介绍

        验证码，作为一种基本的安全措施，帮助在用户验证过程中防止自动化滥用。在这篇博客中，我将分享如何在 Java Web 应用程序中从头开始实现一个简单但有效的验证码功能

效果图如下:

注：本文仅介绍验证码功能的原理和简单实现，大家应根据具体应用场景和需求对代码做出修改和完善

环境与技术栈

环境和技术栈

  • 开发环境：IntelliJ IDEA
  • 后端技术：Java, Servlet
  • 前端技术：HTML, JavaScript
  • 工具类：CaptchaUtils.java

实现步骤：

  • 生成验证码图像：使用 Java 的图形和文本 API，如 java.awt 包中的类，来生成包含随机字符的图像。可以使用 BufferedImage 类创建图像，并用 Graphics2D 类来绘制随机生成的字符和干扰线等。
  • 存储验证码信息：生成的验证码需要在服务器端进行存储，以便验证用户输入的验证码是否正确。这通常通过会话（Session）来实现。
  • 提供刷新功能：允许用户通过点击“换一换”来获取新的验证码。这通常涉及到一个 JavaScript 函数，它会发起一个请求到服务器以获取新的验证码图像。
  • 前端展示：在用户界面上显示验证码图像，并提供一个输入框供用户输入验证码。同时，提供一个“换一换”链接，用户点击连接或者验证码图像可以刷新验证码。
  • 验证用户输入：当用户提交表单时，后端将检查用户输入的验证码与会话中存储的验证码是否匹配。

步骤实现与解析：

一.创建验证码工具类

        在 Java Web 应用程序中实现验证码功能的核心在于 CaptchaUtils 工具类。这个类负责生成验证码图片并输出到客户端。以下是这个类的关键功能以及它们如何协同工作：

  1. 生成随机字符串  ：生成随机字符串作为验证码的文本。首先定义一个包含所有可能字符（大写字母、小写字母、数字）的字符串，然后使用 Java 的 Random 类来随机选择其中的字符来构建一个指定长度的验证码字符串。
  2. 创建图像：创建一个包含验证码文本的图像。使用 BufferedImage 类来创建空白图像，最后利用 Graphics2D 对象在图像上绘制生成的随机字符串。可以设置字体、大小和颜色以增强视觉效果和安全性。
  3. 增加噪点和干扰线：通过添加噪点和干扰线使自动识别变得更困难。在图像上随机绘制小点和线条。这些干扰元素增加了验证码破解的难度，同时对人类用户的识别影响较小。
  4. 输出图像：将生成的验证码图像输出到客户端。使用 ImageIO.write 方法将 BufferedImage 输出到 HttpServletResponse 的输出流中。

完整代码如下：

package zua.util;
import javax.imageio.ImageIO;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.awt.*;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.IOException;
import java.util.Random;

public class CaptchaUtils {

    //定义验证码图像属性
    private static final int WIDTH = 80;//图像宽度
    private static final int HEIGHT = 40;//图像高度
    private static final int LENGTH = 4;//验证码字符数量
    private static final Random random = new Random();// 用于生成随机数，便于设置rgb参数

    /**
     * 创建验证码图像并返回验证码上的文本
     *
     * @param response HttpServletResponse, 用于输出图像到客户端
     * @return 返回生成的验证码文本
     */

    public static String createCaptchaImage(HttpServletResponse response) {
        // 创建BufferedImage对象，这是一个包含图像数据的缓冲区
        BufferedImage image = new BufferedImage(WIDTH, HEIGHT, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
        // 获取Graphics2D对象，可以在图像上进行绘制
        Graphics2D g = image.createGraphics();

        // 设置背景色为白色并填充整个图像区域
        g.setColor(Color.WHITE);
        g.fillRect(0, 0, WIDTH, HEIGHT);

        // 设置字体，使用Arial字体，加粗，大小20
        g.setFont(new Font("Arial", Font.BOLD, 20));

