戰(zhàn)略上藐視技術(shù)，戰(zhàn)術(shù)上重視技術(shù)
我是一個 Linux 服務(wù)器上的進(jìn)程，名叫小進(jìn)。老是有人說我最多只能創(chuàng)建 65535 個 TCP 連接。老操不慌不忙，拿出一個表格遞給我，"小進(jìn)，先填表吧"我一看這個表，這不就是經(jīng)典的 socket 四元組嘛。我只有一塊網(wǎng)卡，其 IP 地址是 123.126.45.68，我想要與 110.242.68.3 的 80 端口建立一個 TCP 連接，我將這些信息填寫在了表中。源端口號填什么呢？我記得端口號是 16 位的，可以有 0 ~ 65535 這個范圍的數(shù)字，那我隨便選一個吧！正當(dāng)我猶豫到底選什么數(shù)字的時候，老操一把搶過我的表格。"你墨跡個啥呢小進(jìn)？源端口號不用你填，我會給你分配一個可用的數(shù)字。源IP也不用你填，我知道都有哪些網(wǎng)卡，并且會幫你選個合適的。真是個新手，回去等消息吧。"過了很長時間，老操終于回來了，并且?guī)е粋€紙條。老操不耐煩地說道，"剛剛說你是新手你還不服，這個 5 表示文件描述符，linux 下一切皆文件，你待會和你那個目標(biāo) IP 進(jìn)行 TCP 通信的時候，就對著這個文件描述符讀寫就好啦。"我拿著這個文件描述符，把它放到屬于我的內(nèi)存中裱起來了，反正我只是想看看最多能創(chuàng)建多少 TCP 連接，又不是去真的用它，嘻嘻。老操不慌不忙，拿出一個表格遞給我，"小進(jìn)，先填表吧"這回我熟悉了，只把目標(biāo)IP和目標(biāo)端口填好。老操辦好事之后，又帶著一個紙條回來，上面寫著數(shù)字"6"。就這樣，我每隔一分鐘都去找老操建立一個新的 TCP 連接，目標(biāo) IP 都是110.242.68.3，目標(biāo)端口都是 80。老操也很奇怪，不知道我在這折騰啥，他雖然權(quán)力大，但無權(quán)拒絕我的指令，每次都兢兢業(yè)業(yè)地把事情辦好，并給我一張一張寫著文件描述符的紙條。我?guī)е┰S責(zé)怪的語氣問，"老操，這是怎么回事呀？"老操也沒好氣地說，"這表示端口號不夠用啦！早就覺得你小子不對勁了，一個勁地對著同一個 IP 和端口創(chuàng)建 TCP 連接，之前沒辦法必須執(zhí)行你給的指令，現(xiàn)在不行了，端口號不夠用了，源端口那里我沒法給你填了。"我也不是那么好騙的，質(zhì)疑道。"老操，你也別欺負(fù)我這個新手，我可是知道端口號是 16 位的，范圍是 1~65535，一共可以創(chuàng)建 65535 個 TCP 連接，我現(xiàn)在才創(chuàng)建了 63977 個，怎么就不夠了！"老操鄙視地看了我一眼，"你小子可真是閑的蛋疼啊，還真一個個數(shù)，來我告訴你吧，Linux 對可使用的端口范圍是有具體限制的，具體可以用如下命令查看。"[root]# cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range
1024 65000
"看到?jīng)]，當(dāng)前的限制是1024~65000，所以你就只能有63977個端口號可以使用。"我趕緊像老操道歉，"哎喲真是抱歉，還是我見識太少，那這個數(shù)可以修改么？"老操也沒跟我一般見識，還是耐心地回答我，"可以的，具體可以 vim /etc/sysctl.conf 這個文件進(jìn)行修改，我們在這個文件里添加一行記錄"net.ipv4.ip_local_port_range = 60000 60009
"保存好后執(zhí)行 sysctl -p /etc/sysctl.conf 使其生效。這樣你就只有 10 個端口號可以用了，就會更快報出端口號不夠用的錯誤"哎不對，建立一個 TCP 連接，需要將通信兩端的套接字（socket）進(jìn)行綁定，如下：源 IP 地址：源端口號 <----> 目標(biāo) IP 地址：目標(biāo)端口號只要這套綁定關(guān)系構(gòu)成的四元組不重復(fù)即可，剛剛端口號不夠用了，是因為我一直對同一個目標(biāo)IP和端口建立連接，那我換一個目標(biāo)端口號試試。我又把這個表交給老操，老操一眼就看破了我的小心思，可是也沒辦法，馬上去給我建立了一個新的TCP連接，并且成功返回給我一個新的文件描述符紙條。看來成功了，只要源端口號不用夠用了，就不斷變換目標(biāo) IP 和目標(biāo)端口號，保證四元組不重復(fù)，我就能創(chuàng)建好多好多 TCP 連接啦！這也證明了有人說最多只能創(chuàng)建 65535 個TCP連接是多么荒唐。找到了突破端口號限制的辦法，我不斷找老操建立TCP連接，老操也拿我沒有辦法。直到有一次，我又收到了一張?zhí)厥獾募垪l，上面寫的不是文件描述符。老操幸災(zāi)樂禍地告訴我，"呵呵，你小子以為突破端口號限制就無法無天了？現(xiàn)在文件描述符不夠用啦！""怎么啥啥都有限制啊？你們操作系統(tǒng)給我們的限制也太多了吧？""廢話，你看看你都建了多少個TCP連接了！每建立一個TCP連接，我就得分配給你一個文件描述符，linux 對可打開的文件描述符的數(shù)量分別作了三個方面的限制。"系統(tǒng)級：當(dāng)前系統(tǒng)可打開的最大數(shù)量，通過 cat /proc/sys/fs/file-max 查看
用戶級：指定用戶可打開的最大數(shù)量，通過 cat /etc/security/limits.conf 查看
進(jìn)程級：單個進(jìn)程可打開的最大數(shù)量，通過 cat /proc/sys/fs/nr_open 查看
天呢，真是人在屋檐下呀，我趕緊看了看這些具體的限制。[root ~]# cat /proc/sys/fs/file-max
100000
[root ~]# cat /proc/sys/fs/nr_open
100000
[root ~]# cat /etc/security/limits.conf
...
