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systemd 基础知识简介

出版日期：2024-12-12
解释

systemd 用于管理系统设置和服务。systemd 将任务组织成称为单元的组件，并将单元组组织成目标。

原因

了解 systemd 的基础知识，其中包括服务管理、依赖关系跟踪、日志记录、资源管理、套接字激活和系统控制等重要功能。

工作量

读完本文需要 20 分钟。

要求

  • 基本了解 Linux 命令

  • 基本了解 Linux 进程、守护程序和控制组

1 什么是 systemd？

 

systemd 是 Linux 操作系统的系统和服务管理器。它是主要 Linux 发行套件的默认初始化系统。systemd 不是由用户直接启动，而是通过 /sbin/init 安装并在早期引导期间启动的。systemd 充当 init 系统，在引导期间作为第一个进程 (PID 1) 运行时，它会启动并维护用户空间服务。PID 1 称为 init，是创建的第一个 Linux 用户模式进程。它会一直运行到系统关闭为止。

systemd 拥有 PID 1，并且由内核直接启动。所有其他进程由 systemd 直接启动，或由它的一个子进程启动。systemd 会挂载主机的文件系统并管理临时文件。它与 SysV init 脚本向后兼容。SysV 是比 systemd 更早问世的初始化系统。

在 systemd 中，单元是系统知道如何操作和管理的资源。这是 systemd 工具使用的主要对象。这些资源是通过配置文件（称作单元文件）定义的。

systemctl 是用于控制 init 系统的中心管理工具。它用于检查及控制 systemd 系统和服务管理器的状态。

systemd 中的目标是在系统引导期间充当同步点的相关单元组。目标单元文件的扩展名为 .target。目标单元通过依赖关系链将各种 systemd 单元分组到一起。

要进行查错，您可以使用 journalctl，此工具用于查询和显示 systemd 日记中的日志消息。

有关 systemd 的详细信息，请参见 https://systemd.io 和 man 1 systemd。

2 关于 systemd 引导过程

 

引导过程的第一步是加载 Linux 内核，它是 Linux 操作系统的主要组件。加载后，内核会初始化硬件并启动 systemd 进程，这是在系统上运行的第一个进程。

2.1 Linux 引导过程

 

Linux 引导过程是操作系统启动的初始阶段。在这个过程中，操作系统会加载内存、初始化组件并准备执行用户应用程序。

Linux 引导过程分为四个主要阶段：

第 1 阶段：BIOS

当您打开计算机电源时，您的计算机会启动 BIOS（基本输入/输出系统）并执行 POST（开机自检）。这是一项完整性检查，用于探测硬盘、SSD、键盘、RAM、USB 端口等组件以及任何其他硬件的硬件功能。如果硬件按预期工作，引导过程将进入下一阶段。

第 2 阶段：引导加载程序

开机自检完成后，BIOS 将搜索并加载存储在 MBR（主引导记录）中的引导加载程序。MBR 是 512 个字节组成的代码，通常位于 /dev/sda 或 /dev/hda 中，具体取决于您的硬盘体系结构。MBR 也可以位于 Linux 的实时 USB 或 DVD 安装上。BIOS 会加载并执行此 MBR 代码。

Linux 中有三个主要的引导加载程序：LILO、GRUB 和 GRUB2。GRUB2（全称 Grand Unified Bootloader）引导加载程序是现代 Linux 发行套件中最新的主要引导加载程序。GRUB2 配置文件位于 /boot/grub2/grub2.cfg。BIOS 找到 GRUB2 引导加载程序后，就会执行它并将其加载到主内存 (RAM) 中。

第 3 阶段：Linux 内核初始化

Linux 内核是操作系统的核心。在 Linux 系统中，内核会与硬件交互、控制内存管理并管理进程。引导加载程序会加载选定的 Linux 内核。内核会从压缩版本自行解压缩并挂载根文件系统，然后会运行 /sbin/init 程序。

第 4 阶段：systemd

内核会加载 systemd，后者是 Linux 操作系统的系统和服务管理器。然后，systemd 会运行所有其他初始化进程。

2.2 由 systemd 控制的引导过程

 

一旦内核加载 systemd，systemd 即会接管并启动确保系统正常运行所需的其他系统服务，其中包括网络服务、登录管理器等服务。

引导过程按执行特定目标单元的顺序并行进行。systemd 使用 /etc/systemd/system/default.target 文件来确定 Linux 系统应引导到的目标。此文件是将会引导图形登录管理器的 graphical.target 的链接。systemd 会激活作为 default.target 的依赖项的所有目标单元，并以递归方式激活这些依赖项的所有依赖项。所有服务都启动后，您的系统就可以使用了，并会显示登录管理器。您现在可以登录并开始使用系统。

