通过 ulimit 改善系统性能

系统性能一直是一个受关注的话题，如何通过最简单的设置来实现最有效的性能调优，如何在有限资源的条件下保证程序的运作，ulimit 是我们在处理这些问题时，经常使用的一种简单手段。ulimit 是一种 linux 系统的内键功能，它具有一套参数集，用于为由它生成的 shell 进程及其子进程的资源使用设置限制。本文将在后面的章节中详细说明 ulimit 的功能，使用以及它的影响，并以具体的例子来详细地阐述它在限制资源使用方面的影响。

一、ulimit 的功能和用法

1.ulimit 功能简述

假设有这样一种情况，当一台 Linux 主机上同时登陆了 10 个人，在系统资源无限制的情况下，这 10 个用户同时打开了 500 个文档，而假设每个文档的大小有 10M，这时系统的内存资源就会受到巨大的挑战。

而实际应用的环境要比这种假设复杂的多，例如在一个嵌入式开发环境中，各方面的资源都是非常紧缺的，对于开启文件描述符的数量，分配堆栈的大小，CPU 时间，虚拟内存大小，等等，都有非常严格的要求。资源的合理限制和分配，不仅仅是保证系统可用性的必要条件，也与系统上软件运行的性能有着密不可分的联系。这时，ulimit 可以起到很大的作用，它是一种简单并且有效的实现资源限制的方式。

ulimit 用于限制 shell 启动进程所占用的资源，支持以下各种类型的限制：所创建的内核文件的大小、进程数据块的大小、Shell 进程创建文件的大小、内存锁住的大小、常驻内存集的大小、打开文件描述符的数量、分配堆栈的最大大小、CPU 时间、单个用户的最大线程数、Shell 进程所能使用的最大虚拟内存。同时，它支持硬资源和软资源的限制。

作为临时限制，ulimit 可以作用于通过使用其命令登录的 shell 会话，在会话终止时便结束限制，并不影响于其他 shell 会话。而对于长期的固定限制，ulimit 命令语句又可以被添加到由登录 shell 读取的文件中，作用于特定的 shell 用户。

图 1. ulimit 的使用

在下面的章节中，将详细介绍如何使用ulimit 做相应的资源限制。

2.如何使用 ulimit

ulimit 通过一些参数选项来管理不同种类的系统资源。在本节，我们将讲解这些参数的使用。

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

具体的 options 含义以及简单示例可以参考以下表格。

表 1. ulimit 参数说明

选项 [options]	含义	例子
-H	设置硬资源限制，一旦设置不能增加。	ulimit – Hs 64；限制硬资源，线程栈大小为 64K。
-S	设置软资源限制，设置后可以增加，但是不能超过硬资源设置。	ulimit – Sn 32；限制软资源，32 个文件描述符。
-a	显示当前所有的 limit 信息。	ulimit – a；显示当前所有的 limit 信息。
-c	最大的 core 文件的大小，以 blocks 为单位。	ulimit – c unlimited；对生成的 core 文件的大小不进行限制。
-d	进程最大的数据段的大小，以 Kbytes 为单位。	ulimit -d unlimited；对进程的数据段大小不进行限制。
-f	进程可以创建文件的最大值，以 blocks 为单位。	ulimit – f 2048；限制进程可以创建的最大文件大小为 2048 blocks。
-l	最大可加锁内存大小，以 Kbytes 为单位。	ulimit – l 32；限制最大可加锁内存大小为 32 Kbytes。
-m	最大内存大小，以 Kbytes 为单位。	ulimit – m unlimited；对最大内存不进行限制。
-n	可以打开最大文件描述符的数量。	ulimit – n 128；限制最大可以使用 128 个文件描述符。
-p	管道缓冲区的大小，以 Kbytes 为单位。	ulimit – p 512；限制管道缓冲区的大小为 512 Kbytes。
-s	线程栈大小，以 Kbytes 为单位。	ulimit – s 512；限制线程栈的大小为 512 Kbytes。
-t	最大的 CPU 占用时间，以秒为单位。	ulimit – t unlimited；对最大的 CPU 占用时间不进行限制。
-u	用户最大可用的进程数。	ulimit – u 64；限制用户最多可以使用 64 个进程。
-v	进程最大可用的虚拟内存，以 Kbytes 为单位。	ulimit – v 200000；限制最大可用的虚拟内存为 200000 Kbytes。

