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Linux高并发踩过的坑及性能优化介绍

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详细介绍

前言

Linux操作系统是现在服务器的首选操作系统，在Linux的默认系统参数下，Linux针对高并发的支持性并不是很好。小编从事Linux下应用程序开发多年，关于Linux系统下的高并发，小编自己踩过的坑，及如何解决踩过的坑下面列上几条，供大家参考，避免再次掉坑。

Linux应用运行过程中出现Too many open files 问题分析和解决

出现这句提示的原因是程序打开的文件socket连接数量超过系统设定值。

查看每个用户最大允许打开的文件数量

ulimit -a

其中 open files (-n) 1024 表示每个用户最大允许打开的文件数量是1024

当前系统文件句柄的最大数目，只用于查看，不能设置修改

cat /proc/sys/fs/file-max

查看某个进程的打开文件限制数

cat /proc/10446(pid)/limits

设置open files 数值方法

ulimit -n 65535

这种设置方法在重启后会还原为默认值。

永久设置方法：

vim /etc/security/limits.conf

在最后加入

* soft nofile 65535

* hard nofile 65535

生效需要重启系统

这样修改之后，问题得到有效解决。

Linux高并发下 time_wait 过多的问题分析及解决

现象是高并发场景下，服务器运行应用卡顿。

排查方法：查看服务器配置：

netstat -ant|awk "/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print (a,S[a])}"

发现处于 time_wait 的数量太多，有几万条，应该是大量socket处于TIME_WAIT状态。如果客户端的并发量持续很高，此时部分客户端就会显示连接不上。
TCP连接状态描述：

CLOSED：无连接是活动的或正在进行
LISTEN：服务器在等待进入呼叫
SYN_RECV：一个连接请求已经到达，等待确认
SYN_SENT：应用已经开始，打开一个连接
ESTABLISHED：正常数据传输状态
FIN_WAIT1：应用说它已经完成
FIN_WAIT2：另一边已同意释放
ITMED_WAIT：等待所有分组死掉
CLOSING：两边同时尝试关闭
TIME_WAIT：另一边已初始化一个释放
LAST_ACK：等待所有分组死掉

TIME_WAIT过多危害

网络情况不好时，如果主动方无TIME_WAIT等待，关闭前个连接后，主动方与被动方又建立起新的TCP连接，这时被动方重传或延时过来的FIN包过来后会直接影响新的TCP连接；
同样网络情况不好并且无TIME_WAIT等待，关闭连接后无新连接，当接收到被动方重传或延迟的FIN包后，会给被动方回一个RST包，可能会影响被动方其它的服务连接。

针对如何解决TIME_WAIT 过多这一问题，解答如下：

编辑内核文件/etc/sysctl.conf，加入以下内容：

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 #表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 #表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭；
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 #表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout =30#修改系默认的 TIMEOUT 时间

然后执行 /sbin/sysctl -p 让参数生效.

简单来说，就是打开系统的TIMEWAIT重用和快速回收。

Linux更多性能优化

如果您的系统的连接数本身就很多，如果以上配置调优后性能还不理想，可以再优化一下TCP的可使用端口范围，进一步提升服务器的并发能力。依然是/etc/sysctl.conf文件中，加入下面这些配置：

vi /etc/sysctl.conf
#表示当keepalive起用的时候，TCP发送keepalive消息的频度。缺省是2小时，改为20分钟。
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 1200 
#表示用于向外连接的端口范围。缺省情况下很小：32768到61000，改为1024到65000。
net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65000 
#表示SYN队列的长度，默认为1024，加大队列长度为8192，可以容纳更多等待连接的网络连接数。
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192 
#表示系统同时保持TIME_WAIT套接字的最大数量，如果超过这个数字，TIME_WAIT套接字将立刻被清除并打印警告信息。默认为180000，改为5000。对于Apache、Nginx等服务器，上几行的参数可以很好地减少TIME_WAIT套接字数量，但是对于 Squid，效果却不大。此项参数可以控制TIME_WAIT套接字的最大数量，避免Squid服务器被大量的TIME_WAIT套接字拖死。
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 5000