2.3 使用 systemd-analyze 命令分析系统引导过程性能

 

使用 systemd-analyze 命令可分析系统引导过程的性能。该命令还可用于从系统和服务管理器中检索其他状态和跟踪信息。它用于检查单元文件是否正确，并用于访问对高级系统管理器调试有用的特殊功能。

示例如下：

查看系统引导所花的时间 
> systemd-analyze time
Startup finished in 3.404s (kernel) + 2.415s (initrd) + 13.125s (userspace) = 18.945s
graphical.target reached after 13.117s in userspace
粗略了解引导过程，包括已启动的服务以及每项服务启动所花的时间 
> systemd-analyze critical-chain
  The time when unit became active or started is printed after the "@" character.
  The time the unit took to start is printed after the "+" character.

  graphical.target @13.117s
  └─multi-user.target @13.117s
    └─getty.target @13.117s
      └─getty@tty1.service @13.116s
        └─plymouth-quit-wait.service @10.775s +2.338s
          └─systemd-user-sessions.service @10.769s +3ms
            └─remote-fs.target @10.764s
              └─iscsi.service @10.747s +16ms
                └─network-online.target @10.744s
                  └─NetworkManager-wait-online.service @1.547s +9.197s
                    └─NetworkManager.service @1.507s +37ms
                      └─network-pre.target @1.504s
                        └─wpa_supplicant.service @2.341s +5ms
                          └─dbus.service @1.042s
                            └─basic.target @1.036s
                              └─sockets.target @1.036s
                                └─snapd.socket @1.035s +590us
                                  └─sysinit.target @1.030s
                                    └─systemd-update-utmp.service @1.025s +5ms
                                      └─auditd.service @976ms +47ms
                                        └─systemd-tmpfiles-setup.service @964ms +9ms
                                          └─local-fs.target @962ms
                                            └─snapd.mounts.target @961ms
                                              └─snap-core18-2796.mount @417ms +543ms
                                                └─dev-loop9.device @961ms +628us

此命令会针对每个指定单元或默认目标列显对时间要求严格的单元树。服务的初始化可能取决于套接字激活和单元的并行执行情况。与 blame 命令类似，它会显示激活某个单元所需的时间；对于直接转变为已启用状态的单元（如设备单元），不会定义该时间。

查看在引导过程中启动并按各服务所花时间显示的服务列表 
> systemd-analyze blame
  9.197s NetworkManager-wait-online.service
  4.002s fwupd.service
  2.338s plymouth-quit-wait.service
  1.282s dracut-pre-udev.service
  1.062s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS0.device
  1.062s dev-ttyS0.device
  1.061s dev-ttyS1.device
  1.061s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS1.device
  1.060s dev-ttyS11.device
  1.060s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS11.device
  1.059s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS13.device
  1.059s dev-ttyS13.device
  1.059s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS10.device
  1.059s dev-ttyS10.device
  1.058s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS14.device
  1.058s dev-ttyS14.device
  1.058s dev-ttyS12.device
  1.058s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS12.device
  1.056s sys-devices-platform-serial8250-tty-ttyS17.device

一项服务的初始化速度可能很慢，因为它正在等待另一项服务的初始化完成。它会显示激活某个单元所需的时间；对于直接转变为已启用状态的单元（如设备单元），不会定义该时间。此命令不会显示 Type=simple 的服务的结果，因为 systemd 将这些服务视为会立即启动，因而无法分析初始化延迟。

生成一个矢量图形文件以显示引导过程中发生的事件 
> systemd-analyze plot > /temp/sample.svg

此命令会在 temp 目录中创建一个 SVG 文件。SVG 文件属于文本文件，它定义了一组图形向量，可供 LibreOffice Draw 等应用程序用来生成图表。

3 单元文件的结构

 

在 systemd 中，单元是指系统知道如何操作和管理的任何资源。这是 systemd 工具使用的主要对象。这些资源是使用配置文件（称作单元文件）定义的。如果您在使用 systemd 时了解单元文件，则管理工作就会变得更容易。单元文件使用简单的声明性语法，使您可以在激活单元后轻松知道单元的用途和影响。单元文件包含带有指令的部分，例如： 

[Section]
        Directive1=value
        Directive2=value
        . . .

