1、修改用戶進(jìn)程可打開文件數(shù)限制
在Linux平臺上，無論編寫客戶端程序還是服務(wù)端程序，在進(jìn)行高并發(fā)TCP連接處理時，最高的并發(fā)數(shù)量都要受到系統(tǒng)對用戶單一進(jìn)程同時可打開文件數(shù)量 的限制(這是因?yàn)橄到y(tǒng)為每個TCP連接都要創(chuàng)建一個socket句柄，每個socket句柄同時也是一個文件句柄)?？墒褂胾limit命令查看系統(tǒng)允許 當(dāng)前用戶進(jìn)程打開的文件數(shù)限制：
[speng@as4 ~]$ ulimit -n
1024
這表示當(dāng)前用戶的每個進(jìn)程最多允許同時打開1024個文件，這1024個文件中還得除去每個進(jìn)程必然打開的標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出，標(biāo)準(zhǔn)錯誤，服務(wù)器監(jiān)聽 socket，進(jìn)程間通訊的unix域socket等文件，那么剩下的可用于客戶端socket連接的文件數(shù)就只有大概1024-10=1014個左右。 也就是說缺省情況下，基于Linux的通訊程序最多允許同時1014個TCP并發(fā)連接。
對于想支持更高數(shù)量的TCP并發(fā)連接的通訊處理程序，就必須修改Linux對當(dāng)前用戶的進(jìn)程同時打開的文件數(shù)量的軟限制(soft limit)和硬限制(hardlimit)。其中軟限制是指Linux在當(dāng)前系統(tǒng)能夠承受的范圍內(nèi)進(jìn)一步限制用戶同時打開的文件數(shù)；硬限制則是根據(jù)系統(tǒng) 硬件資源狀況(主要是系統(tǒng)內(nèi)存)計算出來的系統(tǒng)最多可同時打開的文件數(shù)量。通常軟限制小于或等于硬限制。
修改上述限制的最簡單的辦法就是使用ulimit命令：
[speng@as4 ~]$ ulimit -n <file_num>
上述命令中，在<file_num>中指定要設(shè)置的單一進(jìn)程允許打開的最大文件數(shù)。如果系統(tǒng)回顯類似于“Operation notpermitted”之類的話，說明上述限制修改失敗，實(shí)際上是因?yàn)樵?lt;file_num>中指定的數(shù)值超過了Linux系統(tǒng)對該用戶 打開文件數(shù)的軟限制或硬限制。因此，就需要修改Linux系統(tǒng)對用戶的關(guān)于打開文件數(shù)的軟限制和硬限制。
第一步，修改/etc/security/limits.conf文件，在文件中添加如下行：
speng soft nofile 10240
speng hard nofile 10240
其中speng指定了要修改哪個用戶的打開文件數(shù)限制，可用'*'號表示修改所有用戶的限制；soft或hard指定要修改軟限制還是硬限制；10240則指定了想要修改的新的限制值，即最大打開文件數(shù)(請注意軟限制值要小于或等于硬限制)。修改完后保存文件。
第二步，修改/etc/pam.d/login文件，在文件中添加如下行：
session required /lib/security/pam_limits.so
這是告訴Linux在用戶完成系統(tǒng)登錄后，應(yīng)該調(diào)用pam_limits.so模塊來設(shè)置系統(tǒng)對該用戶可使用的各種資源數(shù)量的最大限制(包括用戶可打開 的最大文件數(shù)限制)，而pam_limits.so模塊就會從/etc/security/limits.conf文件中讀取配置來設(shè)置這些限制值。修改 完后保存此文件。
第三步，查看Linux系統(tǒng)級的最大打開文件數(shù)限制，使用如下命令：
[speng@as4 ~]$ cat /proc/sys/fs/file-max
12158
這表明這臺Linux系統(tǒng)最多允許同時打開(即包含所有用戶打開文件數(shù)總和)12158個文件，是Linux系統(tǒng)級硬限制，所有用戶級的打開文件數(shù)限制 都不應(yīng)超過這個數(shù)值。通常這個系統(tǒng)級硬限制是Linux系統(tǒng)在啟動時根據(jù)系統(tǒng)硬件資源狀況計算出來的最佳的最大同時打開文件數(shù)限制，如果沒有特殊需要，不 應(yīng)該修改此限制，除非想為用戶級打開文件數(shù)限制設(shè)置超過此限制的值。修改此硬限制的方法是修改/etc/rc.local腳本，在腳本中添加如下行：
echo 22158 > /proc/sys/fs/file-max
這是讓Linux在啟動完成后強(qiáng)行將系統(tǒng)級打開文件數(shù)硬限制設(shè)置為22158。修改完后保存此文件。