Linux内核更多参数优化说明

vim /etc/sysctl.conf

1、net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65536

记录的那些尚未收到客户端确认信息的连接请求的最大值。对于超过128M内存的系统而言，缺省值是1024，低于128M小内存的系统则是128。

SYN Flood攻击利用TCP协议散布握手的缺陷，伪造虚假源IP地址发送大量TCP-SYN半打开连接到目标系统，最终导致目标系统Socket队列资源耗尽而无法接受新的连接。为了应付这种攻击，现代Unix系统中普遍采用多连接队列处理的方式来缓冲(而不是解决)这种攻击，是用一个基本队列处理正常的完全连接应用(Connect()和Accept() )，是用另一个队列单独存放半打开连接。

这种双队列处理方式和其他一些系统内核措施(例如Syn-Cookies/Caches)联合应用时，能够比较有效的缓解小规模的SYN Flood攻击(事实证明<1000p/s)加大SYN队列长度可以容纳更多等待连接的网络连接数，一般遭受SYN Flood攻击的网站，都存在大量SYN_RECV状态，所以调大tcp_max_syn_backlog值能增加抵抗syn攻击的能力。

2、net.core.netdev_max_backlog = 32768

每个网络接口接收数据包的速率比内核处理这些包的速率快时，允许送到队列的数据包的最大数目。

3、net.core.somaxconn = 32768

调整系统同时发起并发TCP连接数，可能需要提高连接储备值，以应对大量突发入局连接请求的情况。如果同时接收到大量连接请求，使用较大的值会提高受支持的暂挂连接的数量，从而可减少连接失败的数量。大的侦听队列对防止DDoS攻击也会有所帮助。挂起请求的最大数量默认是128。

查看实时内核实时丢包命令：

netstat-su

位置：/proc/sys/

4、net.core.wmem_default = 8388608

该参数指定了发送套接字缓冲区大小的缺省值(以字节为单位)

5、net.core.rmem_default = 8388608

该参数指定了接收套接字缓冲区大小的缺省值(以字节为单位)

6、net.core.rmem_max = 16777216

该参数指定了接收套接字缓冲区大小的最大值(以字节为单位)

7、net.core.wmem_max = 16777216

该参数指定了发送套接字缓冲区大小的最大值(以字节为单位)

8、net.ipv4.tcp_timestamps = 0

Timestamps可以防范那些伪造的sequence号码。一条1G的宽带线路或许会重遇到带out-of-line数值的旧sequence号码(假如它是由于上次产生的)。时间戳能够让内核接受这种“异常”的数据包。这里需要将其关掉,以提高性能。

9、net.ipv4.tcp_synack_retries = 2

对于远端的连接请求SYN，内核会发送SYN＋ACK数据报，以确认收到上一个SYN连接请求包。这是所谓的三次握手(threeway handshake)机制的第二个步骤。这里决定内核在放弃连接之前所送出的SYN+ACK数目。不应该大于255，默认值是5，对应于180秒左右时间。(可以根据tcp_syn_retries来决定这个值)

10、net.ipv4.tcp_syn_retries = 2

对于一个新建连接，内核要发送多少个SYN连接请求才决定放弃。不应该大于255，默认值是5，对应于180秒左右时间。(对于大负载而物理通信良好的网络而言,这个值偏高,可修改为2.这个值仅仅是针对对外的连接,对进来的连接,是由tcp_retries1 决定的)

#net.ipv4.tcp_tw_len = 1

11、net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1

表示开启重用，允许将TIME-WAIT Sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭。这个对快速重启动某些服务,而启动后提示端口已经被使用的情形非常有帮助。

