Linux服务器百万并发实现与问题排查-阿里云开发者社区

前言

实现一台服务器的百万并发，服务器支撑百万连接会出现哪些问题，如何排查与解决这些问题 是本文的重点

服务器能够同时建立连接的数量不是并发量，它只是并发量一个基础。
服务器的并发量：一个服务器能够同时承载客户端的数量；
承载：服务器能够稳定的维持这些连接，能够响应请求，在200ms内返回响应就认为是ok的，其中这200ms包括数据库的操作，网络带宽，内存操作，日志等时间。

本专栏知识点是通过零声教育的线上课学习，进行梳理总结写下文章，对c/c++linux课程感兴趣的读者，可以点击链接 C/C++后台高级服务器课程介绍详细查看课程的服务。

测试介绍

服务器采用 1台 centos7 12G 1核虚拟机

客户端采用 2台 centos7 3G 1核虚拟机

服务器代码：单reactor单线程，IO多路复用使用epoll

客户端代码：IO多路复用使用epoll，每个客户端发51w个连接，每个连接发送一次数据，读取一次数据之后不再发送数据

服务器代码

由于fd的数量未知，这里设计ntyreactor 里面包含 eventblock ，eventblock 包含1024个fd。每个fd通过 fd/1024定位到在第几个eventblock，通过fd%1024定位到在eventblock第几个位置。

struct ntyevent {
    int fd;
    int events;
    void *arg;
    NCALLBACK callback;
    int status;
    char buffer[BUFFER_LENGTH];
    int length;
};
struct eventblock {
    struct eventblock *next;
    struct ntyevent *events;
};
struct ntyreactor {
    int epfd;
    int blkcnt;
    struct eventblock *evblk;
};

客户端代码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>
#define MAX_BUFFER    128
#define MAX_EPOLLSIZE (384*1024)
#define MAX_PORT    100
#define TIME_SUB_MS(tv1, tv2)  ((tv1.tv_sec - tv2.tv_sec) * 1000 + (tv1.tv_usec - tv2.tv_usec) / 1000)
int isContinue = 0;
static int ntySetNonblock(int fd) {
  int flags;
  flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
  if (flags < 0) return flags;
  flags |= O_NONBLOCK;
  if (fcntl(fd, F_SETFL, flags) < 0) return -1;
  return 0;
}
static int ntySetReUseAddr(int fd) {
  int reuse = 1;
  return setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(reuse));
}
int main(int argc, char **argv) {
  if (argc <= 2) {
    printf("Usage: %s ip port\n", argv[0]);
    exit(0);
  }
  const char *ip = argv[1];
  int port = atoi(argv[2]);
  int connections = 0;
  char buffer[128] = {0};
  int i = 0, index = 0;
  struct epoll_event events[MAX_EPOLLSIZE];
  int epoll_fd = epoll_create(MAX_EPOLLSIZE);
  strcpy(buffer, " Data From MulClient\n");
  struct sockaddr_in addr;
  memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
  struct timeval tv_begin;
  gettimeofday(&tv_begin, NULL);
  while (1) {
    if (++index >= MAX_PORT) index = 0;
    struct epoll_event ev;
    int sockfd = 0;
    if (connections < 340000 && !isContinue) {
      sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
      if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        goto err;
      }
      //ntySetReUseAddr(sockfd);
      addr.sin_port = htons(port+index);
      if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) < 0) {
        perror("connect");
        goto err;
      }
      ntySetNonblock(sockfd);
      ntySetReUseAddr(sockfd);
      sprintf(buffer, "Hello Server: client --> %d\n", connections);
      send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
      ev.data.fd = sockfd;
      ev.events = EPOLLIN | EPOLLOUT;
      epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
      connections ++;
    }
    //connections ++;
    if (connections % 1000 == 999 || connections >= 340000) {
      struct timeval tv_cur;
      memcpy(&tv_cur, &tv_begin, sizeof(struct timeval));
      gettimeofday(&tv_begin, NULL);
      int time_used = TIME_SUB_MS(tv_begin, tv_cur);
      printf("connections: %d, sockfd:%d, time_used:%d\n", connections, sockfd, time_used);
      int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, connections, 100);
      for (i = 0;i < nfds;i ++) {
        int clientfd = events[i].data.fd;
        if (events[i].events & EPOLLOUT) {
          sprintf(buffer, "data from %d\n", clientfd);
          send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0);
        } else if (events[i].events & EPOLLIN) {
          char rBuffer[MAX_BUFFER] = {0};       
          ssize_t length = recv(sockfd, rBuffer, MAX_BUFFER, 0);
          if (length > 0) {
            printf(" RecvBuffer:%s\n", rBuffer);
            if (!strcmp(rBuffer, "quit")) {
              isContinue = 0;
            }
          } else if (length == 0) {
            printf(" Disconnect clientfd:%d\n", clientfd);
            connections --;
            close(clientfd);
          } else {
            if (errno == EINTR) continue;
            printf(" Error clientfd:%d, errno:%d\n", clientfd, errno);
            close(clientfd);
          }
        } else {
          printf(" clientfd:%d, errno:%d\n", clientfd, errno);
          close(clientfd);
        }
      }
    }
    usleep(1 * 1000);
  }
  return 0;
err:
  printf("error : %s\n", strerror(errno));
  return 0;
}

