一臺客戶端機(jī)器最多能發(fā)起多少條TCP連接？

之前有一位讀者向我訴苦，有次面試，好不容易（今年行情大家都懂的）熬到到技術(shù)終面，誰知道面試官突然放個大招問他：一臺服務(wù)器最大能支持多少條 TCP 連接，把他直接給問懵逼了。。。。（請自行腦補(bǔ)那尷尬的場面與氣氛）。

所以，今天就來討論一下這個問題。

一臺服務(wù)器最大能打開的文件數(shù)

限制參數(shù)

我們知道在Linux中一切皆文件，那么一臺服務(wù)器最大能打開多少個文件呢？Linux上能打開的最大文件數(shù)量受三個參數(shù)影響，分別是：

fs.file-max （系統(tǒng)級別參數(shù)）：該參數(shù)描述了整個系統(tǒng)可以打開的最大文件數(shù)量。但是root用戶不會受該參數(shù)限制（比如：現(xiàn)在整個系統(tǒng)打開的文件描述符數(shù)量已達(dá)到fs.file-max ，此時root用戶仍然可以使用ps、kill等命令或打開其他文件描述符）。

soft nofile（進(jìn)程級別參數(shù)）：限制單個進(jìn)程上可以打開的最大文件數(shù)。只能在Linux上配置一次，不能針對不同用戶配置不同的值。

fs.nr_open（進(jìn)程級別參數(shù)）：限制單個進(jìn)程上可以打開的最大文件數(shù)。可以針對不同用戶配置不同的值。

這三個參數(shù)之間還有耦合關(guān)系，所以配置值的時候還需要注意以下三點(diǎn)：

如果想加大soft nofile，那么hard nofile參數(shù)值也需要一起調(diào)整。如果因為hard nofile參數(shù)值設(shè)置的低，那么soft nofile參數(shù)的值設(shè)置的再高也沒有用，實(shí)際生效的值會按照二者最低的來。

如果增大了hard nofile，那么fs.nr_open也都需要跟著一起調(diào)整（fs.nr_open參數(shù)值一定要大于hard nofile參數(shù)值）。如果不小心把hard nofile的值設(shè)置的比fs.nr_open還大，那么后果比較嚴(yán)重。會導(dǎo)致該用戶無法登錄，如果設(shè)置的是*，那么所有用戶都無法登錄。

如果加大了fs.nr_open，但是是用的echo "xxx" > ../fs/nr_open命令來修改的fs.nr_open的值，那么剛改完可能不會有問題，但是只要機(jī)器一重啟，那么之前通過echo命令設(shè)置的fs.nr_open值便會失效，用戶還是無法登錄。所以非常不建議使用echo的方式修改內(nèi)核參數(shù)?。?！

調(diào)整服務(wù)器能打開的最大文件數(shù)示例

假設(shè)想讓進(jìn)程可以打開100萬個文件描述符，這里用修改conf文件的方式給出一個建議。如果日后工作里有類似的需求可以作為參考。

vim/etc/sysctl.conf

fs.file-max=1100000//系統(tǒng)級別設(shè)置成110萬，多留點(diǎn)buffer
fs.nr_open=1100000//進(jìn)程級別也設(shè)置成110萬，因為要保證比hardnofile大

使上面的配置生效sysctl -p

vim/etc/security/limits.conf

//用戶進(jìn)程級別都設(shè)置成100完
softnofile1000000
hardnofile1000000

一臺服務(wù)器最大能支持多少連接

我們知道TCP連接，從根本上看其實(shí)就是client和server端在內(nèi)存中維護(hù)的一組【socket內(nèi)核對象】（這里也對應(yīng)著TCP四元組：源IP、源端口、目標(biāo)IP、目標(biāo)端口），他們只要能夠找到對方，那么就算是一條連接。那么一臺服務(wù)器最大能建立多少條連接呢？

由于TCP連接本質(zhì)上可以理解為是client-server端的一對socket內(nèi)核對象，那么從理論上將應(yīng)該是【2^32 (ip數(shù)) * 2^16 (端口數(shù))】條連接（約等于兩百多萬億）。

