你知道 java 获取本地 ip 地址有两种方法吗？讲讲隐藏在他们背后的哪些坑

2022-06-27 16:50:19 浏览数 (1)

1. 引言

本周进行了一个关于通过 java 代码获取本机 ip 地址的线上性能优化，这篇文章做一个总结，也提供一些 java 线上优化排查思路和更进一步的思考与总结。

2. 排查过程

2.1 发现锁等待

近期发现线上部分机器的性能有一定的下降，于是到线上机器上通过 jstack 命令打印堆栈信息，看到发生了很多锁等待：

2.2 最近一次修改

最近一次修改，是为了在日志中打印本机 ip 而增加了获取本机 ip 并放入 log4j2 的 mdc 的 filter：

代码语言：javascript复制
@Component
public class LocalIpFilter extends OncePerRequestFilter {
   @Override
 protected void doFilterInternal(HttpServletRequest httpServletRequest, HttpServletResponse httpServletResponse, FilterChain filterChain)
           throws ServletException, IOException {
       String localIp;
       try {
           localIp = InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();
      } catch (Exception ignore) {
           localIp = "unknown";
      }
       MDC.put("local_ip", localIp);
       filterChain.doFilter(httpServletRequest, httpServletResponse);
  }
}

2.3 InetAddress.getLocalHost() 源码

查看 InetAddress.getLocalHost() 的源码：

代码语言：javascript复制
public static InetAddress getLocalHost() throws UnknownHostException {
 SecurityManager security = System.getSecurityManager();
 try {
   String local = impl.getLocalHostName();

   if (security != null) {
     security.checkConnect(local, -1);
  }

   if (local.equals("localhost")) {
     return impl.loopbackAddress();
  }

   InetAddress ret = null;
   synchronized (cacheLock) {
     long now = System.currentTimeMillis();
     if (cachedLocalHost != null) {
       if ((now - cacheTime) < maxCacheTime) // Less than 5s old?
         ret = cachedLocalHost;
       else
         cachedLocalHost = null;
    }

     // we are calling getAddressesFromNameService directly
     // to avoid getting localHost from cache
     if (ret == null) {
       InetAddress[] localAddrs;
       try {
         localAddrs =
           InetAddress.getAddressesFromNameService(local, null);
      } catch (UnknownHostException uhe) {
         // Rethrow with a more informative error message.
         UnknownHostException uhe2 =
           new UnknownHostException(local   ": "  
                                    uhe.getMessage());
         uhe2.initCause(uhe);
         throw uhe2;
      }
       cachedLocalHost = localAddrs[0];
       cacheTime = now;
       ret = localAddrs[0];
    }
  }
   return ret;
} catch (java.lang.SecurityException e) {
   return impl.loopbackAddress();
}
}

果然存在加锁逻辑。

这个方法的执行逻辑是：

  1. 调用 Inet4AddressImpl.getLocalHostName() 获取本机 hostname；
  2. 通过 synchronized 加锁；
  3. 尝试从缓存中获取；
  4. 如果从缓存中获取失败或缓存失效（失效时间：5秒），则通过本机 hostname 调用 nameService.lookupAllHostAddr() 获取 hostname 对应的 ip；
  5. 如果获取成功则将获取到的 ip 放入缓存中。

2.3 现象分析

  1. 由于本地 ip 属于静态信息，不应该通过 filter 机制在每次调用中临时获取，而是应该在项目启动时获取一次，然后存储在全局的固定位置中，例如单例的类实例或是 System.property 等；
  2. 能够显著影响线上性能，说明很可能并没有获取到本机 ip 放入缓存，导致每次调用都执行了全部逻辑，这条待下文验证。

3. 抓包源码分析

要想知道 InetAddress.getLocalHost() 具体干了什么，我们需要了解 Inet4AddressImpl.getLocalHostName() 与 nameService.lookupAllHostAddr() 两个方法做了什么。

3.1 查看 native 代码对应的 C 语言代码

查看 native 方法对应的 c 代码，可以知道：

  1. Inet4AddressImpl.getLocalHostName() 调用的是 C 语言标准库的 gethostname() 函数；
  2. nameService.lookupAllHostAddr() 调用的是 C 语言标准库的 gethostbyname() 函数。