error : Too many open files

确定问题

程序执行到一半，创建了1023个连接后，报错Too many open files

//服务端
new connect [192.168.109.101:36994], pos[1019]
new connect [192.168.109.101:55832], pos[1020]
new connect [192.168.109.101:43460], pos[1021]
new connect [192.168.109.101:59938], pos[1022]
new connect [192.168.109.101:46098], pos[1023]
accept: Too many open files
accept: Too many open files
//客户端
connect: Connection refused
error : Connection refused

怀疑是文件系统默认允许打开文件描述符数量个数（默认1024）的限制，使用ulimit -a查看open files的数量

open files：一个进程能够打开文件描述符的数量

[root@master temp]# ulimit -a
core file size          (blocks, -c) 0
data seg size           (kbytes, -d) unlimited
scheduling priority             (-e) 0
file size               (blocks, -f) unlimited
pending signals                 (-i) 47748
max locked memory       (kbytes, -l) 64
max memory size         (kbytes, -m) unlimited
open files                      (-n) 1024
pipe size            (512 bytes, -p) 8
POSIX message queues     (bytes, -q) 819200
real-time priority              (-r) 0
stack size              (kbytes, -s) 8192
cpu time               (seconds, -t) unlimited
max user processes              (-u) 47748
virtual memory          (kbytes, -v) unlimited
file locks                      (-x) unlimited

那么我们把open files调大一点点，看是否会停在2047，如果是，则说明问题就是open files太小的问题，实验发现就是这个原因。

[root@master temp]# ulimit -n 2048
[root@master temp]# ulimit -a
core file size          (blocks, -c) 0
data seg size           (kbytes, -d) unlimited
scheduling priority             (-e) 0
file size               (blocks, -f) unlimited
pending signals                 (-i) 47748
max locked memory       (kbytes, -l) 64
max memory size         (kbytes, -m) unlimited
open files                      (-n) 2048
pipe size            (512 bytes, -p) 8
POSIX message queues     (bytes, -q) 819200
real-time priority              (-r) 0
stack size              (kbytes, -s) 8192
cpu time               (seconds, -t) unlimited
max user processes              (-u) 47748
virtual memory          (kbytes, -v) unlimited
file locks                      (-x) unlimited
new connect [192.168.109.101:53996], pos[2046]
new connect [192.168.109.101:60742], pos[2047]
accept: Too many open files

解决问题

临时修改，只在当前这个会话有效：ulimit -n 1048576
永久修改，对所有会话有效：添加下面两行代码

注意这里修改的是：一个进程能够打开文件描述符的数量

[root@master temp]# vim /etc/security/limits.conf
# 修改
[root@master temp]# reboot
# 重启生效

*               soft    nofile          1048576
*               hard    nofile          1048576