完成上述步驟后重啟系統(tǒng)，一般情況下就可以將Linux系統(tǒng)對指定用戶的單一進(jìn)程允許同時打開的最大文件數(shù)限制設(shè)為指定的數(shù)值。如果重啟后用 ulimit-n命令查看用戶可打開文件數(shù)限制仍然低于上述步驟中設(shè)置的最大值，這可能是因?yàn)樵谟脩舻卿浤_本/etc/profile中使用 ulimit-n命令已經(jīng)將用戶可同時打開的文件數(shù)做了限制。由于通過ulimit-n修改系統(tǒng)對用戶可同時打開文件的最大數(shù)限制時，新修改的值只能小于 或等于上次ulimit-n設(shè)置的值，因此想用此命令增大這個限制值是不可能的。所以，如果有上述問題存在，就只能去打開/etc/profile腳本文 件，在文件中查找是否使用了ulimit-n限制了用戶可同時打開的最大文件數(shù)量，如果找到，則刪除這行命令，或者將其設(shè)置的值改為合適的值，然后保存文 件，用戶退出并重新登錄系統(tǒng)即可。
通過上述步驟，就為支持高并發(fā)TCP連接處理的通訊處理程序解除關(guān)于打開文件數(shù)量方面的系統(tǒng)限制。
2、修改網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核對TCP連接的有關(guān)限制
在Linux上編寫支持高并發(fā)TCP連接的客戶端通訊處理程序時，有時會發(fā)現(xiàn)盡管已經(jīng)解除了系統(tǒng)對用戶同時打開文件數(shù)的限制，但仍會出現(xiàn)并發(fā)TCP連接數(shù)增加到一定數(shù)量時，再也無法成功建立新的TCP連接的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)在的原因有多種。
第一種原因可能是因?yàn)長inux網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核對本地端口號范圍有限制。此時，進(jìn)一步分析為什么無法建立TCP連接，會發(fā)現(xiàn)問題出在connect()調(diào)用返 回失敗，查看系統(tǒng)錯誤提示消息是“Can't assign requestedaddress”。同時，如果在此時用tcpdump工具監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，會發(fā)現(xiàn)根本沒有TCP連接時客戶端發(fā)SYN包的網(wǎng)絡(luò)流量。這些情況 說明問題在于本地Linux系統(tǒng)內(nèi)核中有限制。其實(shí)，問題的根本原因在于Linux內(nèi)核的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊對系統(tǒng)中所有的客戶端TCP連接對應(yīng)的 本地端口號的范圍進(jìn)行了限制(例如，內(nèi)核限制本地端口號的范圍為1024~32768之間)。當(dāng)系統(tǒng)中某一時刻同時存在太多的TCP客戶端連接時，由于每 個TCP客戶端連接都要占用一個唯一的本地端口號(此端口號在系統(tǒng)的本地端口號范圍限制中)，如果現(xiàn)有的TCP客戶端連接已將所有的本地端口號占滿，則此 時就無法為新的TCP客戶端連接分配一個本地端口號了，因此系統(tǒng)會在這種情況下在connect()調(diào)用中返回失敗，并將錯誤提示消息設(shè)為“Can't assignrequested address”。有關(guān)這些控制邏輯可以查看Linux內(nèi)核源代碼，以linux2.6內(nèi)核為例，可以查看tcp_ipv4.c文件中如下函數(shù)：
static int tcp_v4_hash_connect(struct sock *sk)
請注意上述函數(shù)中對變量sysctl_local_port_range的訪問控制。變量sysctl_local_port_range的初始化則是在tcp.c文件中的如下函數(shù)中設(shè)置：
void __init tcp_init(void)
內(nèi)核編譯時默認(rèn)設(shè)置的本地端口號范圍可能太小，因此需要修改此本地端口范圍限制。
第一步，修改/etc/sysctl.conf文件，在文件中添加如下行：
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000
這表明將系統(tǒng)對本地端口范圍限制設(shè)置為1024~65000之間。請注意，本地端口范圍的最小值必須大于或等于1024；而端口范圍的最大值則應(yīng)小于或等于65535。修改完后保存此文件。
第二步，執(zhí)行sysctl命令：
[speng@as4 ~]$ sysctl -p
如果系統(tǒng)沒有錯誤提示，就表明新的本地端口范圍設(shè)置成功。如果按上述端口范圍進(jìn)行設(shè)置，則理論上單獨(dú)一個進(jìn)程最多可以同時建立60000多個TCP客戶端連接。
