LinuxC/C++ 实现百万并发服务器

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LinuxC/C++ 实现百万并发服务器

LinuxC/C++ 实现百万并发服务器

文章目录

• LinuxC/C++ 实现百万并发服务器
• • 1. 准备
  • 2. code
  • 3. 问题汇总
  • • 3.1 一个进程默认可以打开的文件fd数量
    • 3.2 客户端端口耗尽
    • 3.3 防火墙可以对外打开的最大连接数
    • 3.4 允许所有进程一共可以打开的最大文件数
    • 3.5 服务器内存不够

1. 准备

首先要准备四台虚拟机，一台用作服务器，另外三台用作客户端.

• Server: 4G内存、2核CPU
• Client: 2G内存、1核CPU

2. code

服务端

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <pthread.h>#include <errno.h>
#include <fcntl.h>#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>#define BUFFER_LENGTH		1024
#define EPOLL_SIZE			1024#define MAX_PORT            100int islistenfd(int fd, int *fds) {int i = 0;for (i = 0; i < MAX_PORT; i++) {if (fd == *(fds + i)) {return fd;}}return 0;
}int main(int argc,char* argv[]) {if (argc < 2) {printf("Parm Error\n");return -1;}// 从这个端口开始int port = atoi(argv[1]);int sockfds[MAX_PORT] = {0};    // listen fdint epfd = epoll_create(1);struct epoll_event events[EPOLL_SIZE] = {0};int i = 0;for (i = 0; i < MAX_PORT; i++) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);struct sockaddr_in addr;memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));addr.sin_family = AF_INET;addr.sin_port = htons(port + i);    // 从8888到8987一共100个端口addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(struct sockaddr_in)) < 0) {perror("bind");return 2;}if (listen(sockfd, 5) < 0) {perror("listen");return 3;}// 创建的连接加入到epoll里面struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN;ev.data.fd = sockfd;// 把socket交给epoll去管理epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);sockfds[i] = sockfd;}// // 创建一个epoll// int epfd = epoll_create(1);// struct epoll_event events[EPOLL_SIZE] = {0};// // 储存epoll监听的IO事件// struct epoll_event ev;// ev.events = EPOLLIN;// ev.data.fd = sockfd;// // 把socket交给epoll去管理// epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);while (1) {// epfd: 指定哪一个epoll// events: 指定监听事件的容器// EPOLL_SIZE: 数组大小// -1: 表示只要没有IO事件就不去处理，0表示有时间就去处理// 返回处理的IO事件的个数int nready = epoll_wait(epfd, events, EPOLL_SIZE, -1);if (nready == -1) {continue;}// 依次处理IO事件// events容器中会储存两种fd，一种是sockfd，一种是clientfdint i = 0;for (i = 0; i < nready; i++) {// 判断触发IO事件的是否是sockfdint sockfd = islistenfd(events[i].data.fd, sockfds);if (sockfd) {struct sockaddr_in client_addr;memset(&client_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));socklen_t client_len = sizeof(client_addr);// 建立连接之后得到新的clientfdint clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);// 设置为非阻塞IOfcntl(clientfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);int reuse = 1;// 设置socket属性 设置SO_REUSEADDR socket关闭之后并不会立即收回，而是要经历一个TIME_WAIT的阶段setsockopt(clientfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (char *)&reuse, sizeof(reuse));// 确定事件的触发方式// 水平触发（有数据就触发，可能会触发多次）和边沿触发（检测到状态的改变才会触发）// 这里使用边沿触发struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = clientfd;// clientfd交给epoll管理epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, clientfd, &ev);} else {// 触发的是clientfd，要进行读写操作int clientfd = events[i].data.fd;char buffer[BUFFER_LENGTH] = { 0 };int len = recv(clientfd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);if (len < 0) {close(clientfd);struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = clientfd;// 及时清除IOepoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, clientfd, &ev);}else if (len == 0) {close(clientfd);struct epoll_event ev;ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;ev.data.fd = clientfd;// 及时清除IOepoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, clientfd, &ev);}else {printf("Recv: %s, %d byte(s)\n", buffer, len);}}}}return 0;
}

客户端

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/time.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <fcntl.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;}

3. 问题汇总

3.1 一个进程默认可以打开的文件fd数量

在Linux中，文件系统默认允许一个进程能打开的最大fd个数为1024.可以使用ulimit -a命令来查看.

当超过这个值就会报错：connection_refuesed.
为了实现百万级并发，我们可以修改这个值.

1. 临时修改

临时修改可以通过以下命令：

ulimit -n 1048576

缺点是重启服务器之后，又会变回默认值.

2. 永久修改

修改vim /etc/security/limits.conf配置文件：

在文件末尾添加：

*    hard    nofile    1048576
*    soft    nofile    1048576

然后使用reboot重启即可.

3.2 客户端端口耗尽

在使用send(sockfd, buffer, strlen(buffer, 0))和recv(clientid, buffer, BUFFER_LENGTH, 0)函数的时候，客户端在send的时候，是如何通过sockfd来确立本机端口和目的端口的呢？以及服务端在recv的时候，是如何通过发送过来的本机端口、目的端口等等信息来找到clientfd的呢?

其实每个sockfd都会对应着一个五元组：

五元组(源IP地址, 源端口, 目的IP地址, 目的端口, 运输层协议)

这个五元组与sockfd是一对一的关系.

端口耗尽

当源IP地址, 目的IP地址, 目的端口, 运输层协议确定的时候，由于Linux能开放的最大端口数为65535，所以客户端的端口很快就会被耗尽.

这个时候就会报错：Cannot assign requested address.

增加服务端端口

这个时候我们可以多开几个服务端的端口，在实现中，我们在服务端开放了100个端口，三个客户端依次向这100个端口发送数据，可以实现百万级别的并发连接.

3.3 防火墙可以对外打开的最大连接数

使用cat /proc/sys/net/netfilter/nf_conntrack_max可以查看防火墙允许对外开放的最大连接数：

只有65535个连接，所以需要修改内核参数：

# 编辑内核参数配置文件
vim /etc/sysctl.conf# 在配置文件中把net.nf_conntrack_max参数修改为1048576
net.nf_conntrack_max = 1048576# 重新加载配置文件
sysctl -p

3.4 允许所有进程一共可以打开的最大文件数

可以查看file-max属性：

cat /proc/sys/fs/file-max

同样可以在内核参数里面进行修改：

# 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

如果出现问题：

运行以下命令：

modprobe ip_conntrack# 再次重新加载
sysctl -p

3.5 服务器内存不够

当连接数达到一定的数量后，服务器的内存会达到100%，这个时候服务器会将大量连接客户端的进程停止，进行内存回收，这个时候CPU的利用率会飙升到100%（一般不被允许，CPU利用率一般不能超过80%）.

这个时候需要调整一下TCP/IP协议栈：

# 编辑内核参数配置文件
vim /etc/sysctl.conf# 添加以下内容
net.ipv4.tcp_mem = 252144 524288 786432	# TCP全局缓存，单位为内存页（4K），524288 * 4k 约等于 2G
net.ipv4.tcp_wmem = 1024 1024 2048 # tcp接受缓存(用于tcp接受滑动窗口)的最小值，默认值和最大值
net.ipv4.tcp_rmem = 1024 1024 2048 # tcp发送缓存(用于tcp发送滑动窗口)的最小值，默认值和最大值# 总缓存 = （每个fd发送缓存 + 每个fd接收缓存） * fd数量
# 1024byte * 2 * 100w 约等于 2G