經過 ulimit 改善系統性能

概述

系統性能一直是一個受關注的話題，如何經過最簡單的設置來實現最有效的性能調優， 如何在有限資源的條件下保證程序的運做，ulimit 是咱們在處理這些問題時，常用的一種簡單手段。ulimit 是一種 linux 系統的內鍵功能，它具備一套參數集，用於爲由它生成的 shell 進程及其子進程的資源使用設置限制。本文將在後面的章節中詳細說明 ulimit 的功能，使用以及它的影響，並以具體的例子來詳細地闡述它在限制資源使用方面的影響。

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ulimit 的功能和用法

ulimit 功能簡述

假設有這樣一種狀況，當一臺 Linux 主機上同時登錄了 10 我的，在系統資源無限制的狀況下，這 10 個用戶同時打開了 500 個文檔，而假設每一個文檔的大小有 10M，這時系統的內存資源就會受到巨大的挑戰。

而 實際應用的環境要比這種假設複雜的多，例如在一個嵌入式開發環境中，各方面的資源都是很是緊缺的，對於開啓文件描述符的數量，分配堆棧的大小，CPU 時間，虛擬內存大小，等等，都有很是嚴格的要求。資源的合理限制和分配，不只僅是保證系統可用性的必要條件，也與系統上軟件運行的性能有着密不可分的聯 系。這時，ulimit 能夠起到很大的做用，它是一種簡單而且有效的實現資源限制的方式。

ulimit 用於限制 shell 啓動進程所佔用的資源，支持如下各類類型的限制：所建立的內核文件的大小、進程數據塊的大小、Shell 進程建立文件的大小、內存鎖住的大小、常駐內存集的大小、打開文件描述符的數量、分配堆棧的最大大小、CPU 時間、單個用戶的最大線程數、Shell 進程所能使用的最大虛擬內存。同時，它支持硬資源和軟資源的限制。

做爲臨時限制，ulimit 能夠做用於經過使用其命令登陸的 shell 會話，在會話終止時便結束限制，並不影響於其餘 shell 會話。而對於長期的固定限制，ulimit 命令語句又能夠被添加到由登陸 shell 讀取的文件中，做用於特定的 shell 用戶。

圖 1. ulimit 的使用

在下面的章節中，將詳細介紹如何使用 ulimit 作相應的資源限制。

如何使用 ulimit

ulimit 經過一些參數選項來管理不一樣種類的系統資源。在本節，咱們將講解這些參數的使用。

ulimit 命令的格式爲：ulimit [options] [limit]

具體的 options 含義以及簡單示例能夠參考如下表格。

表 1. ulimit 參數說明

選項 [options]	含義	例子
-H	設置硬資源限制，一旦設置不能增長。	ulimit – Hs 64；限制硬資源，線程棧大小爲 64K。
-S	設置軟資源限制，設置後能夠增長，可是不能超過硬資源設置。	ulimit – Sn 32；限制軟資源，32 個文件描述符。
-a	顯示當前全部的 limit 信息。	ulimit – a；顯示當前全部的 limit 信息。
-c	最大的 core 文件的大小， 以 blocks 爲單位。	ulimit – c unlimited； 對生成的 core 文件的大小不進行限制。
-d	進程最大的數據段的大小，以 Kbytes 爲單位。	ulimit -d unlimited；對進程的數據段大小不進行限制。
-f	進程能夠建立文件的最大值，以 blocks 爲單位。	ulimit – f 2048；限制進程能夠建立的最大文件大小爲 2048 blocks。
-l	最大可加鎖內存大小，以 Kbytes 爲單位。	ulimit – l 32；限制最大可加鎖內存大小爲 32 Kbytes。
-m	最大內存大小，以 Kbytes 爲單位。	ulimit – m unlimited；對最大內存不進行限制。
-n	能夠打開最大文件描述符的數量。	ulimit – n 128；限制最大可使用 128 個文件描述符。
-p	管道緩衝區的大小，以 Kbytes 爲單位。	ulimit – p 512；限制管道緩衝區的大小爲 512 Kbytes。
-s	線程棧大小，以 Kbytes 爲單位。	ulimit – s 512；限制線程棧的大小爲 512 Kbytes。
-t	最大的 CPU 佔用時間，以秒爲單位。	ulimit – t unlimited；對最大的 CPU 佔用時間不進行限制。
-u	用戶最大可用的進程數。	ulimit – u 64；限制用戶最多可使用 64 個進程。
-v	進程最大可用的虛擬內存，以 Kbytes 爲單位。	ulimit – v 200000；限制最大可用的虛擬內存爲 200000 Kbytes。

咱們能夠經過如下幾種方式來使用 ulimit：

• 在用戶的啓動腳本中

  若是用戶使用的是 bash，就能夠在用戶的目錄下的 .bashrc 文件中，加入 ulimit – u 64，來限制用戶最多可使用 64 個進程。此外，能夠在與 .bashrc 功能至關的啓動腳本中加入 ulimt。