单元文件类型包括以下部分：

[Unit]

大多数单元文件中的第一个部分是 [Unit] 部分。此部分用于定义单元文件的元数据，以及配置该单元文件与其他单元文件的关系。此部分通常位于顶部，因为它提供单元文件的概览。

[Automount] / [Mount] / [Path] / [Service] / [Slice] / [Socket] /[Swap] / [Timer]

包含特定于相应类型的指令的部分。有关可用类型的列表，请参见第 4 节 “单元文件类型”。请注意，类型 device、target、snapshot 和 scope 不包含特定于类型的部分。

[Install]

此部分通常是单元文件中的最后一个部分，并且是可选的。此部分用于定义单元文件在启用或禁用后的行为。启用某个单元文件后，它会在引导时自动启动。根据特定的单元，可能需要依赖其他相关单元才能正常工作。例如，chrony 需要指令 After、Wants 和 Before，这些指令都是 chrony 使用的依赖项。

例 1︰ systemd 服务文件
 
[Unit]
Description=usbguard 1

[Service]
ExecStart=/usr/sbin/usb-daemon 2

[Install]
WantedBy=multi-user.target 3

1

解释服务文件用途的简短且有意义的说明。

2

指定当服务启动时要执行的程序。

3

启动具有网络但没有图形环境的多用户系统。此指令允许您指定依赖关系。

4 单元文件类型

 

您可以根据文件扩展名确定单元的类型。systemd 根据单元描述的资源类型对单元进行分类。

可用于 systemd 的单元文件类型：

.service

描述如何管理服务或应用程序。这包括如何启动或停止服务、重新加载服务配置文件（如果适用）、服务在哪种条件下自动启动，以及相关单元文件的依赖关系或层次结构信息。

.scope

此单元文件由 systemd 根据从 D-Bus 接口接收的信息自动创建，用于管理外部创建的系统进程集。

.path

定义基于路径的激活的路径。默认情况下，将激活具有相同基本名称的 .service 单元文件。inotify 是一个内核 API，由想要接收有关文件更改的通知的程序使用。

.snapshot

systemctl snapshot 命令自动创建 .snapshot 单元文件。此命令创建系统当前状态的临时快照。进行更改后，您可以修改系统的当前状态。快照用于回滚临时状态。

.timer

定义由 systemd 管理的计时器。这类似于针对延迟激活或已安排激活的 cron 作业。达到计时器时间时，将启动文件名相同、但扩展名为 .service 的单元文件。

.slice

关联 Linux 控制组节点，以便可以将资源指派或限制给与切片关联的任何进程。名称指示控制组树中的层次结构。默认情况下，单元根据其类型放置在切片中。

.target

在引导或状态更改期间为其他单元提供同步，或使系统进入新状态。其他单元指定它们与目标的关系，以便与目标的操作同步。

.socket

描述由 systemd 用于基于套接字的激活的网络、IPC 套接字或 FIFO 缓冲区。如果此单元定义的套接字上出现活动，则会启动一个关联的 .service 文件。

.device

定义一个设备，该设备已由 udev 或 sysfs 文件系统指定用于 systemd 管理。并非所有设备都有 .device 文件。排列、挂载或访问设备时需要此单元文件。

.swap

定义系统上的交换空间。单元文件的名称必须反映空间的设备或文件路径。

.mount

定义系统上由 systemd 管理的挂载点。此文件根据挂载路径命名（路径中的斜杠已更改为短划线）。/etc/fstab 中的项可以自动创建单元。

.automount

定义自动挂载的挂载点。根据文件引用的挂载点为文件命名。需要使用一个匹配的 .mount 单元文件来定义挂载细节。

5 单元依赖关系和顺序

 

systemd 有两种类型的依赖关系：要求依赖关系和顺序依赖关系。要求依赖关系指定在激活某个单元时必须启动或停止其他哪些单元。顺序依赖关系指定必须遵循的单元启动顺序。

单元依赖关系

单元文件具有依赖关系特性。某个单元可能需要在一个或多个其他单元运行之后才能运行。这些依赖关系是在单元文件中使用指令 Wants 和 Requires 设置的。

Wants

例如，如果单元 A 设置了 Wants=unit B，则当单元 A 运行时，单元 B 也会运行。但单元 B 能否成功启动不会影响单元 A 的成功运行。

Requires

如果单元 A 设置了 Requires=unit B，则这两个单元都会运行；但如果单元 B 未成功运行，则会停用单元 A。单元 A 的进程是否成功运行并不重要。

单元顺序

如果没有正确的指令，systemd 可以同时运行一组单元。以正确的顺序启动服务对于 Linux 系统的正常运行非常重要。可以使用单元文件指令 Before 和 After 来排列顺序。

