著名的 C10K 問題提出的時候, 正是 2001 年, 到如今 12 年后的 2013 年, C10K 已經不是問題了, 任何一個普通的程序員, 都能利用手邊的語言和庫, 輕松地寫出 C10K 的服務器. 這既得益于軟件的進步, 也得益于硬件性能的提高.
現在, 該是考慮 C1000K, 也就是百萬連接的問題的時候了. 像 Twitter, weibo, Facebook 這些網站, 它們的同時在線用戶有上千萬, 同時又希望消息能接近實時地推送給用戶, 這就需要服務器能維持和上千萬用戶的 TCP 網絡連接, 雖然可以使用成百上千臺服務器來支撐這么多用戶, 但如果每臺服務器能支持一百萬連接(C1000K), 那么只需要十臺服務器.
有很多技術聲稱能解決 C1000K 問題, 例如 Erlang, Java NIO 等等, 不過, 我們應該首先弄明白, 什么因素限制了 C1000K 問題的解決. 主要是這幾點:
- 操作系統能否支持百萬連接?
- 操作系統維持百萬連接需要多少內存?
- 應用程序維持百萬連接需要多少內存?
- 百萬連接的吞吐量是否超過了網絡限制?
下面來分別對這幾個問題進行分析.
對于絕大部分 Linux 操作系統, 默認情況下確實不支持 C1000K! 因為操作系統包含最大打開文件數(Max Open Files)限制, 分為系統全局的, 和進程級的限制.
全局限制
在 Linux 下執行:
cat /proc/sys/fs/file-nr
會打印出類似下面的一行輸出:
5100 0 101747
第三個數字 101747 就是當前系統的全局最大打開文件數(Max Open Files), 可以看到, 只有 10 萬, 所以, 在這臺服務器上無法支持 C1000K. 很多系統的這個數值更小, 為了修改這個數值, 用 root 權限修改 /etc/sysctl.conf 文件:
fs.file-max = 1020000 net.ipv4.ip_conntrack_max = 1020000 net.ipv4.netfilter.ip_conntrack_max = 1020000
需要重啟系統服務生效:
# Linux $ sudo sysctl -p /etc/sysctl.conf # BSD $ sudo /etc/rc.d/sysctl reload
進程限制
執行:
ulimit -n
輸出:
1024
說明當前 Linux 系統的每一個進程只能最多打開 1024 個文件. 為了支持 C1000K, 你同樣需要修改這個限制.
臨時修改
ulimit -n 1020000
不過, 如果你不是 root, 可能不能修改超過 1024, 會報錯:
-bash: ulimit: open files: cannot modify limit: Operation not permitted
永久修改
編輯 /etc/security/limits.conf 文件, 加入如下行:
# /etc/security/limits.conf work hard nofile 1020000 work soft nofile 1020000
第一列的 work 表示 work 用戶, 你可以填 *, 或者 root. 然后保存退出, 重新登錄服務器.
注意: Linux 內核源碼中有一個常量(NR_OPEN in /usr/include/linux/fs.h), 限制了最大打開文件數, 如 RHEL 5 是 1048576(2^20), 所以, 要想支持 C1000K, 你可能還需要重新編譯內核.