        // 随机生成验证码文本字符
        String captchaText = generateRandomText(LENGTH);
        int x = 10; // 横坐标开始位置
        // 逐个绘制验证码中的字符
        for (char c : captchaText.toCharArray()) {
            // 随机生成字符颜色(rgb)
            g.setColor(new Color(random.nextInt(255), random.nextInt(255), random.nextInt(255)));
            // 绘制字符，并随机调整字符的垂直位置
            g.drawString(String.valueOf(c), x, 20 + random.nextInt(20));
            x += 20;// 将横坐标移动到下一个字符的绘制位置
        }

        // 添加噪点，使图像中的验证码不易被自动识别
        g.setColor(Color.LIGHT_GRAY);
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            int x1 = random.nextInt(WIDTH);
            int y1 = random.nextInt(HEIGHT);
            int x2 = random.nextInt(12);
            int y2 = random.nextInt(12);
            g.drawLine(x1, y1, x1 + x2, y1 + y2);// 绘制一条小线段，代表噪点
        }

        // 完成图像的绘制，释放图形上下文使用的系统资源
        g.dispose();

        // 设置响应内容类型为JPEG图像
        response.setContentType("image/jpeg");
        try {
            // 将创建的图像写入响应的输出流中
            ImageIO.write(image, "JPEG", response.getOutputStream());
            // 刷新输出流，确保图像数据完整发送
            response.getOutputStream().flush();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 返回生成的验证码文本
        return captchaText;
    }

    /**
     * 生成随机文本，用于验证码
     *
     * @param length 需要生成的文本长度
     * @return 返回生成的随机文本
     */
    private static String generateRandomText(int length) {
        // 定义可能出现在验证码中的字符
        String chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789";
        // 随机选择字符并添加到StringBuilder中
        StringBuilder sb = new StringBuilder(length);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 将StringBuilder转换为字符串并返回
            sb.append(chars.charAt(random.nextInt(chars.length())));
        }
        return sb.toString();
    }
}

二.Servlet处理

        接下来，我们创建 CaptchaServlet 类来处理生成验证码的请求。在 doGet 方法中，我们调用 CaptchaUtils 来生成图像并将验证码文本保存在 session 中。在 doPost 方法中，我们比较用户输入的验证码和 session 中设定的的验证码。

代码如下：

package zua.servlet;

import com.google.gson.Gson;
import zua.util.CaptchaUtils;

import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.annotation.WebServlet;
import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import javax.servlet.http.HttpSession;
import java.io.Console;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;

@WebServlet("/captcha")
public class CaptchaServlet extends HttpServlet {

    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        // 创建验证码图片并返回图片上的文本
        String captchaText = CaptchaUtils.createCaptchaImage(response);
        // 将验证码文本保存到Session中
        HttpSession session = request.getSession();
        session.setAttribute("captcha", captchaText);
    }

    protected void doPost(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {
        // 获取用户输入的验证码
        String userInputCaptcha = request.getParameter("captcha");

        // 从Session中获取真正的验证码
        HttpSession session = request.getSession();
        String realCaptcha = (String) session.getAttribute("captcha");


        // 比较用户输入的验证码和真正的验证码是否一致
        // 设置响应类型为JSON
        response.setContentType("application/json");
        PrintWriter out = response.getWriter();
        Gson gson=new Gson();//gson需要相应jar包，如没有下面选其一种方式即可：
        /*
        * maven:
        * <dependency>
            <groupId>com.google.code.gson</groupId>
            <artifactId>gson</artifactId>
            <version>2.10.1</version>
          </dependency>
          *
          * jar下载路径：
          * https://mvnrepository.com/artifact/com.google.code.gson/gson/2.10.1
        * */
        String json;
        if (userInputCaptcha != null && userInputCaptcha.equalsIgnoreCase(realCaptcha)) {
            json=gson.toJson("success");
        } else {
            json=gson.toJson("fail");
        }
        out.write(json);
    }
}