Before

例如，如果单元 A 设置了 Before=unit B，当这两个单元同时运行时，会先完全执行单元 A，然后再执行单元 B。

After

如果单元 A 设置了 After=unit B，当这两个单元同时运行时，会先完全执行单元 B，然后再执行单元 A。

6 日志记录

 

日志文件和日记对于系统管理非常重要。它们提供有关系统的深入信息，对于查错和审计非常重要。日志文件包含内核、应用程序和登录到系统的用户所生成的事件和消息。您可以使用 journalctl 命令来查询日记。此命令可用于查看 systemd 收集的日志。systemd-journald 服务处理 systemd 的日志收集。systemd-journald 以二进制格式保存事件和消息。

7 systemd 目标

 

systemd 使用单元和目标。systemd 单元定义系统上的服务或操作，由名称、类型和配置文件组成。systemd 目标由多个单元组合而成，定义必须启动哪些服务才能达到目标。例如，在服务器上，这是网络正在运行并且多个用户可以登录的状态。这些文件由后缀 .target 标识。

与单元文件类似，可以通过依赖关系嵌套不同的目标。例如，multi-user.target 需要通过目标（及其他单元）来设置登录和用户会话服务。

常见 systemd 目标：

default.target

默认会引导。default.target 文件是指向实际目标文件（例如桌面工作站的 graphical.target）的符号链接。对于服务器，它通常是 graphical.target。

poweroff.target

关闭系统并关闭电源。

rescue.target

拉取基础系统并启动救援外壳会话的目标单元。

multi-user.target

设置非图形（控制台）多用户系统。

graphical.target

使用包含网络服务的图形多用户系统。

reboot.target

关闭再重引导系统。

有关 systemd 目标的详细信息，请参见 man 5 systemd.target 和 man 7 systemd.special。

8 以普通用户的身份使用 systemd

 

如果要实现更高的安全性或者您没有 root 用户特权，可以用普通用户的身份使用 systemd。可以通过创建 user 服务来运行非特权服务。

创建和使用用户服务时，请考虑以下事项：

  • 当用户的会话结束时，用户服务会话也会终止。可以使用 loginctl enable-linger USERNAME 命令覆盖此设置。

  • 用户服务文件位于 /etc/systemd/user 或 $HOME/.config/systemd/user/ 中。

  • 可以使用 systemctl --user 命令控制用户服务。

9 systemctl 命令

 

systemctl 命令用于检查及控制 systemd 和服务管理器的状态。

您可以使用以下常见 systemctl 命令并参见 man systemctl 页面。

9.1 查看 systemd 信息

 

要查看有关 systemd 组件的信息，可以使用以下命令：

systemctl list-units

列出 systemd 单元。可以使用可选参数：--state=running 用于显示已启用的单元，--type=service 用于显示已退出和已启用的单元。

systemctl list-unit-files

列出 systemd 单元和状态，例如 static、generated、disabled、alias、masked 和 enabled。

systemctl list-dependencies

列出依赖关系树。

systemctl list-dependencies UNIT_FILE

列出单元文件的依赖关系。

9.2 管理 systemd 服务

 

systemctl 命令可用于对服务执行以下任务。

systemctl status SERVICE

检查特定服务的状态。

systemctl show SERVICE

显示服务信息。

systemctl start SERVICE

不是手动启动服务，而是使用 start 命令。对配置文件进行更改后，必须再次启动相关服务。

systemctl stop SERVICE

停止正在运行的特定服务。

systemctl restart SERVICE

不是手动重启动服务，而是使用 restart 命令。对配置文件进行更改后，必须再次重启动相关服务。

systemctl enable SERVICE

在引导时启用服务。

systemctl disable SERVICE

在引导时禁用服务。

systemctl reload-or-restart SERVICE

如果服务支持重新加载，则重新加载服务，否则重启动服务。如果服务未运行，则将其重启动。

systemctl mask SERVICE

当服务被屏蔽时，这意味着单元文件与 /dev/null 建立了符号链接。将为屏蔽的服务创建从 /etc/systemd/system 指向 /dev/null 的符号链接。这样，即使另一个已启用的服务需要该服务，也无法加载该服务。必须手动停止该服务，否则它会继续在后台运行。可以使用 --runtime 选项来暂时屏蔽服务，直到系统下次重引导。 