解決了操作系統的參數限制, 接下來就要看看內存的占用情況. 首先, 是操作系統本身維護這些連接的內存占用. 對于 Linux 操作系統, socket(fd) 是一個整數, 所以, 猜想操作系統管理一百萬個連接所占用的內存應該是 4M/8M, 再包括一些管理信息, 應該會是 100M 左右. 不過, 還有 socket 發送和接收緩沖區所占用的內存沒有分析. 為此, 我寫了最原始的 C 網絡程序來驗證:
服務器
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/tcp.h> #include <sys/select.h> #define MAX_PORTS 10 int main(int argc, char **argv){ struct sockaddr_in addr; const char *ip = "0.0.0.0"; int opt = 1; int bufsize; socklen_t optlen; int connections = 0; int base_port = 7000; if(argc > 2){ base_port = atoi(argv[1]); } int server_socks[MAX_PORTS]; for(int i=0; i<MAX_PORTS; i++){ int port = base_port + i; bzero(&addr, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; addr.sin_port = htons((short)port); inet_pton(AF_INET, ip, &addr.sin_addr); int serv_sock; if((serv_sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){ goto sock_err; } if(setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt)) == -1){ goto sock_err; } if(bind(serv_sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1){ goto sock_err; } if(listen(serv_sock, 1024) == -1){ goto sock_err; } server_socks[i] = serv_sock; printf("server listen on port: %d\n", port); } //optlen = sizeof(bufsize); //getsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &bufsize, &optlen); //printf("default send/recv buf size: %d\n", bufsize); while(1){ fd_set readset; FD_ZERO(&readset); int maxfd = 0; for(int i=0; i<MAX_PORTS; i++){ FD_SET(server_socks[i], &readset); if(server_socks[i] > maxfd){ maxfd = server_socks[i]; } } int ret = select(maxfd + 1, &readset, NULL, NULL, NULL); if(ret < 0){ if(errno == EINTR){ continue; }else{ printf("select error! %s\n", strerror(errno)); exit(0); } } if(ret > 0){ for(int i=0; i<MAX_PORTS; i++){ if(!FD_ISSET(server_socks[i], &readset)){ continue; } socklen_t addrlen = sizeof(addr); int sock = accept(server_socks[i], (struct sockaddr *)&addr, &addrlen); if(sock == -1){ goto sock_err; } connections ++; printf("connections: %d, fd: %d\n", connections, sock); } } } return 0; sock_err: printf("error: %s\n", strerror(errno)); return 0; } 注意, 服務器監聽了 10 個端口, 這是為了測試方便. 因為只有一臺客戶端測試機, 最多只能跟同一個 IP 端口創建 30000 多個連接, 所以服務器監聽了 10 個端口, 這樣一臺測試機就可以和服務器之間創建 30 萬個連接了.
客戶端
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <arpa/inet.h> #include <netinet/tcp.h> int main(int argc, char **argv){ if(argc <= 2){ printf("Usage: %s ip port\n", argv[0]); exit(0); } struct sockaddr_in addr; const char *ip = argv[1]; int base_port = atoi(argv[2]); int opt = 1; int bufsize; socklen_t optlen; int connections = 0; bzero(&addr, sizeof(addr)); addr.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, ip, &addr.sin_addr); char tmp_data[10]; int index = 0; while(1){ if(++index >= 10){ index = 0; } int port = base_port + index; printf("connect to %s:%d\n", ip, port); addr.sin_port = htons((short)port); int sock; if((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1){ goto sock_err; } if(connect(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) == -1){ goto sock_err; } connections ++; printf("connections: %d, fd: %d\n", connections, sock); if(connections % 10000 == 9999){ printf("press Enter to continue: "); getchar(); } usleep(1 * 1000); /* bufsize = 5000; setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &bufsize, sizeof(bufsize)); setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &bufsize, sizeof(bufsize)); */ } return 0; sock_err: printf("error: %s\n", strerror(errno)); return 0; } 我測試 10 萬個連接, 這些連接是空閑的, 什么數據也不發送也不接收. 這時, 進程只占用了不到 1MB 的內存. 但是, 通過程序退出前后的 free 命令對比, 發現操作系統用了 200M(大致)內存來維護這 10 萬個連接! 如果是百萬連接的話, 操作系統本身就要占用 2GB 的內存! 也即 2KB 每連接.
可以修改
/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem
來控制 TCP 連接的發送和接收緩沖的大小(多謝 @egmkang).
通過上面的測試代碼, 可以發現, 應用程序維持百萬個空閑的連接, 只會占用操作系統的內存, 通過 ps 命令查看可知, 應用程序本身幾乎不占用內存.
假設百萬連接中有 20% 是活躍的, 每個連接每秒傳輸 1KB 的數據, 那么需要的網絡帶寬是 0.2M x 1KB/s x 8 = 1.6Gbps, 要求服務器至少是萬兆網卡(10Gbps).
總結
Linux 系統需要修改內核參數和系統配置, 才能支持 C1000K. C1000K 的應用要求服務器至少需要 2GB 內存, 如果應用本身還需要內存, 這個要求應該是至少 10GB 內存. 同時, 網卡應該至少是萬兆網卡.
當然, 這僅僅是理論分析, 實際的應用需要更多的內存和 CPU 資源來處理業務數據.
參考:
* http://www.cyberciti.biz/faq/linux-increase-the-maximum-number-of-open-files/
* http://www.lognormal.com/blog/2012/09/27/linux-tcpip-tuning/
下一篇: 構建C1000K的服務器(2) – 實現
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