Systemd 是 Linux 系统工具,用来启动守护进程,已成为大多数发行版的标准配置。

由来

历史上,Linux 的启动一直采用 init 进程。

下面的命令用来启动服务。

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sudo /etc/init.d/apache2 start
# 或者
service apache2 start

这种方法有两个缺点。

一是启动时间长。init 进程是串行启动,只有前一个进程启动完,才会启动下一个进程。

二是启动脚本复杂。init 进程只是执行启动脚本,不管其他事情。脚本需要自己处理各种情况,这往往使得脚本变得很长。

Systemd 就是为了解决这些问题而诞生的。

它的设计目标是

为系统的启动和管理提供一套完整的解决方案

简介

Systemd 是一系列工具的集合,其作用也远远不仅是启动操作系统,它还接管了后台服务、结束、状态查询,以及日志归档、设备管理、电源管理、定时任务等许多职责,并支持通过特定事件(如插入特定 USB 设备)和特定端口数据触发的 On-demand(按需)任务。

Systemd 的后台服务还有一个特殊的身份——它是系统中 PID 值为 1 的进程。

更少的进程
Systemd 提供了 服务按需启动 的能力,使得特定的服务只有在真定被请求时才启动。

允许更多的进程并行启动
在 SysV-init 时代,将每个服务项目编号依次执行启动脚本。Ubuntu 的 Upstart 解决了没有直接依赖的启动之间的并行启动。而 Systemd 通过 Socket 缓存、DBus 缓存和建立临时挂载点等方法进一步解决了启动进程之间的依赖,做到了所有系统服务并发启动。对于用户自定义的服务,Systemd 允许配置其启动依赖项目,从而确保服务按必要的顺序运行。

使用 CGroup 跟踪和管理进程的生命周期
在 Systemd 之间的主流应用管理服务都是使用 进程树 来跟踪应用的继承关系的,而进程的父子关系很容易通过 两次 fork 的方法脱离。

而 Systemd 则提供通过 CGroup 跟踪进程关系,引补了这个缺漏。通过 CGroup 不仅能够实现服务之间访问隔离,限制特定应用程序对系统资源的访问配额,还能更精确地管理服务的生命周期。

统一管理服务日志
Systemd 是一系列工具的集合, 包括了一个专用的系统日志管理服务:Journald。这个服务的设计初衷是克服现有 Syslog 服务的日志内容易伪造和日志格式不统一等缺点,Journald 用 二进制格式 保存所有的日志信息,因而日志内容很难被手工伪造。Journald 还提供了一个 journalctl 命令来查看日志信息,这样就使得不同服务输出的日志具有相同的排版格式, 便于数据的二次处理。

资源类型

Systemd 可以管理所有系统资源,不同的资源统称为 Unit(单位)。

在 Systemd 的生态圈中,Unit 文件统一了过去各种不同系统资源配置格式,例如服务的启/停、定时任务、设备自动挂载、网络配置、虚拟内存配置等。而 Systemd 通过不同的文件后缀来区分这些配置文件。

Systemd 支持的 12 种 Unit 文件类型

  • .automount:用于控制自动挂载文件系统,相当于 SysV-init 的 autofs 服务
  • .device:对于 /dev 目录下的设备,主要用于定义设备之间的依赖关系
  • .mount:定义系统结构层次中的一个挂载点,可以替代过去的 /etc/fstab 配置文件
  • .path:用于监控指定目录或文件的变化,并触发其它 Unit 运行
  • .scope:这种 Unit 文件不是用户创建的,而是 Systemd 运行时产生的,描述一些系统服务的分组信息
  • .service:封装守护进程的启动、停止、重启和重载操作,是最常见的一种 Unit 文件
  • .slice:用于表示一个 CGroup 的树,通常用户不会自己创建这样的 Unit 文件
  • .snapshot:用于表示一个由 systemctl snapshot 命令创建的 Systemd Units 运行状态快照
  • .socket:监控来自于系统或网络的数据消息,用于实现基于数据自动触发服务启动
  • .swap:定义一个用户做虚拟内存的交换分区
  • .target:用于对 Unit 文件进行逻辑分组,引导其它 Unit 的执行。它替代了 SysV-init 运行级别的作用,并提供更灵活的基于特定设备事件的启动方式
  • .timer:用于配置在特定时间触发的任务,替代了 Crontab 的功能

