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通過 ulimit 改善系統性能
假設有這樣一種情況，當一臺 Linux 主機上同時登陸了 10 個人，在系統資源無限制的情況下，這 10 個用戶同時打開了 500 個文檔，而假設每個文檔的大小有 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，各方面的資源都是非常緊缺的，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，都有非常嚴格的要求。資源的合理限制和分配，不僅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 可以起到很大的作用，它是一種簡單並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，支持以下各種類型的限制：所創建的內核文件的大小、進程數據塊的大小、Shell 進程創建文件的大小、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。
作爲臨時限制，ulimit 可以作用於通過使用其命令登錄的 shell 會話，在會話終止時便結束限制，並不影響於其他 shell 會話。而對於長期的固定限制，ulimit 命令語句又可以被添加到由登錄 shell 讀取的文件中，作用於特定的 shell 用戶。
ulimit 通過一些參數選項來管理不同種類的系統資源。在本節，我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 含義以及簡單示例可以參考以下表格。
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選項 [options] |
含義 |
例子 |
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-H |
設置硬資源限制，一旦設置不能增加。 |
ulimit – Hs 64；限制硬資源，線程棧大小爲 64K。 |
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-S |
設置軟資源限制，設置後可以增加，但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。 |
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-a |
顯示當前所有的 limit 信息。 |
ulimit – a；顯示當前所有的 limit 信息。 |
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-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。 |
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-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。 |
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-f |
進程可以創建文件的最大值，以 blocks 爲單位。 |
ulimit – f 2048；限制進程可以創建的最大文件大小爲 2048 blocks。 |
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-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。 |
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-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。 |
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-n |
可以打開最大文件描述符的數量。 |
ulimit – n 128；限制最大可以使用 128 個文件描述符。 |
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-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。 |
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-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。 |
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-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。 |
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-u |
用戶最大可用的進程數。 |
ulimit – u 64；限制用戶最多可以使用 64 個進程。 |
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-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。 |
我們可以通過以下幾種方式來使用 ulimit：
- 在用戶的啓動腳本中
如果用戶使用的是 bash，就可以在用戶的目錄下的 .bashrc 文件中，加入 ulimit – u 64，來限制用戶最多可以使用 64 個進程。此外，可以在與 .bashrc 功能相當的啓動腳本中加入 ulimt。
- 在應用程序的啓動腳本中
如果用戶要對某個應用程序 myapp 進行限制，可以寫一個簡單的腳本 startmyapp。
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ulimit – s 512 myapp |
以後只要通過腳本 startmyapp 來啓動應用程序，就可以限制應用程序 myapp 的線程棧大小爲 512K。
- 直接在控制檯輸入
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user@tc511-ui:~>ulimit – p 256 |
限制管道的緩衝區爲 256K。
ulimit 作爲對資源使用限制的一種工作，是有其作用範圍的。那麼，它限制的對象是單個用戶，單個進程，還是整個系統呢？事實上，ulimit 限制的是當前 shell 進程以及其派生的子進程。舉例來說，如果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 進程裏創建文件的大小收到相應的限制，而同時另一個 shell 終端包括其上運行的子程序都不會受其影響：
Shell 進程 1
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ulimit – s 100 cat testFile > newFile File size limit exceeded |