* soft nproc 100000
* hard nproc 100000
老操仍然耐心地告訴我，"當(dāng)然可以，比如你想修改單個進(jìn)程可打開的最大文件描述符限制為100，可以這樣。"echo 100 > /proc/sys/fs/nr_open
"原來如此，我這就去把各種文件描述符限制都改大一點(diǎn)，也不多，就在后面加個0吧""額，早知道不告訴你小子了。"老操再次用鄙視的眼睛看著我。突破了文件描述符限制，我又開始肆無忌憚地創(chuàng)建起了TCP連接。但我發(fā)現(xiàn)，老操的辦事效率越來越慢，建立一個TCP連接花的時間越來越久。有一次，我忍不住責(zé)問老操，"你是不是在偷懶啊？之前找你建一個TCP連接就花不到一分鐘時間，你看看最近我哪次不是等一個多小時你才搞好？"老操也忍不住了，"小進(jìn)啊你還好意思說我，你知不知道你每建一個TCP連接都需要消耗一個線程來為你服務(wù)？現(xiàn)在我和CPU老大那里都忙得不可開交了，一直在為你這好幾十萬個線程不停地進(jìn)行上下文切換，我們精力有限啊，自然就沒法像以前那么快為你服務(wù)了。"聽完老操的抱怨，我想起了之前似乎有人跟我說過 C10K 問題，就是當(dāng)服務(wù)器連接數(shù)達(dá)到 1 萬且每個連接都需要消耗一個線程資源時，操作系統(tǒng)就會不停地忙于線程的上下文切換，最終導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，這可不是鬧著玩的。我趕緊像操作系統(tǒng)老大請教，"老操，實在不好意思，一直以為你強(qiáng)大無比，沒想到也有忙得不可開交的時候呀，那我們現(xiàn)在應(yīng)該怎么辦呀？"老操無奈地說，"我勸你還是別再繼續(xù)玩了，沒什么意義，不過我想你也不會聽我的，那我跟你說兩句吧。"你現(xiàn)在這種每建一個TCP連接就創(chuàng)建一個線程的方式，是最傳統(tǒng)的多線程并發(fā)模型，早期的操作系統(tǒng)也只支持這種方式。但現(xiàn)在我進(jìn)化了，我還支持 IO 多路復(fù)用的方式，簡單說就是一個線程可以管理多個 TCP 連接的資源，這樣你就可以用少量的線程來管理大量的 TCP 連接了。我一臉疑惑，"啥是 IO 多路復(fù)用啊？"。這次真是大開眼界了，我趕緊把代碼改成了這種 IO 多路復(fù)用的模型，將原來的 TCP 連接銷毀掉，改成同一個線程管理多個 TCP 連接，很快，操作系統(tǒng)老大就恢復(fù)了以往的辦事效率，同時我的 TCP 連接數(shù)又多了起來。突破了端口號、文件描述符、線程數(shù)等重重限制的我，再次肆無忌憚地創(chuàng)建起了TCP連接。嗨，又是啥東西限制了呀，改了不就完了。我不耐煩地問老操，"這回又是啥毛病？"老操說道。"這個錯誤叫內(nèi)存溢出，每個TCP連接本身，以及這個連接所用到的緩沖區(qū)，都是需要占用一定內(nèi)存的，現(xiàn)在內(nèi)存已經(jīng)被你占滿了，不夠用了，所以報了這個錯。"我看這次老操特別耐心，也沒多說什么，但想著被內(nèi)存限制住了，有點(diǎn)不太開心，于是我讓老操幫我最后一個忙。"老操呀，幫小進(jìn)我最后一個忙吧，你權(quán)利大，你看看把那些特別占內(nèi)存的進(jìn)程給殺掉，給我騰出點(diǎn)地方，我今天要完成我的夢想，看看TCP連接數(shù)到底能創(chuàng)建多少個！"老操見我真的是夠拼的，便答應(yīng)了我，殺死了好多進(jìn)程，我很是感動。有了老操為我爭取的內(nèi)存資源，我又開始日以繼日地創(chuàng)建TCP連接。老操也不再說什么，同樣日以繼日地執(zhí)行著我的指令。