JVM DNS Cache

关注

原创 2024-03-01 09:38:28 2.6k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Java应用UnknownHostException排查指南：从DNS原理到架构优化 DNS解析是网络通信的基础环节，它将人类可读的域名转换为机器可识别的IP地址，是分布式系统和微服务架构中服务发现与调用的关键技术支撑。其工作原理涉及本地缓存、操作系统查询及远程DNS服务器协作，确保网络请求能够准确路由。在Java应用中，DNS解析的稳定性直接影响服务可用性，不当的缓存策略或配置错误可能导致 `UnknownHostException`，进而引发服务调用失败。本文聚焦于 `UnknownHostException` 这一典型故障，结合 **JVM参数调优** 与 **服务发现机制**，系统阐阅读详情

背景

JVM DNS Cache机制，在应用程序使用域名来访问外部服务时可能会存在问题。

举个例子：

在做应用容灾秒级切换场景中，应用层通过域名访问中间件服务，若应用层DNS Cache没有及时更新，则无法做到秒级切换，因为DNS Cache中缓存的是旧的IP地址。

特别是，多数中间件服务会对外提供域名的方式来提供服务，对外屏蔽底层的高可用切换。应用程序往往是先解析域名，获得IP地址，再通过IP跟中间件进行数据传输。若IP地址迟迟没更新，即使中间件服务做了高可用切换，应用层还是感知不到。

本文对JVM DNS Cache机制进行探究分析。

JVM DNS解析域名是使用java.net.InetAddress这个类来实现域名解析服务。

常见的用法如下

       InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("youkuaiyun.com");
       System.out.println(inetAddress);

InetAddress源码剖析

查看InetAddress源码。

主要是这个内部类来缓存过期时间、地址。

验证

原理

通过定期解析域名地址，并设置休眠时间，查看缓存的过期时间

方法

通过反射机制查看Cache过期时间。

环境

使用JVM 11来作为验证环境

代码

import java.lang.reflect.Field;
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
import java.security.Security;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.TimeUnit;


public class DnsCache {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //   判断是否有Security Manager
        System.out.println(System.getSecurityManager());
        // negative取得到值
        System.out.println(Security.getProperty("networkaddress.cache.negative.ttl"));
        // 这个取不到值，返回结果是null
        System.out.println(Security.getProperty("networkaddress.cache.ttl"));
        printDns("www.baidu.com");

        System.out.println("Sleep 10 Second");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        printDns("www.baidu.com");

        System.out.println("Sleep 19 Second");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(19);
        printDns("www.baidu.com");

        System.out.println("Sleep 2 Second");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        printDns("www.baidu.com");

        System.out.println("Sleep 10 Second");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        printDns("www.baidu.com");
    }

    private static void printDns(String domain) throws UnknownHostException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // do dns resolve
        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName(domain);
        System.out.println(inetAddress);
        Class inetAddressClass = java.net.InetAddress.class;
        final Field cacheField = inetAddressClass.getDeclaredField("cache");
        cacheField.setAccessible(true);
        final Map cacheMap = (Map) cacheField.get(inetAddressClass);
        cacheMap.forEach((k, v) -> {
            Class cacheEntryClass = v.getClass();
            try {
                Field expf = cacheEntryClass.getDeclaredField("expiryTime");
                expf.setAccessible(true);
                long expires = (Long) expf.get(v);
                Field af = cacheEntryClass.getDeclaredField("inetAddresses");
                af.setAccessible(true);
                InetAddress[] addresses = (InetAddress[]) af.get(v);
                List<String> ads = new ArrayList<String>(addresses.length);
                for (InetAddress add : addresses) {
                    ads.add(add.getHostAddress());
                }
                System.out.println(new Date() + ",Host:" + k + ", Cache Expires At：" + new Date(expires) + ",Address：" + ads);
            } catch (NoSuchFieldException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (IllegalAccessException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
    }
}

结果

可以看到，在29秒前，Cache还是不变。

在31秒后，Cache发生了更改。

猜测缓存默认是30秒。

官方解释

JDK 8 & 11

Oracle JDK 8

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/net/properties.html

JDK 11

Networking Properties (Java SE 11 & JDK 11 )

若设置-1，则永不过期（在JVM运行期间），需要重启JVM或者手动设置此值才会变更。

查看Security文件（java安装环境下，%JAVA_HOME%/conf/security/java.security）

大概翻译下：默认是永不过期。但是有个例外，如果没有设置Security Manager，则默认过期时间是30秒。

那么怎么查看有没有设置Security Manager呢

输出为Null，则表示没有设置，所以本文的JVM环境，DNS Cache TTL默认就是30秒

 System.out.println(System.getSecurityManager());

其它版本JDK

其它版本的JDK，可以在帮助中心，全局搜一下此参数。

Oracle Help Center - Search

JVM如何读取DNS TTL配置

源码

InetAddress中使用了sun.net.InetAddressCachePolicy来获取缓存策略，可以细看下这个类

读取过程

优先从Security Policy配置文件读取

networkaddress.cache.ttl

读取不到就读取系统变量

sun.net.inetaddr.ttl

若此系统变量还是读取不到，则判断有没有设置SecurityManager，没有的化，就设置默认值30.

