Systemd详解与使用

背景

不太适合进入docker，需要直接部署在宿主机上面，拥有root权限，操作修改系统，读取系统的一些信息等
保证开机启动以及异常重启
有一套完善的日志系统
支持Before/After的启动机制
支持基于cgroup的限制
以最低的系统开销实现该目的
方便打包为deb包进行安装，参考各种服务的安装，比如apt install nginx docker postgresql等deb包背后的逻辑与实现
兼容基本全部的linux发行版本

虽然之前使用过的supervisor也可以满足上述大部分需求，但是打工人的世界总是需要去追求一下极致的，于是决定好好学习一下systemd

`Systemd`基本介绍

内核加载到内存之后启动的第一个用户空间程序，pid是1，是所有进程的父进程，会托管所有僵尸进程，如果这个程序挂了，系统也就直接关机了
systemd不是内核的一部分，但是却成为了Debian/Ubuntu系和Fedora/Centos/Redhat/RockyLinux系的系统初始化进程

`Linux`启动流程

systemd是系统启动流程中初始化阶段的主要角色，有必要介绍一下linux系统启动流程

硬件引导启动阶段（第一阶段）

机器电源接通时，存储在主板芯片上面的固件初始化，POST(Power On Self Test)上电自检
BIOS阶段
- 初始化硬件，内存，磁盘，显卡等
- 查找启动介质（一般是硬盘），查找MBR或者EFI分区的第一阶段引导程序，并且移交控制权
MBR或者EFI程序阶段，查找第二阶段的GRUB（GRand Unified Boot）引导程序并安装到BootLoder

`BootLoader` 启动引导阶段（第二阶段）

stage1: 执行BootLoader的主程序(GRUB程序)，开始启动stage1.5
stage1.5: 引导文件系统中的stage2
stage2: 加载GRUB核心映像
grub.conf/grub.cfg阶段
- 解析grub.conf/grub.cfg配置文件，加载默认内核镜像和 initrd （初始磁盘镜像，对应于/boot/initrd.img文件）镜像到内存中，当所有镜像准备好后，即跳转到内核镜像，移交系统控制权给内核，接下去进入到内核阶段
- 文件后缀名称在Ubuntu22上面看到的是.cfg，可能其他系统是.conf结尾
- 该配置文件路径是/grub/grub.cfg或者/boot/grub/grub.cfg，路径具体位置取决于系统安装时候是否分割了一个/boot分区，之前装系统的时候/boot分区都是必须分配的

内核引导阶段（第三阶段）

/boot/kernel and Kernel parameter

内核读取/boot下面的文件，执行加载

查看/boot分区的内容如下，可以看到内核保存了两个版本的镜像（img-5.15.0-53-generic和img-5.15.0-56-generic），其中新镜像是目前系统正常运行时候加载的镜像，每次apt更新系统的时候如果有新版本内核释放，更新时候会保留一份老版本镜像，等下一次新镜像更新到时候才会删除，一份冗余

$ ll /boot 
总用量 165M
-rw-r--r-- 1 root root 256K 十月   18 02:36 config-5.15.0-53-generic
-rw-r--r-- 1 root root 256K 十一月 22 23:08 config-5.15.0-56-generic
drwx------ 3 root root 4.0K 一月    1  1970 efi
drwxr-xr-x 5 root root 4.0K 十二月  3 09:44 grub
lrwxrwxrwx 1 root root   28 十二月  2 09:45 initrd.img -> initrd.img-5.15.0-56-generic
-rw-r--r-- 1 root root  65M 十二月  1 09:01 initrd.img-5.15.0-53-generic
-rw-r--r-- 1 root root  65M 十二月  4 09:04 initrd.img-5.15.0-56-generic
lrwxrwxrwx 1 root root   28 十二月  2 09:45 initrd.img.old -> initrd.img-5.15.0-53-generic
drwx------ 2 root root  16K 五月   26  2021 lost+found
-rw-r--r-- 1 root root 179K 二月    7  2022 memtest86+.bin
-rw-r--r-- 1 root root 181K 二月    7  2022 memtest86+.elf
-rw-r--r-- 1 root root 181K 二月    7  2022 memtest86+_multiboot.bin
-rw------- 1 root root 6.0M 十月   18 02:36 System.map-5.15.0-53-generic
-rw------- 1 root root 6.0M 十一月 22 23:08 System.map-5.15.0-56-generic
lrwxrwxrwx 1 root root   25 十二月  2 09:45 vmlinuz -> vmlinuz-5.15.0-56-generic
-rw------- 1 root root  12M 十月   18 02:41 vmlinuz-5.15.0-53-generic
-rw------- 1 root root  12M 十一月 23 01:07 vmlinuz-5.15.0-56-generic
lrwxrwxrwx 1 root root   25 十二月  2 09:45 vmlinuz.old -> vmlinuz-5.15.0-53-generic