我们可以通过以下几种方式来使用 ulimit：

l 在用户的启动脚本中

如果用户使用的是 bash，就可以在用户的目录下的.bashrc 文件中，加入 ulimit – u 64，来限制用户最多可以使用 64 个进程。此外，可以在与 .bashrc 功能相当的启动脚本中加入 ulimt。

l 在应用程序的启动脚本中

如果用户要对某个应用程序 myapp 进行限制，可以写一个简单的脚本 startmyapp。

ulimit
– s 512 myapp

以后只要通过脚本 startmyapp 来启动应用程序，就可以限制应用程序 myapp 的线程栈大小为 512K。

l 直接在控制台输入

user@tc511-ui:~>ulimit – p 256

限制管道的缓冲区为 256K。

二、用户进程的有效范围

ulimit 作为对资源使用限制的一种工作，是有其作用范围的。那么，它限制的对象是单个用户，单个进程，还是整个系统呢？事实上，ulimit 限制的是当前 shell 进程以及其派生的子进程。举例来说，如果用户同时运行了两个 shell 终端进程，只在其中一个环境中执行了 ulimit – s 100，则该 shell 进程里创建文件的大小收到相应的限制，而同时另一个 shell 终端包括其上运行的子程序都不会受其影响：

l Shell 进程 1

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

l Shell 进程 2

cat
testFile > newFile ls – s
newFile 323669 newFile

那么，是否有针对某个具体用户的资源加以限制的方法呢？答案是有的，方法是通过修改系统的 /etc/security/limits 配置文件。该文件不仅能限制指定用户的资源使用，还能限制指定组的资源使用。该文件的每一行都是对限定的一个描述，格式如下：

domain 表示用户或者组的名字，还可以使用 * 作为通配符。Type 可以有两个值，soft 和 hard。Item 则表示需要限定的资源，可以有很多候选值，如 stack，cpu，nofile 等等，分别表示最大的堆栈大小，占用的 cpu 时间，以及打开的文件数。通过添加对应的一行描述，则可以产生相应的限制。例如：

* hard
noflle 100

该行配置语句限定了任意用户所能创建的最大文件数是 100。

现在已经可以对进程和用户分别做资源限制了，看似已经足够了，其实不然。很多应用需要对整个系统的资源使用做一个总的限制，这时候我们需要修改 /proc 下的配置文件。/proc 目录下包含了很多系统当前状态的参数，例如：

/proc/sys/kernel/pid_max；

/proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range；

从文件的名字大致可以猜出所限制的资源种类。由于该目录下涉及的文件众多，在此不一一介绍。有兴趣的读者可打开其中的相关文件查阅说明。

三、ulimit 管理系统资源的例子

ulimit 提供了在 shell 进程中限制系统资源的功能。本章列举了一些使用 ulimit 对用户进程进行限制的例子，详述了这些限制行为以及对应的影响，以此来说明 ulimit 如何对系统资源进行限制，从而达到调节系统性能的功能。

1.使用 ulimit 限制 shell 的内存使用

在这一小节里向读者展示如何使用 – d，– m 和 – v 选项来对 shell 所使用的内存进行限制。

首先我们来看一下不设置 ulimit 限制时调用 ls 命令的情况：

图 2. 未设置 ulimit 时 ls 命令使用情况

大家可以看到此时的 ls 命令运行正常。下面设置ulimit：

>ulimit -d 1000 -m 1000 -v 1000

这里再温习一下前面章节里介绍过的这三个选项的含义：

-d：设置数据段的最大值。单位：KB。

-m：设置可以使用的常驻内存的最大值。单位：KB。

-v：设置虚拟内存的最大值。单位：KB。

通过上面的 ulimit 设置我们已经把当前shell 所能使用的最大内存限制在 1000KB 以下。接下来我们看看这时运行 ls 命令会得到什么样的结果：

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

从上面的结果可以看到，此时 ls 运行失败。根据系统给出的错误信息我们可以看出是由于调用 libc 库时内存分配失败而导致的 ls 出错。那么我们来看一下这个 libc 库文件到底有多大：

图 3. 查看 libc 文件大小

从上面的信息可以看出，这个 libc 库文件的大小是 1.5MB。而我们用 ulimit 所设置的内存使用上限是1000KB，小于 1.5MB，这也就充分证明了 ulimit 所起到的限制 shell 内存使用的功能。

2.使用 ulimit 限制 shell 创建的文件的大小

接下来向读者展示如何使用 -f 选项来对 shell 所能创建的文件大小进行限制。

首先我们来看一下，没有设置 ulimit
-f 时的情况：

图 4. 查看文件

现有一个文件 testFile 大小为 323669
bytes，现在使用 cat 命令来创建一个 testFile 的 copy：

图 5. 未设置 ulimit 时创建复本

从上面的输出可以看出，我们成功的创建了testFile 的拷贝 newFile。

下面我们设置 ulimt – f 100：

> ulimit -f 100

-f 选项的含义是：用来设置shell 可以创建的文件的最大值。单位是 blocks。

现在我们再来执行一次相同的拷贝命令看看会是什么结果：

图 6. 设置 ulimit 时创建复本

这次创建 testFile 的拷贝失败了，系统给出的出错信息时文件大小超出了限制。在 Linux 系统下一个 block 的默认大小是 512 bytes。所以上面的 ulimit 的含义就是限制 shell 所能创建的文件最大值为 512 x 100 = 51200 bytes，小于 323669 bytes，所以创建文件失败，符合我们的期望。这个例子说明了如何使用 ulimit 来控制 shell 所能创建的最大文件。