如何查看JVM DNS TTL

有了上述的加载过程，就比较容易理解了。

import java.security.Security;

public class JVMDnsCacheManager {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //   判断是否有Security Manager
        System.out.println(System.getSecurityManager());
        
        System.out.println(Security.getProperty("networkaddress.cache.ttl"));
        System.out.println(System.getProperty("sun.net.inetaddr.ttl"));
        
        // 设置后，可以取到值
        Security.setProperty("networkaddress.cache.ttl" , "20");
        System.out.println(Security.getProperty("networkaddress.cache.ttl"));
    }
}

如何修改JVM DNS TTL

方式一使用代码更改TTL

注意，必须在使用InetAddress之前更改，若程序已经使用了InetAddress进行域名解析，则再使用程序的方式进行修改就不生效。（所以无法动态更改此参数，一旦设置，需要重启应用）

请看如下试验

import java.lang.reflect.Field;
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
import java.security.Security;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.concurrent.TimeUnit;


public class DnsCache {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //   判断是否有Security Manager
        System.out.println(System.getSecurityManager());
        // negative取得到值
        System.out.println(Security.getProperty("networkaddress.cache.negative.ttl"));
        // 这个取不到值，返回结果是null
        System.out.println(Security.getProperty("networkaddress.cache.ttl"));

        //  change the Cache TTL to 10 Second
        System.out.println("We set the ttl to 10 Second");
        Security.setProperty("networkaddress.cache.ttl" , "10");
        printDns("www.baidu.com");

        System.out.println("Sleep 2 Second");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        printDns("www.baidu.com");
        System.out.println("Sleep 9 Second,Total Sleep 11 Second");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(9);
        printDns("www.baidu.com");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("Sleep 5 Second,Total Sleep 16 Second");
        printDns("www.baidu.com");

        TimeUnit.SECONDS.sleep(15);

        // 验证在使用InetAddress进行域名解析后，再设置Cache TTL是否生效
        System.out.println("We set the ttl to 3 Second");
        Security.setProperty("networkaddress.cache.ttl" , "3");
        printDns("www.baidu.com");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println("Sleep 5 Second,Total Sleep 5 Second");
        printDns("www.baidu.com");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(6);
        System.out.println("Sleep 6 Second,Total Sleep 11 Second");
        printDns("www.baidu.com");
    }

    private static void printDns(String domain) throws UnknownHostException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // do dns resolve
        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName(domain);
        System.out.println(inetAddress);
        Class inetAddressClass = java.net.InetAddress.class;
        final Field cacheField = inetAddressClass.getDeclaredField("cache");
        cacheField.setAccessible(true);
        final Map cacheMap = (Map) cacheField.get(inetAddressClass);
        cacheMap.forEach((k, v) -> {
            Class cacheEntryClass = v.getClass();
            try {
                Field expf = cacheEntryClass.getDeclaredField("expiryTime");
                expf.setAccessible(true);
                long expires = (Long) expf.get(v);
                Field af = cacheEntryClass.getDeclaredField("inetAddresses");
                af.setAccessible(true);
                InetAddress[] addresses = (InetAddress[]) af.get(v);
                List<String> ads = new ArrayList<String>(addresses.length);
                for (InetAddress add : addresses) {
                    ads.add(add.getHostAddress());
                }
                System.out.println(new Date() + ",Host:" + k + ", Cache Expires At：" + new Date(expires) + ",Address：" + ads);
            } catch (NoSuchFieldException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (IllegalAccessException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
    }
}

试验结果

所以最好在整个应用Init入口进行初始化设置，防止不生效。

方式二修改Security配置文件

方式三设置JVM启动变量

如下所示，设置启动参数。

-Dsun.net.inetaddr.ttl=10

按照JVM读取DNS Cache TTL逻辑，正确读取到了sun.net.inetaddr.ttl设置的10秒

总结

影响JVM Dns Cache主要有两个值

一个是解析成功的的缓存时间（networkaddress.cache.ttl），默认不过期（-1）；若没有设置Security Manager，则默认是30秒。
一个是解析不成功时的缓存时间（networkaddress.cache.negative.ttl），默认是10秒。设置成0，表示不缓存，设置成-1，表示一直缓存，不过期
推荐使用方式三，直接设置JVM启动参数的方式更改DNS Cache TTL值