• 在應用程序的啓動腳本中

  若是用戶要對某個應用程序 myapp 進行限制，能夠寫一個簡單的腳本 startmyapp。

  ulimit – s 512 
   myapp

  之後只要經過腳本 startmyapp 來啓動應用程序，就能夠限制應用程序 myapp 的線程棧大小爲 512K。

• 直接在控制檯輸入

  user@tc511-ui:~>ulimit – p 256

  限制管道的緩衝區爲 256K。

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用戶進程的有效範圍

ulimit 做爲對資源使用限制的一種工做，是有其做用範圍的。那麼，它限制的對象是單個用戶，單個進程，仍是整個系統呢？事實上，ulimit 限制的是當前 shell 進程以及其派生的子進程。舉例來講，若是用戶同時運行了兩個 shell 終端進程，只在其中一個環境中執行了 ulimit – s 100，則該 shell 進程裏建立文件的大小收到相應的限制，而同時另外一個 shell 終端包括其上運行的子程序都不會受其影響：

Shell 進程 1

ulimit – s 100 
 cat testFile > newFile 
 File size limit exceeded

Shell 進程 2

cat testFile > newFile 
 ls – s newFile 
 323669 newFile

那麼，是否有針對某個具體用戶的資源加以限制的方法呢？答案是有的，方法是經過修改系統的 /etc/security/limits 配置文件。該文件不只能限制指定用戶的資源使用，還能限制指定組的資源使用。該文件的每一行都是對限定的一個描述，格式以下：

<domain> <type> <item> <value>

domain 表示用戶或者組的名字，還可使用 * 做爲通配符。Type 能夠有兩個值，soft 和 hard。Item 則表示須要限定的資源，能夠有不少候選值，如 stack，cpu，nofile 等等，分別表示最大的堆棧大小，佔用的 cpu 時間，以及打開的文件數。經過添加對應的一行描述，則能夠產生相應的限制。例如：

* hard noflle 100

該行配置語句限定了任意用戶所能建立的最大文件數是 100。

現 在已經能夠對進程和用戶分別作資源限制了，看似已經足夠了，其實否則。不少應用須要對整個系統的資源使用作一個總的限制，這時候咱們須要修改 /proc 下的配置文件。/proc 目錄下包含了不少系統當前狀態的參數，例如 /proc/sys/kernel/pid_max，/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range 等等，從文件的名字大體能夠猜出所限制的資源種類。因爲該目錄下涉及的文件衆多，在此不一一介紹。有興趣的讀者可打開其中的相關文件查閱說明。

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ulimit 管理系統資源的例子

ulimit 提供了在 shell 進程中限制系統資源的功能。本章列舉了一些使用 ulimit 對用戶進程進行限制的例子，詳述了這些限制行爲以及對應的影響，以此來講明 ulimit 如何對系統資源進行限制，從而達到調節系統性能的功能。

使用 ulimit 限制 shell 的內存使用

在這一小節裏向讀者展現如何使用 – d，– m 和 – v 選項來對 shell 所使用的內存進行限制。

首先咱們來看一下不設置 ulimit 限制時調用 ls 命令的狀況：

圖 2. 未設置 ulimit 時 ls 命令使用狀況

你們能夠看到此時的 ls 命令運行正常。下面設置 ulimit：

>ulimit -d 1000 -m 1000 -v 1000

這裏再溫習一下前面章節裏介紹過的這三個選項的含義：

-d：設置數據段的最大值。單位：KB。

-m：設置可使用的常駐內存的最大值。單位：KB。

-v：設置虛擬內存的最大值。單位：KB。

經過上面的 ulimit 設置咱們已經把當前 shell 所能使用的最大內存限制在 1000KB 如下。接下來咱們看看這時運行 ls 命令會獲得什麼樣的結果：

haohe@sles10-hehao:~/code/ulimit> ls test -l 
 /bin/ls: error while loading shared libraries: libc.so.6: failed to map segment 
 from shared object: Cannot allocate memory

從上面的結果能夠看到，此時 ls 運行失敗。根據系統給出的錯誤信息咱們能夠看出是因爲調用 libc 庫時內存分配失敗而致使的 ls 出錯。那麼咱們來看一下這個 libc 庫文件到底有多大：

圖 3. 查看 libc 文件大小

從上面的信息能夠看出，這個 libc 庫文件的大小是 1.5MB。而咱們用 ulimit 所設置的內存使用上限是 1000KB，小於 1.5MB，這也就充分證實了 ulimit 所起到的限制 shell 內存使用的功能。

