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32 Manager组件：Tomcat的Session管理机制解析
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我们可以通过Request对象的getSession方法来获取Session，并通过Session对象来读取和写入属性值。而Session的管理是由Web容器来完成的，主要是对Session的创建和销毁，除此之外Web容器还需要将Session状态的变化通知给监听者。
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当然Session管理还可以交给Spring来做，好处是与特定的Web容器解耦，Spring Session的核心原理是通过Filter拦截Servlet请求，将标准的ServletRequest包装一下，换成Spring的Request对象，这样当我们调用Request对象的getSession方法时，Spring在背后为我们创建和管理Session。
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那么Tomcat的Session管理机制我们还需要了解吗？我觉得还是有必要，因为只有了解这些原理，我们才能更好的理解Spring Session，以及Spring Session为什么设计成这样。今天我们就从Session的创建、Session的清理以及Session的事件通知这几个方面来了解Tomcat的Session管理机制。
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Session的创建
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Tomcat中主要由每个Context容器内的一个Manager对象来管理Session。默认实现类为StandardManager。下面我们通过它的接口来了解一下StandardManager的功能：
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public interface Manager {
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public Context getContext();
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public void setContext(Context context);
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public SessionIdGenerator getSessionIdGenerator();
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public void setSessionIdGenerator(SessionIdGenerator sessionIdGenerator);
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public long getSessionCounter();
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public void setSessionCounter(long sessionCounter);
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public int getMaxActive();
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public void setMaxActive(int maxActive);
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public int getActiveSessions();
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public long getExpiredSessions();
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public void setExpiredSessions(long expiredSessions);
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public int getRejectedSessions();
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public int getSessionMaxAliveTime();
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public void setSessionMaxAliveTime(int sessionMaxAliveTime);
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public int getSessionAverageAliveTime();
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public int getSessionCreateRate();
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public int getSessionExpireRate();
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public void add(Session session);
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public void changeSessionId(Session session);
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public void changeSessionId(Session session, String newId);
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public Session createEmptySession();
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public Session createSession(String sessionId);
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public Session findSession(String id) throws IOException;
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public Session[] findSessions();
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public void load() throws ClassNotFoundException, IOException;
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public void remove(Session session);
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public void remove(Session session, boolean update);
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public void addPropertyChangeListener(PropertyChangeListener listener)
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public void removePropertyChangeListener(PropertyChangeListener listener);
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public void unload() throws IOException;
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public void backgroundProcess();
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public boolean willAttributeDistribute(String name, Object value);
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}
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不出意外我们在接口中看到了添加和删除Session的方法；另外还有load和unload方法，它们的作用是分别是将Session持久化到存储介质和从存储介质加载Session。
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当我们调用HttpServletRequest.getSession(true)时，这个参数true的意思是“如果当前请求还没有Session，就创建一个新的”。那Tomcat在背后为我们做了些什么呢？
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HttpServletRequest是一个接口，Tomcat实现了这个接口，具体实现类是：org.apache.catalina.connector.Request。
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但这并不是我们拿到的Request，Tomcat为了避免把一些实现细节暴露出来，还有基于安全上的考虑，定义了Request的包装类，叫作RequestFacade，我们可以通过代码来理解一下：
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public class Request implements HttpServletRequest {}
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public class RequestFacade implements HttpServletRequest {
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protected Request request = null;
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public HttpSession getSession(boolean create) {
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return request.getSession(create);
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}
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}
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因此我们拿到的Request类其实是RequestFacade，RequestFacade的getSession方法调用的是Request类的getSession方法，我们继续来看Session具体是如何创建的：
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Context context = getContext();
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if (context == null) {
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return null;
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}
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Manager manager = context.getManager();
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if (manager == null) {
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return null;
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}
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session = manager.createSession(sessionId);
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session.access();
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从上面的代码可以看出，Request对象中持有Context容器对象，而Context容器持有Session管理器Manager，这样通过Context组件就能拿到Manager组件，最后由Manager组件来创建Session。