/boot/initrd

引导initrd解压载入
在内存中加载内核使用的root文件系统，执行initrd文件系统中的init程序，完成加载其他驱动模块

执行/sbin/init进程

发现/sbin是指向/usr/sbin的一个软链接

$ ll / |grep bin
lrwxrwxrwx   1 root root    7 五月   26  2021 bin -> usr/bin
lrwxrwxrwx   1 root root    8 五月   26  2021 sbin -> usr/sbin

查看init发现init是指向systemd的一个软链接

$ ll /usr/sbin |grep init
lrwxrwxrwx 1 root root     20 九月   10 02:47 init -> /lib/systemd/systemd
-rwxr-xr-x 1 root root    13K 三月   15  2022 mkinitramfs
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 telinit -> /bin/systemctl
-rwxr-xr-x 1 root root   6.8K 二月    9  2022 update-initramfs

`Systemd`初始化阶段(第四阶段)

内核启动第一个用户空间应用程序，系统控制权移交给systemd
该阶段会加载执行级别，加载服务，启动shell和图形化界面
初始化阶段有3个类型，SysV初始化，UpStart(Ubuntu开发的用于替换SysV的初始化程序)和Systemd(由Redhat工程师开发)，很多老系统一般都是SysV作为初始化程序，从centos7(大概是2014年)以后的系统大多都是采用Systemd，Ubuntu15开始使用systemd

为什么各大主流`linux`系统采用`systemd`

改进启动项的效率，避免频繁的进程创建，内核/用户切换，为系统的启动和管理提供一套完整的解决方案
利用 Dbus 进程间通讯与 socket 激活机制，解决任务启动时的依赖问题，实现启动并行化
实现任务daemons的精确控制，使用内核的 cgroup 机制，不依赖 pid 来追踪进程，进程多次fork 之后生成的进程也不会脱离 systemd 的控制
统一任务定义，用户不需要编写shell脚本，而是使用 systemd 制定的 unit 规则
systemd有两大设计理念，启动更少的服务，更多地并行启动服务，最终实现用户可以快速进入系统
systemd使用C编写，用于替换传统的脚本shell启动，shell中调用系统命令的操作会导致新进程的生成，比如awk, sed, grep等都会生成新进程，产生了很大的开销，systemd的运行开销比SysV和UpStart小很多，速度也更快

`systemd`做了什么

解决启动项的依赖性

Socket依赖：例如服务A依赖服务B的socket，但是服务B还未启动，所以systemd创建了一个临时socket用于接收服务A的请求与数据，当B真正起来的时候再把临时socket缓存的数据以及描述符替换为B的socket
D-Bus（Desktop Bus）依赖：是一个用来在进程间通信的服务，该服务支持Bus Activation特性，即服务A要通过 D-Bus 服务和B通讯，但是B没有启动，那么 D-Bus 可以把B起来，在B启动的过程中，D-Bus 缓存数据，systemd使用这个特性并行启动A和B
文件系统依赖: 系统启动过程中，systemd 参考了 autofs 的设计思路，使得依赖文件系统的服务和文件系统本身初始化两者可以并发工作，监测到某个文件系统挂载点真正被访问到的时候才触发挂载操作

提供了一个系统和服务管理器

利用 Linux 的 cgroups监视进程
支持快照和系统恢复
维护挂载点和自动挂载点
各服务间基于依赖关系进行精密控制
基于journald的服务日志管理
控制基础系统配置
维护登陆用户列表以及系统账户
运行时目录和设置
运行容器和虚拟机
简单的管理网络配置
网络时间同步
日志转发
...

systemd的管控范围已经远超作为系统启动项的角色，可以理解为已经大一统管理linux各项功能了，职责和最初的sysv和upstart有所脱离，变得极其复杂庞大，这个也是最初redhat/centos系列和debian/ubuntu系列采用systemd引起的巨大波澜

在此推荐阅读一下itwire于2014发表的 Linus Torvalds关于systemd的访谈文章（Linus保持中立意见，如果这个人没有开喷的话，说明是已经取得巨大的成功了）

https://www.itwire.com/business-it-news/open-source/65402-torvalds-says-he-has-no-strong-opinions-on-systemd