使用 ulimit 限制 shell 建立的文件的大小

接下來向讀者展現如何使用 -f 選項來對 shell 所能建立的文件大小進行限制。

首先咱們來看一下，沒有設置 ulimit -f 時的狀況：

圖 4. 查看文件

現有一個文件 testFile 大小爲 323669 bytes，如今使用 cat 命令來建立一個 testFile 的 copy：

圖 5. 未設置 ulimit 時建立複本

從上面的輸出能夠看出，咱們成功的建立了 testFile 的拷貝 newFile。

下面咱們設置 ulimt – f 100：

> ulimit -f 100

-f 選項的含義是：用來設置 shell 能夠建立的文件的最大值。單位是 blocks。

如今咱們再來執行一次相同的拷貝命令看看會是什麼結果：

圖 6. 設置 ulimit 時建立複本

這 次建立 testFile 的拷貝失敗了，系統給出的出錯信息時文件大小超出了限制。在 Linux 系統下一個 block 的默認大小是 512 bytes。因此上面的 ulimit 的含義就是限制 shell 所能建立的文件最大值爲 512 x 100 = 51200 bytes，小於 323669 bytes，因此建立文件失敗，符合咱們的指望。這個例子說明了如何使用 ulimit 來控制 shell 所能建立的最大文件。

使用 ulimit 限制程序所能建立的 socket 數量

考 慮一個現實中的實際需求。對於一個 C/S 模型中的 server 程序來講，它會爲多個 client 程序請求建立多個 socket 端口給與響應。若是剛好有大量的 client 同時向 server 發出請求，那麼此時 server 就會須要建立大量的 socket 鏈接。但在一個系統當中，每每須要限制單個 server 程序所能使用的最大 socket 數，以供其餘的 server 程序所使用。那麼咱們如何來作到這一點呢？答案是咱們能夠經過 ulimit 來實現！細心的讀者可能會發現，經過前面章節的介紹彷佛沒有限制 socket 使用的 ulimit 選項。是的，ulimit 並無哪一個選項直接說是用來限制 socket 的數量的。可是，咱們有 -n 這個選項，它是用於限制一個進程所能打開的文件描述符的最大值。在 Linux 下一切資源皆文件，普通文件是文件，磁盤打印機是文件，socket 固然也是文件。在 Linux 下建立一個新的 socket 鏈接，實際上就是建立一個新的文件描述符。以下圖所示（查看某個進程當前打開的文件描述符信息）：

圖 7. 查看進程打開文件描述符

所以，咱們能夠經過使用 ulimit – n 來限制程序所能打開的最大文件描述符數量，從而達到限制 socket 建立的數量。

使用 ulimit 限制 shell 多線程程序堆棧的大小（增長可用線程數量）

在最後一個例子中，向你們介紹如何使用 -s（單位 KB）來對線程的堆棧大小進行限制，從而減小整個多線程程序的內存使用，增長可用線程的數量。這個例子取自於一個真實的案例。咱們所遇到的問題是系統對咱們的多線程程序有以下的限制：

ulimit -v 200000

根據本文前面的介紹，這意味着咱們的程序最多隻能使用不到 200MB 的虛擬內存。因爲咱們的程序是一個多線程程序，程序在運行時會根據須要建立新的線程，這勢必會增長總的內存需求量。一開始咱們對堆棧大小的限制是 1024 （本例子中使用 1232 來講明）：

# ulimit – s 1232

當咱們的程序啓動後，經過 pmap 來查看其內存使用狀況，能夠看到多個佔用 1232KB 的數據段，這些就是程序所建立的線程所使用的堆棧：

圖 8. 程序線程所使用的堆棧

每當一個新的線程被建立時都須要新分配一段大小爲 1232KB 的內存空間，而咱們總的虛擬內存限制是 200MB，因此若是咱們須要建立更多的線程，那麼一個能夠改進的方法就是減小每一個線程的固定堆棧大小，這能夠經過 ulimit – s 來實現：

# ulimit -s 512

咱們將堆棧大小設置爲 512KB，這時再經過 pmap 查看一下咱們的設置是否起做用：

圖 9. 設置 ulimit 後堆棧大小

從上面的信息能夠看出，咱們已經成功的將線程的堆棧大小改成 512KB 了，這樣在總內存使用限制不變的狀況下，咱們能夠經過本小節介紹的方法來增長能夠建立的線程數，從而達到改善程序的多線程性能。

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總結

綜 上所述，linux 系統中的 ulimit 指令，對資源限制和系統性能優化提供了一條便捷的途徑。從用戶的 shell 啓動腳本，應用程序啓動腳本，以及直接在控制檯，均可以經過該指令限制系統資源的使用，包括所建立的內核文件的大小、進程數據塊的大小、Shell 進程建立文件的大小、內存鎖住的大小、常駐內存集的大小、打開文件描述符的數量、分配堆棧的最大大小、CPU 時間、單個用戶的最大線程數、Shell 進程所能使用的最大虛擬內存，等等方面。本文中的示例很是直觀的說明了 ulimit 的使用及其產生的效果，顯而易見，ulimit 對咱們在 Linux 平臺的應用和開發工做是很是實用的。

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特別感謝

賀皓爲本篇文章的撰寫提出了不少建議，作了大量實驗，提供了文章中的實驗數據和結論。

賀皓是 IBM CSTL（中國系統與科技開發中心）的軟件工程師。他在復旦大學得到了計算機科學專業的學士與碩士學位。目前他在 IBM SVC Agent 開發小組從事研發工做。