3.使用 ulimit 限制程序所能创建的socket 数量

考虑一个现实中的实际需求。对于一个 C/S模型中的 server 程序来说，它会为多个 client 程序请求创建多个 socket 端口给与响应。如果恰好有大量的 client 同时向 server 发出请求，那么此时 server 就会需要创建大量的 socket 连接。但在一个系统当中，往往需要限制单个 server 程序所能使用的最大 socket 数，以供其他的 server 程序所使用。

ulimit 并没有哪个选项直接说是用来限制 socket 的数量的。但是，我们有 -n 这个选项，它是用于限制一个进程所能打开的文件描述符的最大值。在 Linux 下一切资源皆文件，普通文件是文件，磁盘打印机是文件，socket 当然也是文件。在 Linux 下创建一个新的 socket 连接，实际上就是创建一个新的文件描述符。如下图所示（查看某个进程当前打开的文件描述符信息）：

图 7. 查看进程打开文件描述符

因此，我们可以通过使用 ulimit – n 来限制程序所能打开的最大文件描述符数量，从而达到限制 socket 创建的数量。

4.使用 ulimit 限制 shell 每个用户创建进程数量（增加可用进程数量）

在系统中成功“引爆”fork炸弹后，我们可重启来使系统恢复正常运行；而若要以手动的方法使fork炸弹“熄火”，那前提就是必须杀死fork炸弹产生的所有进程。为此我们可以考虑使用程序来杀死fork炸弹产生的进程，但由于这一般需要创建新进程，且由于fork炸弹一直在探测与占用进程槽与内存空间，因而这一方法几乎不可能实现，而且用kill命令杀死进程后，释放出的进程槽又会被余下的fork炸弹线程所产生的新进程占用。

由于Fork Bomb通过不断的开新进程来瘫痪系统，一个防止其严重影响系统的方法就是限定一个用户能够创建的进程数的上限，在Linux系统上，可以通过ulimit这个指令达到相应的效果，例如：

ulimit
-Hu 30

这个指令可以限制每一个用户最多只能创建30个进程，还可以通过修改配置文件/etc/security/limits.conf来限制可生成的最大进程数来避开这枚炸弹。而FreeBSD系统的话系统管理者可以在/etc/login.conf底下的配置文件进行相关的设置

5.使用 ulimit 限制 shell 多线程程序堆栈的大小（增加可用线程数量）

在最后一个例子中，向大家介绍如何使用 -s（单位 KB）来对线程的堆栈大小进行限制，从而减少整个多线程程序的内存使用，增加可用线程的数量。这个例子取自于一个真实的案例。我们所遇到的问题是系统对我们的多线程程序有如下的限制：

ulimit -v 200000

根据本文前面的介绍，这意味着我们的程序最多只能使用不到 200MB 的虚拟内存。由于我们的程序是一个多线程程序，程序在运行时会根据需要创建新的线程，这势必会增加总的内存需求量。一开始我们对堆栈大小的限制是 1024 （本例子中使用 1232 来说明）：

# ulimit – s 1232

当我们的程序启动后，通过 pmap 来查看其内存使用情况，可以看到多个占用 1232KB 的数据段，这些就是程序所创建的线程所使用的堆栈：

图 8. 程序线程所使用的堆栈

每当一个新的线程被创建时都需要新分配一段大小为 1232KB 的内存空间，而我们总的虚拟内存限制是 200MB，所以如果我们需要创建更多的线程，那么一个可以改进的方法就是减少每个线程的固定堆栈大小，这可以通过 ulimit – s 来实现：

#
ulimit -s 512

我们将堆栈大小设置为 512KB，这时再通过 pmap 查看一下我们的设置是否起作用：

图 9. 设置 ulimit 后堆栈大小

从上面的信息可以看出，我们已经成功的将线程的堆栈大小改为 512KB 了，这样在总内存使用限制不变的情况下，我们可以通过本小节介绍的方法来增加可以创建的线程数，从而达到改善程序的多线程性能。

四、总结

综上所述，linux 系统中的 ulimit 指令，对资源限制和系统性能优化提供了一条便捷的途径。从用户的 shell 启动脚本，应用程序启动脚本，以及直接在控制台，都可以通过该指令限制系统资源的使用，包括所创建的内核文件的大小、进程数据块的大小、Shell 进程创建文件的大小、内存锁住的大小、常驻内存集的大小、打开文件描述符的数量、分配堆栈的最大大小、CPU 时间、单个用户的最大线程数、Shell 进程所能使用的最大虚拟内存，等等方面。本文中的示例非常直观的说明了 ulimit 的使用及其产生的效果，显而易见，ulimit 对我们在 Linux 平台的应用和开发工作是非常实用的。

来自为知笔记(Wiz)