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因此最后还是到了StandardManager，StandardManager的父类叫ManagerBase，这个createSession方法定义在ManagerBase中，StandardManager直接重用这个方法。
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接着我们来看ManagerBase的createSession是如何实现的：
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@Override
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public Session createSession(String sessionId) {
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//首先判断Session数量是不是到了最大值，最大Session数可以通过参数设置
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if ((maxActiveSessions >= 0) &&
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(getActiveSessions() >= maxActiveSessions)) {
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rejectedSessions++;
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throw new TooManyActiveSessionsException(
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sm.getString("managerBase.createSession.ise"),
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maxActiveSessions);
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}
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// 重用或者创建一个新的Session对象，请注意在Tomcat中就是StandardSession
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// 它是HttpSession的具体实现类，而HttpSession是Servlet规范中定义的接口
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Session session = createEmptySession();
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// 初始化新Session的值
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session.setNew(true);
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session.setValid(true);
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session.setCreationTime(System.currentTimeMillis());
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session.setMaxInactiveInterval(getContext().getSessionTimeout() * 60);
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String id = sessionId;
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if (id == null) {
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id = generateSessionId();
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}
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session.setId(id);// 这里会将Session添加到ConcurrentHashMap中
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sessionCounter++;
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//将创建时间添加到LinkedList中，并且把最先添加的时间移除
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//主要还是方便清理过期Session
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SessionTiming timing = new SessionTiming(session.getCreationTime(), 0);
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synchronized (sessionCreationTiming) {
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sessionCreationTiming.add(timing);
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sessionCreationTiming.poll();
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}
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return session
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}
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到此我们明白了Session是如何创建出来的，创建出来后Session会被保存到一个ConcurrentHashMap中：
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protected Map<String, Session> sessions = new ConcurrentHashMap<>();
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请注意Session的具体实现类是StandardSession，StandardSession同时实现了javax.servlet.http.HttpSession和org.apache.catalina.Session接口，并且对程序员暴露的是StandardSessionFacade外观类，保证了StandardSession的安全，避免了程序员调用其内部方法进行不当操作。StandardSession的核心成员变量如下：
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public class StandardSession implements HttpSession, Session, Serializable {
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protected ConcurrentMap<String, Object> attributes = new ConcurrentHashMap<>();
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protected long creationTime = 0L;
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protected transient volatile boolean expiring = false;
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protected transient StandardSessionFacade facade = null;
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protected String id = null;
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protected volatile long lastAccessedTime = creationTime;
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protected transient ArrayList<SessionListener> listeners = new ArrayList<>();
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protected transient Manager manager = null;
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protected volatile int maxInactiveInterval = -1;
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protected volatile boolean isNew = false;
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protected volatile boolean isValid = false;
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protected transient Map<String, Object> notes = new Hashtable<>();
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protected transient Principal principal = null;
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}
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Session的清理
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我们再来看看Tomcat是如何清理过期的Session。在Tomcat热加载和热部署的文章里，我讲到容器组件会开启一个ContainerBackgroundProcessor后台线程，调用自己以及子容器的backgroundProcess进行一些后台逻辑的处理，和Lifecycle一样，这个动作也是具有传递性的，也就是说子容器还会把这个动作传递给自己的子容器。你可以参考下图来理解这个过程。
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其中父容器会遍历所有的子容器并调用其backgroundProcess方法，而StandardContext重写了该方法，它会调用StandardManager的backgroundProcess进而完成Session的清理工作，下面是StandardManager的backgroundProcess方法的代码：
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public void backgroundProcess() {
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// processExpiresFrequency 默认值为6，而backgroundProcess默认每隔10s调用一次，也就是说除了任务执行的耗时，每隔 60s 执行一次
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count = (count + 1) % processExpiresFrequency;
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if (count == 0) // 默认每隔 60s 执行一次 Session 清理
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processExpires();
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}
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/**
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* 单线程处理，不存在线程安全问题
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*/
