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在现代 web 应用中，JWT（JSON Web Tokens）被广泛用于用户身份验证。本文将展示如何创建一个自定义的 JWT 生成与验证类 JwtPlus，该类使用对称加密算法，并支持灵活的配置选项。我们将通过以下步骤实现这个功能：

1. 背景介绍

JWT 的结构通常包含三个部分：头部（Header）、载体（Payload）和签名（Signature）。通过对这三个部分进行编码和加密，JWT 能够安全地传递用户信息。有效的 JWT 需要在客户端和服务器之间传递，因此确保它们的安全性是至关重要的。

2. 主要功能需求

生成 JWT：支持自定义 Header 和 Claims，并使用对称加密算法生成签名。
验证 JWT：能够验证签名的有效性，并提取载体部分的数据。
支持自定义算法：允许开发者使用不同的加密算法。

3. 实现步骤

3.1. 创建 Algorithm 类

该类用于定义加密算法及其密钥：

public class Algorithm {private String name;private String key;public Algorithm(String name, String key) {this.name = name;this.key = key;}public String getName() {return name;}public String getKey() {return key;}
}

3.2. 创建 JwtPlus 类

这是我们主要的 JWT 处理类，包含生成和验证的逻辑。

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Base64;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;public class JwtPlus {private Map<String, String> header;private Map<String, String> claims;private Algorithm algorithm;// 私有构造函数，防止直接实例化private JwtPlus(Builder builder) {this.header = builder.header;this.claims = builder.claims;this.algorithm = builder.algorithm;}// 静态方法，用于获取 Builder 实例public static Builder builder() {return new Builder();}// 静态方法，用于获取 JwtVerifier 实例public static JwtVerifier require() {return new JwtVerifier();}// 生成 Token 方法public String sign() {if (header == null || header.isEmpty()) {header = new HashMap<>();header.put("alg", algorithm.getName());header.put("typ", "JWT");}String headerEncoded = encodeBase64(mapToString(header));String claimsEncoded = encodeBase64(mapToString(claims));String signature = generateSignature(headerEncoded, claimsEncoded);return headerEncoded + "." + claimsEncoded + "." + signature;}// 生成签名private String generateSignature(String header, String claims) {try {String data = header + "." + claims;Mac mac = Mac.getInstance(algorithm.getName());SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(algorithm.getKey().getBytes(StandardCharsets.UTF_8), algorithm.getName());mac.init(secretKeySpec);byte[] signatureBytes = mac.doFinal(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));return encodeBase64(new String(signatureBytes, StandardCharsets.UTF_8));} catch (Exception e) {throw new RuntimeException("Error generating signature", e);}}// 内部类 JwtVerifierpublic static class JwtVerifier {private String secretKey;private Algorithm algorithm;public JwtVerifier secret(String secretKey) {this.secretKey = secretKey;return this;}public JwtVerifier algorithm(Algorithm algorithm) {this.algorithm = algorithm;return this;}public boolean verify(String token) {String[] parts = token.split("\\.");if (parts.length != 3) {return false;}String headerEncoded = parts[0];String claimsEncoded = parts[1];String signature = parts[2];String expectedSignature = JwtPlus.builder().claims(new HashMap<>()) // 空 claims 仅用于签名.algorithm(algorithm).build().generateSignature(headerEncoded, claimsEncoded);return expectedSignature.equals(signature);}public Map<String, String> getClaims(String token) {String[] parts = token.split("\\.");if (parts.length != 3) {throw new IllegalArgumentException("Invalid Token format");}String claimsEncoded = parts[1];return stringToMap(decodeBase64(claimsEncoded));}}// 其他方法保持不变private static String encodeBase64(String data) {return Base64.getUrlEncoder().withoutPadding().encodeToString(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));}private static String decodeBase64(String data) {return new String(Base64.getUrlDecoder().decode(data), StandardCharsets.UTF_8);}private static String mapToString(Map<String, String> map) {StringBuilder sb = new StringBuilder();for (Map.Entry<String, String> entry : map.entrySet()) {sb.append(entry.getKey()).append("=").append(entry.getValue()).append(";");}return sb.toString();}private static Map<String, String> stringToMap(String token) {Map<String, String> map = new HashMap<>();String[] pairs = token.split(";");for (String pair : pairs) {String[] keyValue = pair.split("=");if (keyValue.length == 2) {map.put(keyValue[0], keyValue[1]);}}return map;}// Builder 类public static class Builder {private Map<String, String> header = new HashMap<>();private Map<String, String> claims = new HashMap<>();private Algorithm algorithm = new Algorithm("HmacSHA256", "default_secret_key");public Builder withHeader(Map<String, String> header) {this.header.putAll(header);return this;}public Builder claim(String key, String value) {this.claims.put(key, value);return this;}public Builder claims(Map<String, String> claims) {this.claims.putAll(claims);return this;}public Builder algorithm(Algorithm algorithm) {this.algorithm = algorithm;return this;}public JwtPlus build() {return new JwtPlus(this);}}
}

4. 调用示例

以下是如何使用 JwtPlus 和 JwtVerifier 的示例：

public class TokenExample {public static void main(String[] args) {// 使用 builder 模式生成 TokenAlgorithm algorithm = new Algorithm("HmacSHA256", "your_secret_key");String token = JwtPlus.builder().claim("userId", "12345").claim("role", "admin").algorithm(algorithm).build().sign();System.out.println("Generated Token: " + token);// 使用 JwtVerifier 验证 TokenJwtPlus.JwtVerifier verifier = JwtPlus.require().secret("your_secret_key").algorithm(algorithm);boolean isValid = verifier.verify(token);System.out.println("Is Token valid? " + isValid);// 获取 Token 中的载体部分Map<String, String> claims = verifier.getClaims(token);System.out.println("Claims: " + claims);}
}

5. 实现原理与方法

Token 结构：JWT 由三部分组成，分别为 Header、Payload 和 Signature。Header 指定了所使用的签名算法，Payload 存放用户信息，Signature 则是使用 Header 和 Payload 生成的。
生成 JWT：

使用 Builder 模式构建 JWT 对象。
编码 Header 和 Payload，并生成签名。
最终将三个部分通过点（.）连接成一个字符串。

验证 JWT：

使用 JwtVerifier 类来验证 JWT 的有效性。
验证过程包括拆分 Token，重新生成签名，并与原始签名进行比较。

灵活性：通过 Algorithm 类，可以方便地实现对称加密算法的切换，使得代码更加灵活且易于扩展。

结论

本文展示了如何使用 Java 创建一个自定义的 JWT 生成与验证类，具有灵活的算法选择和安全的签名生成。这种方法为开发现代 web 应用提供了可靠的身份验证机制，同时保持了代码的可维护性和扩展性。希望这能帮助你在项目中实现 JWT 认证！