但是實(shí)際上由于受其他軟硬件的影響，我們一臺服務(wù)器不可能能建立這么多連接（主要是受CPU和內(nèi)存限制）。

如果只以ESTABLISH狀態(tài)的連接來算（這些連接只是建立，但是不收發(fā)數(shù)據(jù)也不處理相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯）那么一臺服務(wù)器最大能建立多少連接呢？以一臺4GB內(nèi)存的服務(wù)器為例！

這種情況下，那么能建立的連接數(shù)量主要取決于【內(nèi)存的大小】（因為如果是）ESTABLISH狀態(tài)的空閑連接，不會消耗CPU（雖然有TCP?；畎鼈鬏?，但這個影響非常小，可以忽略不計）。

我們知道一條ESTABLISH狀態(tài)的連接大約消耗【3.3KB內(nèi)存】，那么通過計算得知一臺4GB內(nèi)存的服務(wù)器，【可以建立100w+的TCP連接】（當(dāng)然這里只是計算所有的連接都只建立連接但不發(fā)送和處理數(shù)據(jù)的情況，如果真實(shí)場景中有數(shù)據(jù)往來和處理（數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都需要申請內(nèi)存，數(shù)據(jù)處理便需要CPU），那便會消耗更高的內(nèi)存以及占用更多的CPU，并發(fā)不可能達(dá)到100w+）。

上面討論的都是進(jìn)建立連接的理想情況，在現(xiàn)實(shí)中如果有頻繁的數(shù)據(jù)收發(fā)和處理（比如：壓縮、加密等），那么一臺服務(wù)器能支撐1000連接都算好的了，所以一臺服務(wù)器能支撐多少連接還要結(jié)合具體的場景去分析，不能光靠理論值去算。拋開業(yè)務(wù)邏輯單純的談并發(fā)沒有太大的實(shí)際意義。

服務(wù)器的開銷大頭往往并不是連接本身，而是每條連接上的數(shù)據(jù)收發(fā)，以及請求業(yè)務(wù)邏輯處理?。?！

一臺客戶端機(jī)器最多能發(fā)起多少條連接

我們知道客戶端每和服務(wù)端建立一個連接便會消耗掉client端一個端口。一臺機(jī)器的端口范圍是【0 ~ 65535】，那么是不是說一臺client機(jī)器最多和一臺服務(wù)端機(jī)器建立65535個連接呢（這65535個端口里還有很多保留端口，可用端口可能只有64000個左右）？

由TCP連接的四元組特性可知，只要四元組里某一個元素不同，那么就認(rèn)為這是不同的TCP連接。所以需要分情況討論：

【情況一】、如果一臺client僅有一個IP，server端也僅有一個IP并且僅啟動一個程序，監(jiān)聽一個端口的情況下，client端和這臺server端最大可建立的連接條數(shù)就是 65535 個。

因為源IP固定，目標(biāo)IP和端口固定，四元組中唯一可變化的就是【源端口】，【源端口】的可用范圍又是【0 ~ 65535】，所以一臺client機(jī)器最大能建立65535個連接。

【情況二】、如果一臺client有多個IP（假設(shè)客戶端有 n 個IP），server端僅有一個IP并且僅啟動一個程序，監(jiān)聽一個端口的情況下，一臺client機(jī)器最大能建立的連接條數(shù)是：n * 65535 個。

因為目標(biāo)IP和端口固定，有 n 個源IP，四元組中可變化的就是【源端口】+ 【源IP】，【源端口】的可用范圍又是【0 ~ 65535】，所以一個IP最大能建立65535個連接，那么n個IP最大就能建立 n * 65535個連接了。

以現(xiàn)在的技術(shù)，給一個client分配多個IP是非常容易的事情，只需要去聯(lián)系你們網(wǎng)管就可以做到。

【情況三】、如果一臺client僅有一個IP，server端也僅有一個IP但是server端啟動多個程序，每個程序監(jiān)聽一個端口的情況下（比如server端啟動了m個程序，監(jiān)聽了m個不同端口），一臺client機(jī)器最大能建立的連接數(shù)量為：65535 * m。