Shell 進程 2
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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，方法是通過修改系統的 /etc/security/limits 配置文件。該文件不僅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，格式如下：
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<domain> <type> <item> <value> |
domain 表示用戶或者組的名字，還可以使用 * 作爲通配符。Type 可以有兩個值，soft 和 hard。Item 則表示需要限定的資源，可以有很多候選值，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。通過添加對應的一行描述，則可以產生相應的限制。例如：
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* hard noflle 100 |
該行配置語句限定了任意用戶所能創建的最大文件數是 100。
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，以此來說明 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。
在這一小節裏向讀者展示如何使用 – d，– m 和 – v 選項來對 shell 所使用的內存進行限制。
首先我們來看一下不設置 ulimit 限制時調用 ls 命令的情況：
大家可以看到此時的 ls 命令運行正常。下面設置 ulimit：
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>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：設置可以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。
通過上面的 ulimit 設置我們已經把當前 shell 所能使用的最大內存限制在 1000KB 以下。接下來我們看看這時運行 ls 命令會得到什麼樣的結果：
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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 |
從上面的結果可以看到，此時 ls 運行失敗。根據系統給出的錯誤信息我們可以看出是由於調用 libc 庫時內存分配失敗而導致的 ls 出錯。那麼我們來看一下這個 libc 庫文件到底有多大：
從上面的信息可以看出，這個 libc 庫文件的大小是 1.5MB。而我們用 ulimit 所設置的內存使用上限是 1000KB，小於 1.5MB，這也就充分證明了 ulimit 所起到的限制 shell 內存使用的功能。
接下來向讀者展示如何使用 -f 選項來對 shell 所能創建的文件大小進行限制。
首先我們來看一下，沒有設置 ulimit -f 時的情況：
現有一個文件 testFile 大小爲 323669 bytes，現在使用 cat 命令來創建一個 testFile 的 copy：
從上面的輸出可以看出，我們成功的創建了 testFile 的拷貝 newFile。
下面我們設置 ulimt – f 100：
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> ulimit -f 100 |
-f 選項的含義是：用來設置 shell 可以創建的文件的最大值。單位是 blocks。
現在我們再來執行一次相同的拷貝命令看看會是什麼結果：
這次創建 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。所以上面的 ulimit 的含義就是限制 shell 所能創建的文件最大值爲 512 x 100 = 51200 bytes，小於 323669 bytes，所以創建文件失敗，符合我們的期望。這個例子說明了如何使用 ulimit 來控制 shell 所能創建的最大文件。
考慮一個現實中的實際需求。對於一個 C/S 模型中的 server 程序來說，它會爲多個 client 程序請求創建多個 socket 端口給與響應。如果恰好有大量的 client 同時向 server 發出請求，那麼此時 server 就會需要創建大量的 socket 連接。但在一個系統當中，往往需要限制單個 server 程序所能使用的最大 socket 數，以供其他的 server 程序所使用。那麼我們如何來做到這一點呢？答案是我們可以通過 ulimit 來實現！細心的讀者可能會發現，通過前面章節的介紹似乎沒有限制 socket 使用的 ulimit 選項。是的，ulimit 並沒有哪個選項直接說是用來限制 socket 的數量的。但是，我們有 -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 當然也是文件。在 Linux 下創建一個新的 socket 連接，實際上就是創建一個新的文件描述符。如下圖所示（查看某個進程當前打開的文件描述符信息）：
因此，我們可以通過使用 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 創建的數量。
使用 ulimit 限制 shell 多線程程序堆棧的大小（增加可用線程數量）
在最後一個例子中，向大家介紹如何使用 -s（單位 KB）來對線程的堆棧大小進行限制，從而減少整個多線程程序的內存使用，增加可用線程的數量。這個例子取自於一個真實的案例。我們所遇到的問題是系統對我們的多線程程序有如下的限制：
ulimit -v 200000
根據本文前面的介紹，這意味着我們的程序最多隻能使用不到 200MB 的虛擬內存。由於我們的程序是一個多線程程序，程序在運行時會根據需要創建新的線程，這勢必會增加總的內存需求量。一開始我們對堆棧大小的限制是 1024 （本例子中使用 1232 來說明）：
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# ulimit – s 1232 |
當我們的程序啓動後，通過 pmap 來查看其內存使用情況，可以看到多個佔用 1232KB 的數據段，這些就是程序所創建的線程所使用的堆棧：
每當一個新的線程被創建時都需要新分配一段大小爲 1232KB 的內存空間，而我們總的虛擬內存限制是 200MB，所以如果我們需要創建更多的線程，那麼一個可以改進的方法就是減少每個線程的固定堆棧大小，這可以通過 ulimit – s 來實現：
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# ulimit -s 512 |
我們將堆棧大小設置爲 512KB，這時再通過 pmap 查看一下我們的設置是否起作用：
從上面的信息可以看出，我們已經成功的將線程的堆棧大小改爲 512KB 了，這樣在總內存使用限制不變的情況下，我們可以通過本小節介紹的方法來增加可以創建的線程數，從而達到改善程序的多線程性能。