也可以阅读一下systemd的作者Lennert发表的关于PID 1的再思考Rethinking PID 1

http://0pointer.de/blog/projects/systemd.html

`systemd`的`Unit`单元的文件类型

系统初始化需要很多操作，比如启动后台服务，挂载文件系统，配置网络等，过程中的每一步都被 Systemd 抽象为一个配置单元，即 Unit，具体包含的类型如下

type	name	作用
`Service unit`	`.service`	封装一个后台服务进程，比如`sshd`,`dockerd`
`Target unit`	`.target`	将多个单元在逻辑上组合在一起。
`Device unit`	`.device`	定义内核识别的设备，在 `sysfs(5)` 里面作为 `udev(7)` 设备树展示
`Socket unit`	`.socket`	用于标识进程间通信用到的 `socket` 文件
`Snapshot unit`	`.snapshot`	管理系统快照
`Swap unit`	`.swap`	用于标识 `swap` 文件或设备
`Mount unit`	`.mount`	封装一个文件系统挂载点(也向后兼容传统的 `/etc/fstab` 文件)
`Automount unit`	`.automount`	封装一个文件系统自动挂载点
`Path unit`	`.path`	根据文件系统上特定对象的变化来启动其他服务。
`Time unit`	`.timer`	封装一个基于时间触发的动作。取代传统的 `crond` 等任务计划服务
`Slice unit`	`*.slice`	控制特定 `CGroup` 内所有进程的总体资源占用。

`Systemd Unit`文件的位置与执行优先级

不同发行版本的路径是不同的，当三个目录下面存在同名文件的时候，优先级最高目录下的文件会被优先使用

/usr/lib/systemd/system 或 /lib/systemd : 使用包管理器安装的软件的 systemd unit 的实际配置文件的存放位置，在Ubuntu22上面/lib路径是指向/usr/lib的一个软链接，优先级最低
/run/systemd/system：在运行时创建的 systemd unit 文件，该目录优先于已安装服务单元文件的目录
/etc/systemd/system: 优先级最高，由 systemctl 命令创建的 systemd unit 文件以及为扩展服务而添加的 unit 文件都将启用，系统管理员安装的单元

`Systemd Unit`文件的组成

主要由三块Unit，Service，Install组成

具体版本或者全部字段解释执行如下命令查看

$ man systemd.unit
$ man systemd.service
$ man systemd.exec
....

或者访问地址https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/ 或者第三方中文版http://www.jinbuguo.com/systemd/systemd.index.html

常见字段解释如下

`Unit`块下面的字段

Requires: 强依赖，依赖的其它 Unit 列表，列在其中的 Unit 会在这个Unit启动时的同时被启动，如果其中任意一个Unit启动失败，这个Unit也会启动失败
Wants: 弱依赖，与 Requires 相似，但只是在当前 Unit 启动时，触发启动列出的 Unit ，而不考虑这些 Unit 启动是否成功
After：与 Requires 相似，该字段列出的所有 Unit 全部启动后，才会启动当前的 Unit
Before：与 After 相反，当前 Unit 应该在列出的 Unit 之前启动
OnFailure：Unit 启动失败时，自动启动列出的每个 Unit
Conflicts: 与这个 Unit 有冲突的模块，如果列出的 Unit 已经在运行时，当前 Unit 不能启动，反之亦然

`Service`块下面的字段

EnvironmentFile: 指定当前服务的环境变量定义文件，该文件内部的 key=value 键值对，可以用 $key 的形式，在当前.service文件中引用
ExecStart: 定义启动进程时执行的命令
ExecStartPre : 启动当前服务之前执行的命令
- ExecStartPost: 启动当前服务之后执行的命令
- ExecStop: 停止服务时执行的命令
- ExecStopPost: 停止服务之后执行的命令
  - ExecReload : 重启服务时执行的命令
Type : 启动类型
- simple: 默认值，执行ExecStart指定的命令，启动主进程
- forking: 以 fork 方式从父进程创建子进程，创建后父进程会立即退出
- oneshot: 一次性进程，Systemd 会等当前服务退出，再继续往下执行
- dbus: 当前服务通过D-Bus启动
- notify: 当前服务启动完毕，会通知Systemd，再继续往下执行
- idle: 若有其他任务执行完毕，当前服务才会运行
  - WorkingDirectory: 指定服务的工作目录
  - RootDirectory: 指定服务进程的根目录，如果配置了这个参数，服务将无法访问指定目录以外的文件
- User: 指定运行服务的用户
  - Group: 指定运行服务的用户组
  - KillMode: 定义 Systemd 如何停止服务，可选项如下
  - control-group: 默认值,当前控制组里面的所有子进程，都会被杀掉
  - process: 只杀主进程
  - mixed: 主进程将收到 SIGTERM 信号，子进程收到 SIGKILL 信号
  - none: 没有进程会被杀掉，只是执行服务的 stop 命令

