Nginx的DNS解析详细过程分析（建议收藏）

Nginx怎么做域名解析？怎么在你自己开发的模块里面使用Nginx提供的方法解析域名？它内部实现是什么样的？

本文以Nginx 1.5.1为例，从nginx_mail_smtp模块如何进行域名解析出发，分析Nginx进行域名解析的过程。为了简化流程，突出重点，在示例代码中省掉了一些异常部分的处理，比如内存分配失败等。

DNS查询分为两种：根据域名查询地址和根据地址查询域名，在代码结构上这两种方式非常相似，这里只介绍根据域名查询地址这一种方式。本文将从以下几个方面进行介绍：

1. 域名查询的函数接口介绍
2. 域名解析流程分析
3. 查询场景分析及实现介绍

一、域名查询的函数接口介绍

在使用同步IO的情况下，调用gethostbyname()或者gethostbyname_r()就可以根据域名查询到对应的IP地址, 但因为可能会通过网络进行远程查询，所以需要的时间比较长。

为了不阻塞当前线程，Nginx采用了异步的方式进行域名查询。整个查询过程主要分为三个步骤，这点在各种异步处理时都是一样的：

1. 准备函数调用需要的信息，并设置回调方法
2. 调用函数
3. 处理结束后回调方法被调用

另外，为了尽量减少查询花费的时间，Nginx还对查询结果做了本地缓存。为了初始化DNS Server地址和本地缓存等信息，需要在真正查询前需要先进行一些全局的初始化操作。

下面先从调用者的角度对每个步骤做详细的分析：

1. 初始化域名查询所需要的的全局信息
2. 需要初始化的全局信息包括：
3. 因为resolver是全局的，与任何一个connection都无关，所有需要放在一个随时都可以取到的地方，如 ngx_mail_core_srv_conf_t结构体上，在使用时从当前session找到ngx_mail_core_srv_conf_t，然后找到resolver。
4. DNS 服务器的信息需要在配置文件中明确指出，比如

#nginx.conf
 
resolver 8.8.8.8
#nginx 默认会根据DNS请求结果里的TTL值来进行缓存，
#当然也可以通过一个可选的参数valid来设置过期时间，如:
#resolver 127.0.0.1 [::1]:5353 valid=30s;

1. 下面根据配置中的resolver参数，初始化全局的ngx_resolver_t，其中保存了前面提及的DNS服务器地址和查询结果等信息:

static char *
ngx_mail_core_resolver(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
{
 ngx_mail_core_srv_conf_t *cscf = conf;
 ngx_str_t *value;
 value = cf->args->elts;
 
 cscf->resolver = ngx_resolver_create(cf, &value[1],
 cf->args->nelts - 1);
 return NGX_CONF_OK;
}

• DNS 服务器的地址，如果指定了多个服务器，nginx会采用Round Robin的方式轮流查询每个服务器
• 对查询结果的缓存，采用Red Black Tree的数据结构，以要查询名字的Hash作为Key, 节点信息存放在 struct ngx_resolver_node_t中。

1. 准备本次查询的信息
2. 和本次查询相关的信息放在ngx_resolver_ctx_t结构体中，包括要查询的名称，查询完的回调方法，以及超时时间等。如果本次要查询的地址已经是IPv4用点分隔的地址了，比如74.125.128.100, nginx会在ngx_resolve_start中进行判断，并设置好标志位，在调用ngx_resolve_name时不会发送真正的DNS查询请求。

static void
ngx_mail_smtp_resolve_name(ngx_event_t *rev)
{
 ngx_connection_t *c;
 ngx_mail_session_t *s;
 ngx_resolver_ctx_t *ctx;
 ngx_mail_core_srv_conf_t *cscf;
 
 c = rev->data;
 s = c->data;
 
 cscf = ngx_mail_get_module_srv_conf(s, ngx_mail_core_module);
 
 ctx = ngx_resolve_start(cscf->resolver, NULL);
 if (ctx == NULL) {
 ngx_mail_close_connection(c);
 return;
 }
 
 ctx->name = s->host;
 ctx->type = NGX_RESOLVE_A;
 ctx->handler = ngx_mail_smtp_resolve_name_handler;
 ctx->data = s;
 ctx->timeout = cscf->resolver_timeout;
 