软限制：超出软限制会发出警告
硬限制：绝对限制,在任何情况下都不允许用户超过这个限制

这里还需要注意一点：file-max : 系统一共可以打开的最大文件数（所有进程加起来）

[root@master temp]# cat /proc/sys/fs/file-max
1202172

# 编辑内核参数配置文件
vim /etc/sysctl.conf
# 修改fs.file-max参数
fs.file-max = 1048576
# 重新加载配置文件
sysctl -p

另外这里建议ulimit -n 和limits.conf里nofile 设定最好不要超过/proc/sys/fs/file-max的值（虽然我测试了超过也没关系），这个小问题仁者见仁智者见智了，网上找到比较好的文章是这篇linux最大文件句柄数量之（file-max ulimit -n limit.conf）

error : Cannot assign requested address

确定问题

现在的环境背景：服务器只开放一个端口，客户端不断的去请求去连接。然后客户端error : Cannot assign requested address

Cannot assign requested address这代表着客户端端口耗尽，我们先来看看如何确定一个fd，反过来说一个fd代表着什么

socket fd --- < 源IP地址 , 源端口 , 目的IP地址 , 目的端口 , 协议 > 一个fd就是一个五元组，在现在的环境中，五元组里面确定了四个，所以最多创建 1 * 源端口 * 1 * 1 * 1个fd

# 服务端
new connect [192.168.109.101:57921], pos[28234]
new connect [192.168.109.101:57923], pos[28235]
send[fd=21003] error Connection reset by peer
send[fd=22003] error Connection reset by peer
# 客户端
connections: 26999, sockfd:27002, time_used:2399
connections: 27999, sockfd:28002, time_used:2404
connect: Cannot assign requested address
error : Cannot assign requested address

我们看到大概创建了2.8w的fd ，可是我们知道端口一个有6w多个，也就是说有6w个端口，为什么我们只使用了2.8w个？

Linux中有限定端口的使用范围:60999 - 32768 = 2.8w ,与我们上面实验结果相符。

The /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range defines the local port range that is used by TCP and UDP traffic to choose the local port. You will see in the parameters of this file two numbers: The first number is the first local port allowed for TCP and UDP traffic on the server, the second is the last local port number. For high-usage systems you may change its default parameters to 32768-61000 -first-last.

proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range范围定义TCP和UDP通信用于选择本地端口的本地端口范围。您将在该文件的参数中看到两个数字：第一个数字是服务器上允许TCP和UDP通信的第一个本地端口，第二个是最后一个本地端口号。对于高使用率的系统，您可以将其默认参数更改为32768-61000(first-last)。

[root@master temp]# sysctl net.ipv4.ip_local_port_range
net.ipv4.ip_local_port_range = 32768  60999

解决问题

修改net.ipv4.ip_local_port_range的范围，一般不这样做，我们这里研究的是服务器，怎么会去对客户端进行修改呢
之前已经说了这个问题的背景，就是只开放了一个端口，并且socket fd --- < 源IP地址 , 源端口, 目的IP地址 , 目的端口 , 运输层协议 >，在这个背景下才产生的这个问题，所以我们可以开放更多的端口，比如说100个，那么一个客户端就能连到280w了

error : Connection timed out

确定问题

我们将服务器端口开100个，按理说客户端可以连280w，但是现在只连接到13w就error : Connection timed out，与我们的预期不符

//服务端
new connect [192.168.109.101:54585], pos[131165]
new connect [192.168.109.101:48265], pos[131166]
new connect [192.168.109.101:51997], pos[131167]
new connect [192.168.109.101:43239], pos[131168]
send[fd=20102] error Connection reset by peer
send[fd=21102] error Connection reset by peer
send[fd=22102] error Connection reset by peer
//客户端
connections: 127999, sockfd:128002, time_used:7576
connections: 128999, sockfd:129002, time_used:2683
connections: 129999, sockfd:130002, time_used:2669
connections: 130999, sockfd:131002, time_used:4610
connect: Connection timed out
error : Connection timed out

网卡接收的数据，会发送到协议栈里面，通过sk_buff将数据传到协议栈，协议栈处理完再交给应用程序。由于操作系统在使用的时候，为防止被攻击，在数据发送给协议栈之前进行一个过滤，在协议栈前面加了一个小组件：过滤器，叫做netfilter。

netfilter主要是对网络数据包进行一个过滤，在netfilter的基础上我们就可以实现防火墙，在linux里面有一个就叫做iptables，iptables是基于netfilter做的，iptables分为两部分，一部分是内核实现的netfilter接口，一部分是应用程序提供给用户使用的。iptables真正实现的是netfilter提供的接口。

Connection timed out译为连接超时，也就是说，client发送的请求超时了，那么这个超时有两种情况，第一种：三次握手第一次的SYN没发出去，第二种：三次握手第二次ACK没收到。

netfilter不管对发送的数据，还是对接收的数据，都是可以过滤的。当连接数量达到一定数量的时候，netfilter就会不允许再对外发连接了。所以现在推测是情况1造成的，发送的SYN被netfilter拦截了。