源IP固定，目標(biāo)IP固定，目標(biāo)端口數(shù)量為m個，可變化的是源端口，而源端口變化范圍是【0 ~ 65535】，所以一臺client機(jī)器最大能建立的TCP連接數(shù)量是 65535 * m個。

其余情況類推，但是客戶端的可用端口范圍一般達(dá)不到65535個，受內(nèi)核參數(shù)net.ipv4.ip_local_port_range限制，如果要修改client所能使用的端口范圍，可以修改這個內(nèi)核參數(shù)的值。

所以，不光是一臺server端可以接收100w+個TCP連接，一臺client照樣能發(fā)出100w+個連接。

其他

三次握手里socket的全連接隊列長度由參數(shù)net.core.somaxconn來控制，默認(rèn)大小是128，當(dāng)兩臺機(jī)器離的非常近，但是建立連接的并發(fā)又非常高時，可能會導(dǎo)致半連接隊列或全連接隊列溢出，進(jìn)而導(dǎo)致server端丟棄握手包。然后造成client超時重傳握手包（至少1s以后才會重傳），導(dǎo)致三次握手連接建立耗時過長。我們可以調(diào)整參數(shù)net.core.somaxconn來增加去按連接隊列的長度，進(jìn)而減小丟包的影響

有時候我們通過 ctrl + c方式來終止了某個進(jìn)程，但是當(dāng)重啟該進(jìn)程的時候發(fā)現(xiàn)報錯端口被占用，這種問題是因為【操作系統(tǒng)還沒有來得及回收該端口，等一會兒重啟應(yīng)用就好了】

client程序在和server端建立連接時，如果client沒有調(diào)用bind方法傳入指定的端口，那么client在和server端建立連接的時候便會自己隨機(jī)選擇一個端口來建立連接。一旦我們client程序調(diào)用了bind方法傳入了指定的端口，那么client將會使用我們bind里指定的端口來和server建立連接。所以不建議client調(diào)用bind方法，bind函數(shù)會改變內(nèi)核選擇端口的策略

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{
SocketChannelsc=SocketChannel.open();
//客戶端還可以調(diào)用bind方法
sc.bind(newInetSocketAddress("localhost",9999));
sc.connect(newInetSocketAddress("localhost",8080));
System.out.println("waiting..........");
}

在Linux一切皆文件，當(dāng)然也包括之前TCP連接中說的socket。進(jìn)程打開一個socket的時候需要創(chuàng)建好幾個內(nèi)核對象，換一句直白的話說就是打開文件對象吃內(nèi)存，所以Linux系統(tǒng)基于安全角度考慮（比如：有用戶進(jìn)程惡意的打開無數(shù)的文件描述符，那不得把系統(tǒng)搞奔潰了），在多個位置都限制了可打開的文件描述符的數(shù)量。

內(nèi)核是通過【hash表】的方式來管理所有已經(jīng)建立好連接的socket，以便于有請求到達(dá)時快速的通過【TCP四元組】查找到內(nèi)核中對應(yīng)的socket對象。

在epoll模型中，通過紅黑樹來管理epoll對象所管理的所有socket，用紅黑樹結(jié)構(gòu)來平衡快速刪除、插入、查找socket的效率。

相關(guān)實(shí)際問題

在網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中，很多人對一個基礎(chǔ)問題始終沒有徹底搞明白，那就是一臺機(jī)器最多能支撐多少條TCP連接。不過由于客戶端和服務(wù)端對端口使用方式不同，這個問題拆開來理解要容易一些。

注意，這里說的是客戶端和服務(wù)端都只是角色，并不是指某一臺具體的機(jī)器。例如對于我們自己開發(fā)的應(yīng)用程序來說，當(dāng)他響應(yīng)客戶端請求的時候，他就是服務(wù)端。當(dāng)他向MySQL請求數(shù)據(jù)的時候，他又變成了客戶端。

"too many open files" 報錯是怎么回事，該如何解決

你在線上可能遇到過too many open files這個錯誤，那么你理解這個報錯發(fā)生的原理嗎？如果讓你修復(fù)這個錯誤，應(yīng)該如何處理呢？