 //根据名字进行IP地址查询
 if (ngx_resolve_name(ctx) != NGX_OK) {
 ngx_mail_close_connection(c);
 }
}

1. 根据名字进行IP地址查询
2. 前面方法的最后通过ngx_resolve_name方法进行IP地址查询。查询时，Nginx会先检查本地缓存，如果在缓存中，就更新缓存过期时间，并回调设置的handler, 如前面设置的：ngx_mail_smtp_resolve_name_handler，然后整个查询过程结束。如果没有在缓存中就发送查询请求给dns server，同时方法返回。
3. 查询完成后回调在ngx_resolver_ctx_t中指定的方法
4. 真正的DNS查询完成后，不管成功，失败或是超时，nginx会回调相应查询的handler, 如前面设置的：ngx_mail_smtp_resolve_name_handler。在handler中都需要调用ngx_resolve_addr_done来标识查询结束。

static void
ngx_mail_smtp_resolve_name_handler(ngx_resolver_ctx_t *ctx)
{
 in_addr_t addr;
 ngx_uint_t i;
 ngx_connection_t *c;
 struct sockaddr_in *sin;
 ngx_mail_session_t *s;
 
 s = ctx->data;
 c = s->connection;
 
 if (ctx->state) {
 ngx_log_error(NGX_LOG_ERR, c->log, 0,
 ""%V" could not be resolved (%i: %s)",
 &ctx->name, ctx->state,
 ngx_resolver_strerror(ctx->state));
 } else {
 /* AF_INET only */
 sin = (struct sockaddr_in *) c->sockaddr;
 
 for (i = 0; i < ctx->naddrs; i++) {
 addr = ctx->addrs[i];
 
 ngx_log_debug4(NGX_LOG_DEBUG_MAIL, c->log, 0,
 "name was resolved to %ud.%ud.%ud.%ud",
 (ntohl(addr) >> 24) & 0xff,
 (ntohl(addr) >> 16) & 0xff,
 (ntohl(addr) >> 8) & 0xff,
 ntohl(addr) & 0xff);
 
 if (addr == sin->sin_addr.s_addr) {
 goto found;
 }
 }
 
 s->host = smtp_unavailable;
 }
 
found:
 //不管成功失败都要执行
 ngx_resolve_name_done(ctx);
}

二、域名解析流程分析

通过Nginx进行域名查询的流程图如下，颜色越深花费的时间越长。调用过程分为三种：

1. 首先判断是不是IPv4地址，如果是就直接调用Handler
2. 再次检查是不是在缓存中，如果有，就调用Handler
3. 最后发送远程DNS请求，收到回复后调用Handler

三、查询场景分析及实现介绍

查询的地址是IP v4地址

比如74.125.128.100, nginx会在ngx_resolve_start中通过ngx_inet_addr方法进行判断，如果是IPv4的地址，就设置好标志位 ngx_resolver_ctx_t->quick，在接下来的ngx_resolve_name中会对这个标志位进行判断，如果为1，就直接调用ngx_resolver_ctx_t->handler

ngx_resolver_ctx_t *
ngx_resolve_start(ngx_resolver_t *r, ngx_resolver_ctx_t *temp)
{
 in_addr_t addr;
 ngx_resolver_ctx_t *ctx;
 
 if (temp) {
 addr = ngx_inet_addr(temp->name.data, temp->name.len);
 
 if (addr != INADDR_NONE) {
 temp->resolver = r;
 temp->state = NGX_OK;
 temp->naddrs = 1;
 temp->addrs = &temp->addr;
 temp->addr = addr;
 temp->quick = 1;
 
 return temp;
 }
 }
 ...
}

1. 超时没有得到查询结果
2. 调用ngx_resolve_name时设置的回调方法被调用，同时ngx_resolver_ctx_t->state被设置为NGX_RESOLVE_TIMEDOUT。相应的代码为：

static void
ngx_resolver_timeout_handler(ngx_event_t *ev)
{
 ngx_resolver_ctx_t *ctx;
 ctx = ev->data;
 ctx->state = NGX_RESOLVE_TIMEDOUT;
 ctx->handler(ctx);
}