install块下面的字段

WantedBy 值为一个或多个 Target，当前 Unit 激活 (enable，即开机启动) 时符号链接会放入 /usr/lib/systemd/system 目录下以 <Target>.wants 后缀构成的子目录中，该参数常见的值是multi-user.target，这样，当该target中的任意一个Unit启动的时候，本Unit都会跟着一起启动，这就是配置开机自启动的关键
Also 当前 Unit enable/disable 时，同时 enable/disable 的其他 Unit
Alias 当前 Unit 可用于启动的别名

`systemd Unit`的配置与使用

最好的样例还是参考操作系统已经有的内容

比如现在要编写一个自启动服务，可以参考docker.service和sshd.service

$ systemctl cat docker
$ systemctl cat sshd

如果要编写一个定时任务，可以参考apt-dayly.timer

$ systemctl cat apt-daily.timer

`systemctl`使用

管理系统和服务的命令行工具

设备启动，关机等操作，可以看到设备运行操作命令是指向systemctl的软链接

$ ll /usr/sbin |grep system
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 halt -> /bin/systemctl
lrwxrwxrwx 1 root root     20 九月   10 02:47 init -> /lib/systemd/systemd
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 poweroff -> /bin/systemctl
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 reboot -> /bin/systemctl
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 runlevel -> /bin/systemctl
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 shutdown -> /bin/systemctl
lrwxrwxrwx 1 root root     14 九月   10 02:47 telinit -> /bin/systemctl

systemd常用操作

动作	命令	注释
	分析系统状态
显示系统状态	`systemctl status`
列出正在运行的单元	`systemctl` or `systemctl list-units`
列出失败的单元	`systemctl --failed`
列出已安装的单元	`systemctl list-unit-files`
Show process status for a PID	`systemctl status {pid}`	`cgroup slice, memory and parent`
	检查单元状态
显示单元的手册页	`systemctl help {unit}`	如果单元支持
显示单元的状态	`systemctl status {unit}`	包括其是否在运行
检查单元是否配置为自动启动	`systemctl is-enabled {unit}`
	启动、重新启动和重新加载单元
立即启动单元	`systemctl start {unit}`
立即停止单元	`systemctl stop {unit}`
重新启动单元	`systemctl restart {unit}`
重新加载单元及其配置	`systemctl reload {unit}`
重新加载 systemd 配置	`systemctl daemon-reload`	扫描单元的变动
	启用单元
开机自动启用单元	`systemctl enable {unit}`
开机自动启用单元，并立即启动它	`systemctl enable --now {unit}`
取消开机自动启用单元	`systemctl disable {unit}`
重新启用单元	`systemctl reenable {unit}`	先取消启用，再启用
	禁用单元
禁用单元，使其无法启动	`systemctl mask {unit}`
取消禁用单元	`systemctl unmask {unit}`

`systemd`其他常用命令模块

`journalctl`

查询systemd服务的日志信息
```
$ journalctl
```

`loginctl`

systemd的登入管理器，可以查看目前登录到当前计算机的用户信息
```
$ sudo loginctl         
SESSION  UID USER SEAT  TTY   
      2 1000 gong seat0 tty2
    640 1000 gong       pts/17
    641 1000 gong       pts/19
```
如果使用ssh {用户名}@localhost再次登录到本地计算机，使用loginctl的时候会看到多了一个session
这个时候可以使用如下命令，指定一个session id 的方式关闭某个用户的访问
```
$ sudo loginctl kill-session 641
```

`systemd-analyze`

分析系统启动过程中的耗时，关闭或者调整某些服务可以优化启动速度

$ sudo systemd-analyze blame
1min 55.462s fstrim.service
     39.372s fwupd-refresh.service
     33.827s apt-daily.service
     31.949s apt-daily-upgrade.service
     16.637s systemd-networkd-wait-online.service
      6.193s plymouth-quit-wait.service
      5.070s docker.service
      1.551s snapd.service
      1.540s netfilter-persistent.service
      1.318s snapd.seeded.service
      1.196s vmware.service
      1.129s freeradius.service
      1.049s gpu-manager.service
      .....