3.2 C 语言标准库函数的实现

  1. 在 linux 系统中，标准库的 gethostname() 函数是通过系统调用 uname() 实现的；
  2. 标准库的 gethostbyname() 函数则是用以下方式实现的：
  • https://garlicspace.com/2019/05/11/gethostbyname函数实现分析/#gethostbyname_glibc229

gethostbyname() 函数的主要流程如下：

  1. 通过与 nscd 进程通信，获取 /etc/hosts 和 /etc/resolv.conf 文件内容，如果在 /etc/hosts 文件内容中没有匹配到对应的 ip 地址，则通过 /etc/resolv.conf 中配置的 DNS 地址，向 DNS 服务器发出域名解析请求；
  2. 如果 nscd 进程不存在，则通过 /etc/nsswitch.conf 中配置的获取顺序到指定目标中获取。

由于线上机器没有 nscd 进程，而 /etc/nsswitch.conf 中配置的是 “hosts: files dns”，表示先读取 /etc/hosts，如果在 /etc/hosts 文件内容中没有匹配到对应的 ip 地址则查询 DNS。

3.3 验证

通过循环调用测试代码，并通过 strace 命令抓取系统调用信息，可以看到：

strace -tt -T -f -e ‘trace=!futex,epoll_wait’ -p {pid}

可见，如上文所述，机器确实在读取 hosts 文件后与 127.0.0.1:53 通信，127.0.0.1:53 就是 /etc/resolv.conf 文件中配置的 DNS 服务 ip 与端口。

进一步，我们通过 tcpdump 对 lo 网卡 53 端口抓包，再用 wireshark 分析：

tcpdump -i lo port 53 -w output.pcap

可见，程序无法通过 127.0.0.1:53 获取到 DNS 中的本机 ip。

符合我们上文的猜测。

4. 解决方案

除了由于 /etc/hosts 文件与 DNS 中都没有本机 hostname 的对应配置造成获取本机 ip 地址失败同时性能受到影响外，按照这样的获取机制，一旦 hosts 文件中配置的本机 hostname 对应的 ip 有误，就会导致取到错误的本机 ip。

事实上，java 还提供了另一种方法获取本机 ip：

代码语言：javascript复制
public List<String> getLocalIps() {
 try {
   List<String> ipList = new ArrayList<>();
   Enumeration<NetworkInterface> networkInterfaces = NetworkInterface.getNetworkInterfaces();
   while (networkInterfaces.hasMoreElements()) {
     NetworkInterface networkInterface = networkInterfaces.nextElement();
     Enumeration<InetAddress> inetAddresses = networkInterface.getInetAddresses();
     while (inetAddresses.hasMoreElements()) {
       InetAddress inetAddress = inetAddresses.nextElement();
       if (inetAddress instanceof Inet4Address && !"127.0.0.1".equals(inetAddress.getHostAddress())) {
         ipList.add(inetAddress.getHostAddress());
      }
    }
  }
} catch (Exception ignore) { }
 return ipLIst;
}

通过查看源码：

https://github.com/openjdk/jdk/blob/739769c8fc4b496f08a92225a12d07414537b6c0/src/java.base/unix/native/libnet/NetworkInterface.c

NetworkInterface.getNetworkInterfaces() 方法是通过 linux 系统调用 ioctl 传入 SIOCGIFCONF 参数获取的，与 ifconfig 底层实现相同，可以获取到真实的 ip 地址。

这个获取方法不仅避免了由于配置错误或没有配置造成的获取问题，也避免了锁等待造成的性能问题，经过测试，性能有了显著提升。

5. 结论

经过上述分析，有以下优化点：

  1. 本机 ip 等固定信息，不要在 filter 中获取，而要改为 spring 启动时获取一次，以避免性能损失。
  2. 不要使用 InetAddress.getLocalHost() 的方式获取本机 IP，而要使用 NetworkInterface 来获取，InetAddress.getLocalHost() 有以下问题：
    1. 通过 hosts 文件、DNS 服务获取，存在取不到或取到不正确的情况；
    2. 访问 DNS 服务存在性能问题；
    3. InetAddress.getLocalHost() 实现中加了 synchronized 锁，并发环境中会进一步影响性能。
tcp/ip dns 缓存 java

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