事实是这样吗，我们来查看一下netfilter允许对外最大连接数量是多少。13w，与我们上面建立成功的数量一致，所以现在就可以确定是netfilter允许对外开放的最大连接数造成的了

[root@node1 temp]# cat /proc/sys/net/netfilter/nf_conntrack_max
131072

解决问题

我们可以通过设置netfilter允许对外最大连接数量，来解决这个问题

# 查看允许对外最大连接数量
[root@node1 temp]# cat /proc/sys/net/netfilter/nf_conntrack_max
131072
# 进行配置
vim /etc/sysctl.conf
# 在配置文件中把net.nf_conntrack_max参数修改为1048576（如果配置就自己添加一行）
net.nf_conntrack_max = 1048576
# 重新加载配置文件
sysctl -p
# 再次查看，发现生效了
[root@node1 temp]# cat /proc/sys/net/netfilter/nf_conntrack_max
1048576

killed（已杀死）

确定问题

这里我们先给客户端虚拟机2G的内存，然后发现到24w的时候，客户端进程被杀死了

connections: 239999, sockfd:240002, time_used:9837
connections: 240999, sockfd:241002, time_used:10608
connections: 241999, sockfd:242002, time_used:13109
connections: 242999, sockfd:243002, time_used:15112
connections: 243999, sockfd:244002, time_used:12606
已杀死

我们来看一下kill记录，发现是内存不足。

[root@node1 ~]# dmesg | egrep -i -B100 'killed process'
[ 2310.265218] Out of memory: Kill process 7266 (C1000Kclient) score 1 or sacrifice child
[ 2310.265962] Killed process 7266 (C1000Kclient) total-vm:8708kB, anon-rss:2960kB, file-rss:0kB, shmem-rss:0kB

这里直接说原因吧，是因为程序每个fd都有一个tcp接收缓冲区和tcp发送缓冲区。而默认的太大了，导致Linux内存不足，进程被杀死，所有我们需要适当的缩小。进程空间，代码段，堆栈都是要占用内存的。

解决问题

我们只需要对net.ipv4.tcp_mem，net.ipv4.tcp_wmem，net.ipv4.tcp_rmem进行适合的修改即可

# 编辑内核参数配置文件
vim /etc/sysctl.conf
# 添加以下内容
#           最小值   默认值   最大值
net.ipv4.tcp_mem = 252144 524288 786432 # tcp协议栈的大小，单位为内存页（4K），分别是 1G 2G 3G，如果大于2G，tcp协议栈会进行一定的优化
net.ipv4.tcp_wmem = 1024 1024 2048 # tcp接收缓存区(用于tcp接受滑动窗口)的最小值，默认值和最大值（单位byte）1k 1k 2k,每一个连接fd都有一个接收缓存区
net.ipv4.tcp_rmem = 1024 1024 2048 # tcp发送缓存区(用于tcp发送滑动窗口)的最小值，默认值和最大值（单位byte）1k 1k 2k,每一个连接fd都有一个发送缓存区
# 总缓存 = （每个fd发送缓存区 + 每个fd接收缓存区） * fd数量
# （1024byte + 1024byte ） * 100w 约等于 2G

如果服务器是用来接收大文件，传输量很大的时候，就要把send buffer和read buffer调大。

如果服务器只是接收小数据字符的时候。把buffer调小是为了把fd的数量做到更多，并发数量能做到更大。如果buffer调大的话，内存会不够。

百万并发测试结果

出现的问题总结

想要实现服务器百万并发：

一个进程能够打开文件描述符的数量open files 和 file-max 改成100w以上
在不同的环境下要看开放的端口够不够socket fd --- < 源IP地址 , 源端口 , 目的IP地址 , 目的端口 , 协议 >
设置netfilter允许对外最大连接数量100w以上
根据内存和场景，适当调整net.ipv4.tcp_mem，net.ipv4.tcp_wmem，net.ipv4.tcp_rmem

Linux服务器百万并发实现与问题排查

前言

测试介绍

服务器代码

客户端代码

error : Too many open files

确定问题

解决问题

error : Cannot assign requested address

确定问题

解决问题

error : Connection timed out

确定问题

解决问题

killed（已杀死）

确定问题

解决问题

百万并发测试结果

出现的问题总结

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