 注意：示例中用的gson格式数据，需要下载jar包或在pow里添加依赖，代码中已给出下载地址和maven依赖，根据需求选用其一即可

三.客户端实现

        在 HTML 页面中，我们使用一个 img 标签来显示验证码图像，并提供一个刷新链接。JavaScript 用于处理验证码的刷新和表单提交。

代码如下：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Captcha Example</title>

</head>
<body style="text-align: center">
<!-- 用户输入验证码的文本框 -->
<input type="text" name="captcha" id="captcha" style="width: 160px;height: 40px"/>
<!-- 显示验证码图像 -->
<a href="#" onclick="refreshCaptcha(); return false;">
    <img src="/web/captcha" id="captchaImage" alt="Captcha" />
</a>
<!-- 用户点击后刷新验证码的链接 -->
<a href="#" onclick="refreshCaptcha(); return false;">换一换</a><br>
<span id="error" style="color: red"></span><br>
<input type="button" value="提交" id="btn">
<script type="text/javascript">
    // 当用户点击“换一换”链接时，调用此函数以刷新验证码图像
    function refreshCaptcha() {
        var captchaImage = document.getElementById('captchaImage');
        // 更新图像的src属性，因为是get请求，所以要在后面添加一个时间戳以防止浏览器缓存图像
        captchaImage.src = '/web/captcha?' + new Date().getTime();
    }

    //输入框获得焦点时擦除错误信息
    document.getElementById('captcha').onclick=function (){
        document.getElementById("error").innerHTML="";
    }

    //点击提交时检查验证码
    document.getElementById('btn').onclick=function (){
        const captcha = document.getElementById('captcha').value.trim();//获得用户输入值
        if (captcha===""){//用户输入为空时提示错误信息
            document.getElementById("error").innerHTML='请输入验证码';
        }else {//用户输入格式正确则发送ajax请求
            fetch('/web/captcha', {
                method: 'POST', // 使用 POST 方法提交数据
                headers: {
                    'Content-Type': 'application/x-www-form-urlencoded' // 指定请求的内容类型
                },
                body: 'captcha='+ captcha  //键=值格式
            })
                .then(response => response.json()) // 解析文本响应
                .then(data => {
                    console.log(data)
                    if (data==="success") {
                        alert('验证成功')
                    } else {
                        refreshCaptcha();
                        document.getElementById("error").innerHTML='验证码错误，请重新输入';
                    }
                })
                .catch(error => console.error('Error： ', error));
        }


    }


</script>
</body>
</html>
注：注意服务请求路径要根据自己的项目结构进行。示例中路径/web/captcha是一个指向 CaptchaServlet 的请求路径。这个路径在 CaptchaServlet 类上使用 @WebServlet 注解定义
客户端接收图像的过程解析:

1.在HTML中放置一个<img>标签：
        这个<img>标签有一个src属性，指向服务器上的验证码图片资源。例如，<img src="captcha" id="captchaImage" alt="Captcha" />。当浏览器解析到这个标签时，它会向服务器发送一个GET请求以获取src属性指定的资源。

2.服务器生成图像：
        当请求到达服务器，并被映射到你的CaptchaServlet时，doGet方法会被调用。在doGet方法中，CaptchaUtils.createCaptchaImage(response);会负责生成一个图像，并将其写入到响应的输出流中。

3.响应与图像数据：
        服务器响应请求并将图像数据作为响应体发送回客户端。此时，响应的MIME类型应该被设置为图像的MIME类型（如image/png）。

4.浏览器接收并渲染图像：
        浏览器接收到包含图像数据的响应后，就会在<img>标签的位置渲染图像。

5.刷新验证码：
        当用户点击“换一换”时，refreshCaptcha函数会被调用。这个函数会通过更改<img>标签的src属性来强制浏览器重新请求验证码。它通过附加当前时间戳来确保请求不会被浏览器缓存，从而获取新的验证码图像。

        所以，客户端接收图像的关键在于<img>标签的src属性指向你的CaptchaServlet，它负责生成和发送图像数据。

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