Created symlink /etc/systemd/system/FOSSLinux.service → /dev/null.
systemctl unmask SERVICE

取消屏蔽服务。手动启动或重启动系统时，此设置将会生效。

9.3 管理系统状态

 

systemctl 命令可用于在系统上执行重启动、关机等电源管理任务，如下文所述。

systemctl reboot

重引导系统 reboot.target。

systemctl poweroff

关闭系统 poweroff.target 的电源。

systemctl emergency

进入紧急模式 emergency.target。

systemctl default

返回默认目标 multi-user.target。

10 systemd 查错

 

可以使用以下查错提示来识别和解决 systemd 服务的问题，并确保系统平稳运行。

使用 systemd-analyze verify SERVICE 检查 systemd 单元文件的语法

在启动或启用 systemd 服务之前，请检查单元文件的语法，确保没有任何错误。例如： 

> sudo systemd-analyze verify /etc/systemd/system/my-custom-service.service

该命令会分析单元文件，并报告任何语法错误、缺失的文件或其他问题。在启用和启动服务之前，您必须解决报告的所有问题。

使用 journalctl -u SERVICE 命令检查服务的日志

如果您在使用某个 systemd 服务时遇到任何问题，请检查该服务的日志。例如： 

> sudo  journalctl -u my-custom-service.service

该命令显示指定服务的日志，包括任何错误消息、警告或其他相关信息。您可以使用这些日志来识别和修复服务问题。

使用 systemd-analyze plot 命令来可视化引导过程

如果某项服务导致引导过程出现问题，您可以使用 systemd-analyze plot command 来可视化引导过程并识别问题。例如： 

> sudo systemd-analyze plot > boot-plot.svg

该命令会创建一个名为 boot-plot.svg 的 SVG 文件，其中包含引导过程和潜在问题的图形表示。这包括每项服务的启动和停止时间。您可以在 SVG 兼容的图像查看器或 Web 浏览器中打开此文件，以分析在引导过程中导致问题的服务。

对失败的服务进行查错

要确定哪些服务失败并检查日志输出，请运行以下命令： 

> sudo systemctl --state=failed
检查服务的运行时状态

要确定服务的当前运行时状态，请运行以下命令：

> sudo systemctl status SERVICE
关机或重引导时间过长

如果关机或重引导时间过长，原因可能是某个服务未退出。systemd 会先等待一段时间让每个服务退出，然后再尝试终止它。一个常见问题是服务挂起或关机过程停滞不前。要确定原因，请使用以下命令： 

> sudo systemctl poweroff
  Failed to power off system via logind: There's already a shutdown or sleep operation in progress
> sudo systemctl list-jobs

可以取消运行中和等待中的作业，然后再次关机或重引导： 

> sudo systemctl cancel
> sudo systemctl stop systemd-suspend.service

11 systemd 最佳实践

 

您可以遵循一些最佳实践，来确保能够处理不同状况的 systemd 服务高效运行。

检查服务的运行时状态

要确定服务的当前运行时状态，请运行以下命令：

> sudo systemctl status SERVICE
在 systemd 单元文件中使用绝对路径

在 systemd 单元文件中使用可执行文件和所需文件（例如配置文件或脚本）的绝对路径。systemd 不依赖使用用户的环境变量（例如 $PATH）来查找文件。

使用 ExecReload 指令

如果您想定义一个在使用 systemctl reload 命令重新加载服务时要执行的特定命令，请在 [SERVICE] 部分使用 ExecReload 指令。此指令对于无需重启动即可动态重新加载其配置的服务非常有用。 

[Service]
ExecStart=PATH_TO_EXECUTABLE
ExecReload=PATH_TO_RELOAD_SCRIPT
使用 RestartSec 指令

如果您想定义一段延迟时间（以秒为单位），发生故障后，需要经过这段时间才重启动服务，那么，请在 [SERVICE] 部分使用 RestartSec 指令。此指令对于需要在经过指定时间后才释放资源，或防止出现快速重启循环（这可能导致系统负载过高）的服务非常有用。 

[Service]
ExecStart=PATH_TO_EXECUTABLE
Restart=on-failure
RestartSec=5
在远程计算机上禁用紧急模式

您可以在远程计算机（例如 Google Cloud 托管的虚拟机）上禁用紧急模式。如果启用此模式，将会阻止计算机连接到网络。例如： 

> sudo systemctl mask emergency.service
> sudo systemctl mask emergency.target