有一次，老操語重心長地對我說，"差不多了，我勸你就此收手吧，現(xiàn)在 CPU 的占用率已經(jīng)快到 100% 了。"我覺得老操這人真的可笑，經(jīng)過這幾次的小挫折，我明白了只要思想不滑坡，方法總比苦難多，老操這人就是太謹(jǐn)慎了，我豈能半途而廢，不管他。我仍然繼續(xù)創(chuàng)建著 TCP 連接。直到有一天，老操把我請到一個小飯館，一塊吃了頓飯，吃好后說道。"咱哥倆也算是配合了很久啦，今天我是來跟你道個別的。"我很不解地問，"怎么了老操，發(fā)生什么事了？。"老操說，"由于你的 TCP 連接，CPU 占用率已經(jīng)很長時間維持在 100%，我們的使用者，也就是我們的上帝，幾乎什么事情都做不了了，連鼠標(biāo)動一下都要等好久，所以他給我下達(dá)了一個重啟的指令，我執(zhí)行這個指令后，你，以及像你一樣的所有進(jìn)程，包括我這個操作系統(tǒng)本身，一切都就消失了。"我大驚失色，"啊，這么突然么？這條指令什么時候執(zhí)行？"老操緩緩起身，"就現(xiàn)在了，剛剛這條指令還沒得到 CPU 運(yùn)行的機(jī)會，不過現(xiàn)在到了。"資源 | 一臺Linux服務(wù)器的資源 | 一個TCP連接占用的資源 | 占滿了會發(fā)生什么 |
CPU | 看你花多少錢買的 | 看你用它干嘛 | 電腦卡死 |
內(nèi)存 | 看你花多少錢買的 | 取決于緩沖區(qū)大小 | OOM |
臨時端口號 | ip_local_port_range | 1 | cannot assign requested address |
文件描述符 | fs.file-max | 1 | too many open files |
進(jìn)程\線程數(shù) | ulimit -n | 看IO模型 | 系統(tǒng)崩潰 |
其實這個問題，我覺得結(jié)論不重要，最重要的是思考過程。
而思考過程其實相當(dāng)簡單，就是，尋找限制條件而已，其實一開始這篇文章，我寫了個故事在開頭，但后來感覺放在后記更合適。故事是這樣的。
閃客：小宇，我問你，你一天最多能吃多少個漢堡？
小宇：額，你這問的太隱私了吧，不過看在你教我技術(shù)的份上，我就告訴你，最多能吃 4 個左右吧。
閃客：咳咳真的么？好吧，那你一分鐘最多能吃多少個漢堡？
小宇：快的話可能 2 個，不過正常應(yīng)該最多就能吃完 1 個了。
閃客：好的，那我問你，剛剛這兩個問題你為什么能不假思索地回答出來呢？
小宇：哈哈你這是什么話，我自己我當(dāng)然了解了。
閃客：不，你仔細(xì)想想你回答這兩個問題的邏輯。
小宇：哦我明白你的意思了，當(dāng)你問我一天最多能吃多少個漢堡時，我考慮的是我的胃的容量最多能容下多少個漢堡。而當(dāng)你問我一分鐘最多能吃多少個漢堡時，我考慮的時我吃漢堡的速度，按照這個速度在一分鐘內(nèi)能吃多少。
閃客：沒錯，你總結(jié)得很好！一天最多吃多少個漢堡，此時時間非常充裕，所以主要是胃的容量限制了這個漢堡最大值，計算公式應(yīng)該是：
最多漢堡數(shù) = 胃的容量 ÷ 漢堡的體積
而一分鐘最多吃多少個漢堡，此時胃的容量非常充裕，限制漢堡最大值的是時間因素，計算公式是：
最多漢堡數(shù) = 一分鐘 ÷ 吃一個漢堡的耗時
所以，取決于最先觸達(dá)的那個限制條件。
而最大 TCP 連接數(shù)這個問題，假如面試被問到了，即使你完全不會，也應(yīng)該有這樣的思路。
而如果你有了這樣的思路，你多多少少都能回答出讓面試官滿意的答案，因為計算機(jī)很多時候，更看重思路，而不是細(xì)枝末節(jié)。
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