因為每打開一個文件（包括socket），都需要消耗一定的內(nèi)存資源。為了避免個別進(jìn)程不受控制的打開了過多文件而讓整個服務(wù)器奔潰，Linux對打開的文件描述符數(shù)量有限制。如果你的進(jìn)程觸發(fā)到內(nèi)核的限制，那么"too many open files" 報錯就產(chǎn)生了。

可以通過修改fs.file-max 、soft nofile、fs.nr_open這三個參數(shù)的值來修改進(jìn)程能打開的最大文件描述符數(shù)量。

需要注意這三個參數(shù)之間的耦合關(guān)系！

一臺服務(wù)端機(jī)器最大究竟能支持多少條連接

因為這里要考慮的是最大數(shù)，因此先不考慮連接上的數(shù)據(jù)收發(fā)和處理，僅考慮ESTABLISH狀態(tài)的空連接。那么一臺服務(wù)端機(jī)器上最大可以支持多少條TCP連接？這個連接數(shù)會受哪些因素的影響？

在不考慮連接上數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理的情況下，僅考慮ESTABLISH狀態(tài)下的空連接情況下，一臺服務(wù)器上最大可支持的TCP連接數(shù)量基本上可以說是由內(nèi)存大小來決定的。

四元組唯一確定一條連接，但服務(wù)端可以接收來自任意客戶端的請求，所以根據(jù)這個理論計算出來的數(shù)字太大，沒有實(shí)際意義。另外文件描述符限制其實(shí)也是內(nèi)核為了防止某些應(yīng)用程序不受限制的打開【文件句柄】而添加的限制。這個限制只要修改幾個內(nèi)核參數(shù)就可以加大。

一個socket大約消耗3kb左右的內(nèi)存，這樣真正制約服務(wù)端機(jī)器最大并發(fā)數(shù)的就是內(nèi)存，拿一臺4GB內(nèi)存的服務(wù)器來說，可以支持的TCP連接數(shù)量大約是100w+。

一條客戶端機(jī)器最大究竟能支持多少條連接

和服務(wù)端不同的是，客戶端每次建立一條連接都需要消耗一個端口。在TCP協(xié)議中，端口是一個2字節(jié)的整數(shù)，因此范圍只能是0~65535。那么客戶單最大只能支持65535條連接嗎？有沒有辦法突破這個限制，有的話有哪些辦法？

客戶度每次建立一條連接都需要消耗一個端口。從數(shù)字上來看，似乎最多只能建立65535條連接。但實(shí)際上我們有兩種辦法破除65535這個限制。

方式一，為客戶端配置多IP 方式二，分別連接不同的服務(wù)端

所以一臺client發(fā)起百萬條連接是沒有任何問題的。

做一個長連接推送產(chǎn)品，支持1億用戶需要多少臺機(jī)器

假設(shè)你是系統(tǒng)架構(gòu)師，現(xiàn)在老板給你一個需求，讓你做一個類似友盟upush這樣的產(chǎn)品。要在服務(wù)端機(jī)器上保持一個和客戶端的長連接，絕大部分情況下連接都是空閑的，每天也就頂多推送兩三次左右。總用戶規(guī)模預(yù)計是1億。那么現(xiàn)在請你來評估一下需要多少臺服務(wù)器可以支撐這1億條長連接。

對于長連接推送模塊這種服務(wù)來說，給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)只是偶爾的，一般一天也就頂多一兩次。絕大部分情況下TCP連接都是空閑的，CPU開銷可以忽略。

再基于內(nèi)存來考慮，假設(shè)服務(wù)器內(nèi)存是128G的，那么一臺服務(wù)器可以考慮支持500w條并發(fā)。這樣會消耗掉大約不到20GB內(nèi)存用來保存這500w條連接對應(yīng)的socket。還剩下100GB以上的內(nèi)存來應(yīng)對接收、發(fā)送緩沖區(qū)等其他的開銷足夠了。所以，一億用戶，僅僅需要20臺服務(wù)器就差不多夠用了！

編輯：黃飛