12、net.ipv4.tcp_mem = 94500000 915000000 927000000

tcp_mem有3个INTEGER变量：low, pressure, high

low：当TCP使用了低于该值的内存页面数时，TCP没有内存压力，TCP不会考虑释放内存。(理想情况下，这个值应与指定给tcp_wmem的第2个值相匹配。这第2个值表明，最大页面大小乘以最大并发请求数除以页大小 (131072*300/4096)

pressure：当TCP使用了超过该值的内存页面数量时，TCP试图稳定其内存使用，进入pressure模式，当内存消耗低于low值时则退出pressure状态。(理想情况下这个值应该是TCP可以使用的总缓冲区大小的最大值(204800*300/4096)

high：允许所有TCP Sockets用于排队缓冲数据报的页面量。如果超过这个值，TCP连接将被拒绝，这就是为什么不要令其过于保守(512000*300/4096)的原因了。在这种情况下，提供的价值很大，它能处理很多连接，是所预期的2.5倍；或者使现有连接能够传输2.5倍的数据。

一般情况下这些值是在系统启动时根据系统内存数量计算得到的。

13、net.ipv4.tcp_max_orphans = 3276800

系统所能处理不属于任何进程的TCP sockets最大数量。假如超过这个数量﹐那么不属于任何进程的连接会被立即reset，并同时显示警告信息。之所以要设定这个限制﹐纯粹为了抵御那些简单的DoS攻击﹐千万不要依赖这个或是人为的降低这个限制

14、net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30

如果套接字由本端要求关闭，这个参数决定了它保持在FIN-WAIT-2状态的时间。对端可以出错并永远不关闭连接，甚至意外当机。缺省值是60秒。2.2 内核的通常值是180秒，你可以按这个设置，但要记住的是，即使你的机器是一个轻载的WEB服务器，也有因为大量的死套接字而内存溢出的风险，FIN-WAIT-2的危险性比FIN-WAIT-1要小，因为它最多只能吃掉1.5K内存，但是它们的生存期长些。

15、net.ipv4.ip_conntrack_max = 10000

设置系统对最大跟踪的TCP连接数的限制(CentOS 5.6无此参数)

同时还涉及到一个TCP 拥塞算法的问题，你可以用下面的命令查看本机提供的拥塞算法控制模块：

sysctlnet.ipv4.tcp_available_congestion_control

对于几种算法的分析，详情可以参考下：TCP拥塞控制算法的优缺点、适用环境、性能分析，比如高延时可以试用hybla，中等延时可以试用htcp算法等。

如果想设置TCP 拥塞算法为hybla

#设置TCP 拥塞算法
net.ipv4.tcp_congestion_control=hybla

对于内核版高于于3.7.1的，我们可以开启tcp_fastopen：

#开启tcp_fastopen
net.ipv4.tcp_fastopen= 3

Iptables相关

如非必须，关掉或卸载iptables防火墙，并阻止kernel加载iptables模块。这些模块会影响并发性能。

IO事件分配机制

在Linux启用高并发TCP连接，必须确认应用程序是否使用了合适的网络I/O技术和I/O事件分派机制。可用的I/O技术有同步I/O，非阻塞式同步I/O，以及异步I/O。在高TCP并发的情形下，如果使用同步I/O，这会严重阻塞程序的运转，除非为每个TCP连接的I/O创建一个线程。但是，过多的线程又会因系统对线程的调度造成巨大开销。因此，在高TCP并发的情形下使用同步I/O是不可取的，这时可以考虑使用非阻塞式同步I/O或异步I/O。非阻塞式同步I/O的技术包括使用select()，poll()，epoll等机制。异步I/O的技术就是使用AIO。

从I/O事件分派机制来看，使用select()是不合适的，因为它所支持的并发连接数有限(通常在1024个以内)。如果考虑性能，poll()也是不合适的，尽管它可以支持的较高的TCP并发数，但是由于其采用“轮询”机制，当并发数较高时，其运行效率相当低，并可能存在I/O事件分派不均，导致部分TCP连接上的I/O出现“饥饿”现象。而如果使用epoll或AIO，则没有上述问题(早期Linux内核的AIO技术实现是通过在内核中为每个I/O请求创建一个线程来实现的，这种实现机制在高并发TCP连接的情形下使用其实也有严重的性能问题。但在最新的Linux内核中，AIO的实现已经得到改进)。