1. 正常查询一个不在缓存中的域名
2. 如果要查询的域名不在缓存中，首先把域名按hash值放在缓存中，然后准备查询需要的数据，发送DNS查询的UDP请求给DNS服务器，

static ngx_int_t
ngx_resolve_name_locked(ngx_resolver_t *r, ngx_resolver_ctx_t *ctx)
{
 ngx_resolver_node_t *rn;
 rn = ngx_resolver_alloc(r, sizeof(ngx_resolver_node_t));
 ngx_rbtree_insert(&r->name_rbtree, &rn->node);
 ngx_resolver_create_name_query(rn, ctx);
 ngx_resolver_send_query(r, rn);
 
 rn->cnlen = 0;
 rn->naddrs = 0;
 rn->valid = 0;
 rn->waiting = ctx;
 
 ctx->state = NGX_AGAIN;
}
 
//收到DNS查询结果后的回调方法
static void
ngx_resolver_read_response(ngx_event_t *rev)
{
 ssize_t n;
 ngx_connection_t *c;
 u_char buf[NGX_RESOLVER_UDP_SIZE];
 c = rev->data;
 
 do {
 n = ngx_udp_recv(c, buf, NGX_RESOLVER_UDP_SIZE);
 if (n < 0) {
 return;
 }
 
 ngx_resolver_process_response(c->data, buf, n);
 } while (rev->ready);
}
 
static void
ngx_resolver_process_a(ngx_resolver_t *r, u_char *buf, size_t last,
 ngx_uint_t ident, ngx_uint_t code, ngx_uint_t nan, ngx_uint_t ans)
{
 hash = ngx_crc32_short(name.data, name.len);
 rn = ngx_resolver_lookup_name(r, &name, hash);
 
 //copy addresses to cached node
 rn->u.addrs = addrs;
 
 //回调所有等待本域名解析的请求
 next = rn->waiting;
 rn->waiting = NULL;
 
 while (next) {
 ctx = next;
 ctx->state = NGX_OK;
 ctx->naddrs = naddrs;
 ctx->addrs = (naddrs == 1) ? &ctx->addr : addrs;
 ctx->addr = addr;
 next = ctx->next;
 
 ctx->handler(ctx);
 }
}

1. 对同一域名查询多次查询
2. 如果多次查询时，之前的查询结果还在缓存中并且没有失效，就直接从缓存中取到查询结果，并调用设置的回调方法。

static ngx_int_t
ngx_resolve_name_locked(ngx_resolver_t *r, ngx_resolver_ctx_t *ctx)
{
 uint32_t hash;
 in_addr_t addr, *addrs;
 ngx_uint_t naddrs;
 ngx_resolver_ctx_t *next;
 ngx_resolver_node_t *rn;
 
 hash = ngx_crc32_short(ctx->name.data, ctx->name.len);
 rn = ngx_resolver_lookup_name(r, &ctx->name, hash);
 
 if (rn) {
 if (rn->valid >= ngx_time()) {
 naddrs = rn->naddrs;
 
 if (naddrs) {
 ctx->next = rn->waiting;
 rn->waiting = NULL;
 
 do {
 ctx->state = NGX_OK;
 ctx->naddrs = naddrs;
 ctx->addrs = (naddrs == 1) ? &ctx->addr : addrs;
 ctx->addr = addr;
 next = ctx->next;
 
 ctx->handler(ctx);
 
 ctx = next;
 } while (ctx);
 
 return NGX_OK;
 }
 }
 }
}

1. 得到查询结果时同时超时了
2. 如果在得到查询结果的同时，设置的超时时间也到期了，那该怎么办呢？Nginx会先处理各种网络读写事件，再处理超时事件，在处理网络事件时，会相应地把设置的定时器删除，所以在执行超时事件时就不会再执行了。

void
ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
{
 ngx_uint_t flags;
 ngx_msec_t timer, delta;
 
 //处理各种网络事件
 (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
 
 //处理各种timer事件，其中包含了查询超时
 ngx_event_expire_timers();
}

1. 得到查询结果时客户端已经关闭连接
2. 如果不做任何处理，那么在收到dns查询结果后，会回调查询时设置的回调方法，但因为连接已经被关闭，相应的内存已经被释放，所以会有非法内存访问的问题。怎么避免呢？在处理连接关闭事件时，同时需要调用ngx_resolve_name_done(ctx)方法,调用时需要把state设为NGX_AGAIN或者NGX_RESOLVE_TIMEDOUT，这样就会删除查询所设置的回调信息:

