口， 所以可以在方法调用时进行拦截。

MethodSecurityInterceptor .java

    public Object invoke(MethodInvocation mi) throws Throwable {
        InterceptorStatusToken token = super.beforeInvocation(mi);

        Object result;
        try {
            result = mi.proceed();
        }
        finally {
            super.finallyInvocation(token);
        }
        return super.afterInvocation(token, result);
    }

我们看到，MethodSecurityInterceptor 跟 FilterSecurityInterceptor 一样， 都是通过调用父类 AbstractSecurityInterceptor 的相关方法完成授权，其中 beforeInvocation 是完成权限认证的关键。

AbstractSecurityInterceptor.java

protected InterceptorStatusToken beforeInvocation(Object object) {
        ...
　　　　　// 通过 SecurityMetadataSource 获取权限配置信息，可以定制实现自己的权限信息获取逻辑
        Collection attributes = this.obtainSecurityMetadataSource().getAttributes(object);

　　　　　...

　　　　　// 确认是否经过登录认证　　　　　
        Authentication authenticated = authenticateIfRequired();

        // Attempt authorization
        try {
　　　　　　  // 通过 AccessDecisionManager 完成授权认证，默认实现是 AffirmativeBased
            this.accessDecisionManager.decide(authenticated, object, attributes);
        }
        ...
    }

上面代码显示 AbstractSecurityInterceptor 又是委托授权认证器 AccessDecisionManager 完成授权认证，默认实现是 AffirmativeBased， decide 方法实现如下。

AffirmativeBased.java

public void decide(Authentication authentication, Object object,
            Collection configAttributes) throws AccessDeniedException {
        int deny = 0;

        for (AccessDecisionVoter voter : getDecisionVoters()) {
　　
　　　　　　　 // 通过各种投票策略，最终决定是否授权　
            int result = voter.vote(authentication, object, configAttributes);
switch (result) {

            case AccessDecisionVoter.ACCESS_GRANTED:
                return;

            case AccessDecisionVoter.ACCESS_DENIED:
                deny++;
                break;

            default:
                break;
            }
　　　　...
    }

而 AccessDecisionManager 决定授权又是通过一个授权策略集合（AccessDecisionVoter ）决定的，授权决定的原则是：

  1. 遍历所有授权策略， 如果有其中一个返回 ACCESS_GRANTED，则同意授权。

  2. 否则，等待遍历结束，统计 ACCESS_DENIED 个数，只要拒绝数大于1，则不同意授权。

对于接口访问授权，也就是 FilterSecurityInterceptor 管理的URL授权，默认对应的授权策略只有一个，就是 WebExpressionVoter，它的授权策略主要是根据 WebSecurityConfigurerAdapter 内配置的路径访问策略进行匹配，然后决定是否授权。

WebExpressionVoter.java

/**
 * Voter which handles web authorisation decisions.
 * @author Luke Taylor
 * @since 3.0
 */
public class WebExpressionVoter implements AccessDecisionVoter {
    private SecurityExpressionHandler expressionHandler = new DefaultWebSecurityExpressionHandler();

    public int vote(Authentication authentication, FilterInvocation fi,
            Collection attributes) {
        assert authentication != null;
        assert fi != null;
        assert attributes != null;

        WebExpressionConfigAttribute weca = findConfigAttribute(attributes);

        if (weca == null) {
            return ACCESS_ABSTAIN;
        }

        EvaluationContext ctx = expressionHandler.createEvaluationContext(authentication, fi);

        ctx = weca.postProcess(ctx, fi);

        return ExpressionUtils.evaluateAsBoolean(weca.getAuthorizeExpression(), ctx) ? ACCESS_GRANTED : ACCESS_DENIED;
    }

    ...
}

对于方法调用授权，在全局方法安全配置类里，可以看到给 MethodSecurityInterceptor 默认配置的有 RoleVoter、AuthenticatedVoter、Jsr250Voter、和 PreInvocationAuthorizationAdviceVoter，其中 Jsr250Voter、PreInvocationAuthorizationAdviceVoter 都需要打开指定的开关，才会添加支持。

GlobalMethodSecurityConfiguration.java

@Configuration
public class GlobalMethodSecurityConfiguration implements ImportAware, SmartInitializingSingleton {

    ...
private MethodSecurityInterceptor methodSecurityInterceptor;
        
　　@Bean
    public MethodInterceptor methodSecurityInterceptor() throws Exception {
        this.methodSecurityInterceptor = isAspectJ()
                ? new AspectJMethodSecurityInterceptor()
                : new MethodSecurityInterceptor();
        methodSecurityInterceptor.setAccessDecisionManager(accessDecisionManager());
        methodSecurityInterceptor.setAfterInvocationManager(afterInvocationManager());
        methodSecurityInterceptor
                .setSecurityMetadataSource(methodSecurityMetadataSource());
        RunAsManager runAsManager = runAsManager();
        if (runAsManager != null) {
            methodSecurityInterceptor.setRunAsManager(runAsManager);
        }

        return this.methodSecurityInterceptor;
    }
    
    protected AccessDecisionManager accessDecisionManager() {
        List> decisionVoters = new ArrayList>();
        ExpressionBasedPreInvocationAdvice expressionAdvice = new ExpressionBasedPreInvocationAdvice();
        expressionAdvice.setExpressionHandler(getExpressionHandler());
        if (prePostEnabled()) {
            decisionVoters
                    .add(new PreInvocationAuthorizationAdviceVoter(expressionAdvice));
        }
        if (jsr250Enabled()) {
            decisionVoters.add(new Jsr250Voter());
        }
        decisionVoters.add(new RoleVoter());
        decisionVoters.add(new AuthenticatedVoter());
        return new AffirmativeBased(decisionVoters);
    }

　　...
}

RoleVoter 是根据角色进行匹配授权的策略。

RoleVoter.java

public class RoleVoter implements AccessDecisionVoter