`systemd service`使用示例

编写一个文件/usr/lib/systemd/system/test-boot.service如下

[Unit]
Description=test boot
# 表示在网络模块启动之后才启动本Unit
After=network.target

[Service]
# 该命令是阻塞的，每隔1秒会打印当前日期
ExecStart=/bin/sh -c "while true; do date; sleep 1; done"
# 配置查询的工作路径，该路径需要存在，否则会报错
WorkingDirectory=/tmp/

[Install]
# 该参数表示此Unit是开机启动时候关联到multi-user.target
# 当multi-user.target下面的任意一个Unit启动都会触发本Unit的启动
# 即enable状态的时候会创建一个链接到/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/目录下面
WantedBy=multi-user.target

执行命令如下

$ sudo systemctl daemon-reload

查看当前服务状态

$ sudo systemctl status test-boot
○ test-boot.service - test boot
     Loaded: loaded (/lib/systemd/system/test-boot.service; disabled; vendor preset: enabled)
     Active: inactive (dead)

配置开机启动，注意观察软链接的位置是配置在

$ sudo systemctl enable test-boot
Created symlink /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/test-boot.service → /lib/systemd/system/test-boot.service.

接下去启动服务并查看状态

$ sudo systemctl start test-boot
$ sudo systemctl status test-boot
● test-boot.service - test boot
     Loaded: loaded (/lib/systemd/system/test-boot.service; enabled; vendor preset: enabled)
     Active: active (running) since Thu 2023-03-16 17:32:13 CST; 20s ago
   Main PID: 940646 (sh)
      Tasks: 2 (limit: 38197)
     Memory: 364.0K
     CGroup: /system.slice/test-boot.service
             ├─940646 /bin/sh -c "while true; do date; sleep 1; done"
             └─940825 sleep 1

三月 16 17:32:24 gong sh[940765]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:24 CST
三月 16 17:32:25 gong sh[940769]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:25 CST
三月 16 17:32:26 gong sh[940778]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:26 CST
三月 16 17:32:27 gong sh[940782]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:27 CST
三月 16 17:32:28 gong sh[940786]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:28 CST
三月 16 17:32:29 gong sh[940795]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:29 CST
三月 16 17:32:30 gong sh[940799]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:30 CST
三月 16 17:32:31 gong sh[940803]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:31 CST
三月 16 17:32:32 gong sh[940814]: 2023年 03月 16日 星期四 17:32:32 CST

最后可以重启机器校验一下是否可以开机自启动

参考阅读

Linux 系统启动流程

Linux 的小伙伴 systemd 详解

linux的init程序发展历史

Linux PID 1 和 Systemd

Docker基础技术：Linux CGroup

archlinux的systemd wiki文档

itwire于2014发表的 Linus Torvalds关于systemd的访谈

systemd的作者Lennert发表的关于PID 1的再思考

systemd的unit配置

Systemd详解与使用

背景

`Systemd`基本介绍

`Linux`启动流程

硬件引导启动阶段（第一阶段）

`BootLoader` 启动引导阶段（第二阶段）

内核引导阶段（第三阶段）

`Systemd`初始化阶段(第四阶段)

为什么各大主流`linux`系统采用`systemd`

`systemd`做了什么

解决启动项的依赖性

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`systemd`的`Unit`单元的文件类型

`Systemd Unit`文件的位置与执行优先级

`Systemd Unit`文件的组成

`Unit`块下面的字段

`Service`块下面的字段

install块下面的字段

`systemd Unit`的配置与使用

`systemctl`使用

`systemd`其他常用命令模块

`journalctl`

`loginctl`

`systemd-analyze`

`systemd service`使用示例

参考阅读

龚正阳

引用和评论

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在 ubuntu24.04 上使用英伟达显卡——安装驱动和cuda

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systemd的Unit单元的文件类型

Systemd Unit文件的位置与执行优先级

Systemd Unit文件的组成

Unit块下面的字段

Service块下面的字段

install块下面的字段

systemd Unit的配置与使用

systemctl使用

systemd其他常用命令模块

journalctl

loginctl

systemd-analyze

systemd service使用示例

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`systemd`的`Unit`单元的文件类型

`Systemd Unit`文件的位置与执行优先级

`Systemd Unit`文件的组成

`Unit`块下面的字段

`Service`块下面的字段

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`systemctl`使用

`systemd`其他常用命令模块

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