void ngx_close_xxx_session(ngx_xxx_session_t *s)
{
 if(s->resolver_ctx != NULL) {
 s->resolver_ctx->state = NGX_RESOLVE_TIMEDOUT;
 ngx_resolve_name_done(s->resolver_ctx);
 s->resolver_ctx = NULL;
 }
}
 
void ngx_resolve_name_done(ngx_resolver_ctx_t *ctx)
{
 uint32_t hash;
 ngx_resolver_t *r;
 ngx_resolver_ctx_t *w, **p;
 ngx_resolver_node_t *rn;
 
 r = ctx->resolver;
 if (ctx->state == NGX_AGAIN || ctx->state == NGX_RESOLVE_TIMEDOUT) {
 hash = ngx_crc32_short(ctx->name.data, ctx->name.len);
 rn = ngx_resolver_lookup_name(r, &ctx->name, hash);
 
 if (rn) {
 p = &rn->waiting;
 w = rn->waiting;
 
 while (w) {
 if (w == ctx) {
 *p = w->next;
 goto done;
 }
 
 p = &w->next;
 w = w->next;
 }
 }
 }
 
done:
 ngx_resolver_free_locked(r, ctx);
}

1. 本地缓存的地址没有再次被查询
2. 每次在查询结束的时候（调用ngx_resolve_addr_done），都会检查有没有缓存过期，如果有，就会进行释放。

static void
ngx_resolver_expire(ngx_resolver_t *r, ngx_rbtree_t *tree,
 ngx_queue_t *queue)
{
 time_t now;
 ngx_uint_t i;
 ngx_queue_t *q;
 ngx_resolver_node_t *rn;
 now = ngx_time();
 
 for (i = 0; i < 2; i++) {
 if (ngx_queue_empty(queue)) {
 return;
 }
 
 q = ngx_queue_last(queue);
 rn = ngx_queue_data(q, ngx_resolver_node_t, queue);
 
 if (now <= rn->expire) {
 return;
 }
 
 ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_CORE, r->log, 0,
 "resolver expire "%*s"", (size_t) rn->nlen, rn->name);
 
 ngx_queue_remove(q);
 ngx_rbtree_delete(tree, &rn->node);
 ngx_resolver_free_node(r, rn);
 }
}

1. 域名对应这多个IP地址
2. 如果对应的有多个ip,那么在每次查询时，会随机的重新排列顺序，然后返回。对于调用者来说，只要去第一个地址，就可以达到取随机地址的目的了。

static ngx_int_t
ngx_resolve_name_locked(ngx_resolver_t *r, ngx_resolver_ctx_t *ctx)
{
 if (naddrs) {
 if (naddrs != 1) {
 addr = 0;
 addrs = ngx_resolver_rotate(r, rn->u.addrs, naddrs);
 if (addrs == NULL) {
 return NGX_ERROR;
 }
 
 } else {
 addr = rn->u.addr;
 addrs = NULL;
 }
 }
}
 
static in_addr_t *
ngx_resolver_rotate(ngx_resolver_t *r, in_addr_t *src, ngx_uint_t n)
{
 void *dst, *p;
 ngx_uint_t j;
 
 dst = ngx_resolver_alloc(r, n * sizeof(in_addr_t));
 j = ngx_random() % n;
 
 if (j == 0) {
 ngx_memcpy(dst, src, n * sizeof(in_addr_t));
 return dst;
 }
 
 p = ngx_cpymem(dst, &src[j], (n - j) * sizeof(in_addr_t));
 ngx_memcpy(p, src, j * sizeof(in_addr_t));
 
 return dst;
}

1. 指定了多个dns server地址会怎么查询
2. 如果在配置文件里指定了多个dns server地址会发生什么呢？比如

#nginx.conf
resolver 8.8.8.8 8.8.4.4

1. 那么nginx 会采用Round Robin 的方式轮流查询各个dns server。在方法ngx_resolver_send_query中通过在每次调用时改变last_connection来轮流使用不同的dns server进行查询

static ngx_int_t
ngx_resolver_send_query(ngx_resolver_t *r, ngx_resolver_node_t *rn)
{
 ssize_t n;
 ngx_udp_connection_t *uc;
 
 uc = r->udp_connections.elts;
 
 uc = &uc[r->last_connection++];
 if (r->last_connection == r->udp_connections.nelts) {
 r->last_connection = 0;
 }
 ...

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