第二種無法建立TCP連接的原因可能是因?yàn)長inux網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核的IP_TABLE防火墻對最大跟蹤的TCP連接數(shù)有限制。此時程序會表現(xiàn)為在 connect()調(diào)用中阻塞，如同死機(jī)，如果用tcpdump工具監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，也會發(fā)現(xiàn)根本沒有TCP連接時客戶端發(fā)SYN包的網(wǎng)絡(luò)流量。由于 IP_TABLE防火墻在內(nèi)核中會對每個TCP連接的狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，跟蹤信息將會放在位于內(nèi)核內(nèi)存中的conntrackdatabase中，這個數(shù)據(jù)庫 的大小有限，當(dāng)系統(tǒng)中存在過多的TCP連接時，數(shù)據(jù)庫容量不足，IP_TABLE無法為新的TCP連接建立跟蹤信息，于是表現(xiàn)為在connect()調(diào)用 中阻塞。此時就必須修改內(nèi)核對最大跟蹤的TCP連接數(shù)的限制，方法同修改內(nèi)核對本地端口號范圍的限制是類似的：
第一步，修改/etc/sysctl.conf文件，在文件中添加如下行：
net.ipv4.ip_conntrack_max = 10240
這表明將系統(tǒng)對最大跟蹤的TCP連接數(shù)限制設(shè)置為10240。請注意，此限制值要盡量小，以節(jié)省對內(nèi)核內(nèi)存的占用。
第二步，執(zhí)行sysctl命令：
[speng@as4 ~]$ sysctl -p
如果系統(tǒng)沒有錯誤提示，就表明系統(tǒng)對新的最大跟蹤的TCP連接數(shù)限制修改成功。如果按上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，則理論上單獨(dú)一個進(jìn)程最多可以同時建立10000多個TCP客戶端連接。
3、使用支持高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)I/O的編程技術(shù)
在Linux上編寫高并發(fā)TCP連接應(yīng)用程序時，必須使用合適的網(wǎng)絡(luò)I/O技術(shù)和I/O事件分派機(jī)制。
可用的I/O技術(shù)有同步I/O，非阻塞式同步I/O(也稱反應(yīng)式I/O)，以及異步I/O。在高TCP并發(fā)的情形下，如果使用同步I/O，這會嚴(yán)重阻塞 程序的運(yùn)轉(zhuǎn)，除非為每個TCP連接的I/O創(chuàng)建一個線程。但是，過多的線程又會因系統(tǒng)對線程的調(diào)度造成巨大開銷。因此，在高TCP并發(fā)的情形下使用同步I /O是不可取的，這時可以考慮使用非阻塞式同步I/O或異步I/O。非阻塞式同步I/O的技術(shù)包括使用select()，poll()，epoll等機(jī) 制。異步I/O的技術(shù)就是使用AIO。
從I/O事件分派機(jī)制來看，使用select()是不合適的，因?yàn)樗С值牟l(fā)連接數(shù)有限(通常在1024個以內(nèi))。如果考慮性能，poll()也是 不合適的，盡管它可以支持的較高的TCP并發(fā)數(shù)，但是由于其采用“輪詢”機(jī)制，當(dāng)并發(fā)數(shù)較高時，其運(yùn)行效率相當(dāng)?shù)?，并可能存在I/O事件分派不均，導(dǎo)致部 分TCP連接上的I/O出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。而如果使用epoll或AIO，則沒有上述問題(早期Linux內(nèi)核的AIO技術(shù)實(shí)現(xiàn)是通過在內(nèi)核中為每個I /O請求創(chuàng)建一個線程來實(shí)現(xiàn)的，這種實(shí)現(xiàn)機(jī)制在高并發(fā)TCP連接的情形下使用其實(shí)也有嚴(yán)重的性能問題。但在最新的Linux內(nèi)核中，AIO的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)得到 改進(jìn))。
綜上所述，在開發(fā)支持高并發(fā)TCP連接的Linux應(yīng)用程序時，應(yīng)盡量使用epoll或AIO技術(shù)來實(shí)現(xiàn)并發(fā)的TCP連接上的I/O控制，這將為提升程序?qū)Ω卟l(fā)TCP連接的支持提供有效的I/O保證。
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