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public void processExpires() {
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// 获取所有的 Session
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Session sessions[] = findSessions();
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int expireHere = 0 ;
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for (int i = 0; i < sessions.length; i++) {
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// Session 的过期是在isValid()方法里处理的
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if (sessions[i]!=null && !sessions[i].isValid()) {
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expireHere++;
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}
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}
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}
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backgroundProcess由Tomcat后台线程调用，默认是每隔10秒调用一次，但是Session的清理动作不能太频繁，因为需要遍历Session列表，会耗费CPU资源，所以在backgroundProcess方法中做了取模处理，backgroundProcess调用6次，才执行一次Session清理，也就是说Session清理每60秒执行一次。
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Session事件通知
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按照Servlet规范，在Session的生命周期过程中，要将事件通知监听者，Servlet规范定义了Session的监听器接口：
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public interface HttpSessionListener extends EventListener {
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//Session创建时调用
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public default void sessionCreated(HttpSessionEvent se) {
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}
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//Session销毁时调用
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public default void sessionDestroyed(HttpSessionEvent se) {
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}
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}
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注意到这两个方法的参数都是HttpSessionEvent，所以Tomcat需要先创建HttpSessionEvent对象，然后遍历Context内部的LifecycleListener，并且判断是否为HttpSessionListener实例，如果是的话则调用HttpSessionListener的sessionCreated方法进行事件通知。这些事情都是在Session的setId方法中完成的：
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session.setId(id);
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@Override
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public void setId(String id, boolean notify) {
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//如果这个id已经存在，先从Manager中删除
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if ((this.id != null) && (manager != null))
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manager.remove(this);
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this.id = id;
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//添加新的Session
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if (manager != null)
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manager.add(this);
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//这里面完成了HttpSessionListener事件通知
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if (notify) {
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tellNew();
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}
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}
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从代码我们看到setId方法调用了tellNew方法，那tellNew又是如何实现的呢？
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public void tellNew() {
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// 通知org.apache.catalina.SessionListener
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fireSessionEvent(Session.SESSION_CREATED_EVENT, null);
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// 获取Context内部的LifecycleListener并判断是否为HttpSessionListener
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Context context = manager.getContext();
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Object listeners[] = context.getApplicationLifecycleListeners();
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if (listeners != null && listeners.length > 0) {
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//创建HttpSessionEvent
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HttpSessionEvent event = new HttpSessionEvent(getSession());
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for (int i = 0; i < listeners.length; i++) {
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//判断是否是HttpSessionListener
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if (!(listeners[i] instanceof HttpSessionListener))
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continue;
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HttpSessionListener listener = (HttpSessionListener) listeners[i];
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//注意这是容器内部事件
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context.fireContainerEvent("beforeSessionCreated", listener);
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//触发Session Created 事件
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listener.sessionCreated(event);
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//注意这也是容器内部事件
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context.fireContainerEvent("afterSessionCreated", listener);
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}
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}
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}
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上面代码的逻辑是，先通过StandardContext将HttpSessionListener类型的Listener取出，然后依次调用它们的sessionCreated方法。
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本期精华
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今天我们从Request谈到了Session的创建、销毁和事件通知，里面涉及不少相关的类，下面我画了一张图帮你理解和消化一下这些类的关系：
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Servlet规范中定义了HttpServletRequest和HttpSession接口，Tomcat实现了这些接口，但具体实现细节并没有暴露给开发者，因此定义了两个包装类，RequestFacade和StandardSessionFacade。
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Tomcat是通过Manager来管理Session的，默认实现是StandardManager。StandardContext持有StandardManager的实例，并存放了HttpSessionListener集合，Session在创建和销毁时，会通知监听器。
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课后思考
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TCP连接的过期时间和Session的过期时间有什么区别？
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不知道今天的内容你消化得如何？如果还有疑问，请大胆的在留言区提问，也欢迎你把你的课后思考和心得记录下来，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得今天有所收获，欢迎你把它分享给你的朋友。
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