目录

按照 systemd 的约定,unit 文件应该方案指定的三个位置之一。

  • /etc/systemd/system:系统或用户自定义的配置文件
  • /run/systemd/system:软件运行时生成的配置文件
  • /usr/lib/systemd/system:系统或第三方软件安装时添加的配置文件。

这三个目录具有优先级,越靠上的优先级越高

Service Unit

文件结构

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[Unit]
Description=Hello World
After=docker.service
Requires=docker.service
[Service]
TimeoutStartSec=0
ExecStartPre=-/usr/bin/docker kill busybox1
ExecStartPre=-/usr/bin/docker rm busybox1
ExecStartPre=/usr/bin/docker pull busybox
ExecStart=/usr/bin/docker run --name busybox1 busybox /bin/ sh -c "while true; do echo Hello World; sleep 1; done"
ExecStop="/usr/bin/docker stop busybox1"
ExecStopPost="/usr/bin/docker rm busybox1"
[Install]
WantedBy=multi-user.target

如下所示,Systemd 服务的 Unit 文件可以分为三个配置区段:

  • Unit 和 Install 段:所有 Unit 文件通用,用于配置服务(或其它系统资源)的描述、依赖和随系统启动的方式
  • Service 段:服务(Service)类型的 Unit 文件(后缀为 .service)特有的,用于定义服务的具体管理和操作方法

Unit 段

  • Description:描述这个 Unit 文件的信息
  • Documentation:指定服务的文档,可以是一个或多个文档的 URL 路径
  • Requires:依赖的其它 Unit 列表,列在其中的 Unit 模板会在这个服务启动时的同时被启动。并且,如果其中任意一个服务启动失败,这个服务也会被终止
  • Wants:与 Requires 相似,但只是在被配置的这个 Unit 启动时,触发启动列出的每个 Unit 模块,而不去考虑这些模板启动是否成功
  • After:与 Requires 相似,但是在后面列出的所有模块全部启动完成以后,才会启动当前的服务
  • Before:与 After 相反,在启动指定的任务一个模块之间,都会首先确证当前服务已经运行
  • Binds To:与 Requires 相似,失败时失败,成功时成功,但是在这些模板中有任意一个出现意外结束或重启时,这个服务也会跟着终止或重启
  • Part Of:一个 Bind To 作用的子集,仅在列出的任务模块失败或重启时,终止或重启当前服务,而不会随列出模板的启动而启动
  • OnFailure:当这个模板启动失败时,就会自动启动列出的每个模块
  • Conflicts:与这个模块有冲突的模块,如果列出的模块中有已经在运行的,这个服务就不能启动,反之亦然

Install 段

这部分配置的目标模块通常是特定运行目标的 .target 文件,用来使得服务在系统启动时自动运行。这个区段可以包含三种启动约束:

  • WantedBy:和 Unit 段的 Wants 作用相似,只有后面列出的不是服务所依赖的模块,而是依赖当前服务的模块。它的值是一个或多个 Target,当前 Unit 激活时(enable)符号链接会放入 /etc/systemd/system 目录下面以 <\Target 名> + .wants 后缀构成的子目录中,如 “/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/“
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# find /etc/systemd/system/* -type d
/etc/systemd/system/default.target.wants
/etc/systemd/system/getty.target.wants
/etc/systemd/system/graphical.target.wants
/etc/systemd/system/multi-user.target.wants
/etc/systemd/system/network-online.target.wants
/etc/systemd/system/paths.target.wants
/etc/systemd/system/shutdown.target.wants
/etc/systemd/system/sockets.target.wants
/etc/systemd/system/sysinit.target.wants
/etc/systemd/system/timers.target.wants
  • RequiredBy:和 Unit 段的 Wants 作用相似,只有后面列出的不是服务所依赖的模块,而是依赖当前服务的模块。它的值是一个或多个 Target,当前 Unit 激活时,符号链接会放入 /etc/systemd/system 目录下面以 <\Target 名> + .required 后缀构成的子目录中
  • 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

Service 段

用来 Service 的配置,只有 Service 类型的 Unit 才有这个区块。它的主要字段分为服务生命周期和服务上下文配置两个方面。

服务生命周期控制相关

  • Type:定义启动时的进程行为,它有以下几种值:

    • Type=simple:默认值,执行 ExecStart 指定的命令,启动主进程

    • Type=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

    • Type=oneshot:一次性进程,Systemd 会等当前服务退出,再继续往下执行

    • Type=dbus:当前服务通过 D-Bus 启动

    • Type=notify:当前服务启动完毕,会通知 Systemd,再继续往下执行

  • Type=idle:若有其他任务执行完毕,当前服务才会运行

  • RemainAfterExit:值为 true 或 false(默认)。当配置为 true 时,Systemd 只会负责启动服务进程,之后即便服务进程退出了,Systemd 也仍然会认为这个服务还在运行中。这个配置主要是提供给一些并非常驻内存,而是启动注册后立即退出,然后等待消息按需启动的特殊类型服务使用的。

  • ExecStart:启动当前服务的命令

  • ExecStartPre:启动当前服务之前执行的命令

  • ExecStartPos:启动当前服务之后执行的命令

  • ExecReload:重启当前服务时执行的命令

  • ExecStop:停止当前服务时执行的命令

  • ExecStopPost:停止当其服务之后执行的命令

  • RestartSec:自动重启当前服务间隔的秒数

  • Restart:定义何种情况 Systemd 会自动重启当前服务,可能的值包括 always(总是重启)、on-success、on-failure、on-abnormal、on-abort、on-watchdog

  • TimeoutStartSec:启动服务时等待的秒数,这一配置对于使用 Docker 容器而言显得尤为重要,因其第一次运行时可能需要下载镜像,严重延时会容易被 Systemd 误判为启动失败杀死。通常,对于这种服务,将此值指定为 0,从而关闭超时检测

  • TimeoutStopSec:停止服务时的等待秒数,如果超过这个时间仍然没有停止,Systemd 会使用 SIGKILL 信号强行杀死服务的进程

  • 服务上下文配置相关

  • Environment:为服务指定环境变量

  • EnvironmentFile:指定加载一个包含服务所需的环境变量的列表的文件,文件中的每一行都是一个环境变量的定义

  • Nice:服务的进程优先级,值越小优先级越高,默认为 0。其中 -20 为最高优先级,19 为最低优先级

  • WorkingDirectory:指定服务的工作目录

  • RootDirectory:指定服务进程的根目录(/ 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任何文件

  • User:指定运行服务的用户

  • Group:指定运行服务的用户组

  • MountFlags:服务的 Mount Namespace 配置,会影响进程上下文中挂载点的信息,即服务是否会继承主机上已有挂载点,以及如果服务运行执行了挂载或卸载设备的操作,是否会真实地在主机上产生效果。可选值为 shared、slaved 或 private

  • shared:服务与主机共用一个 Mount Namespace,继承主机挂载点,且服务挂载或卸载设备会真实地反映到主机上

  • slave:服务使用独立的 Mount Namespace,它会继承主机挂载点,但服务对挂载点的操作只有在自己的 Namespace 内生效,不会反映到主机上

  • private:服务使用独立的 Mount Namespace,它在启动时没有任何任何挂载点,服务对挂载点的操作也不会反映到主机上

  • LimitCPU / LimitSTACK / LimitNOFILE / LimitNPROC 等:限制特定服务的系统资源量,例如 CPU、程序堆栈、文件句柄数量、子进程数量等

Unit 文件占位符和模板

Unit 文件占位符

在 Unit 文件中,有时会需要使用到一些与运行环境有关的信息,例如节点 ID、运行服务的用户等。这些信息可以使用占位符来表示,然后在实际运行被动态地替换实际的值。

  • %n:完整的 Unit 文件名字,包括 .service 后缀名
  • %p:Unit 模板文件名中 @ 符号之前的部分,不包括 @ 符号
  • %i:Unit 模板文件名中 @ 符号之后的部分,不包括 @ 符号和 .service 后缀名
  • %t:存放系统运行文件的目录,通常是 “run”
  • %u:运行服务的用户,如果 Unit 文件中没有指定,则默认为 root
  • %U:运行服务的用户 ID
  • %h:运行服务的用户 Home 目录,即 %{HOME} 环境变量的值
  • %s:运行服务的用户默认 Shell 类型,即 %{SHELL} 环境变量的值
  • %m:实际运行节点的 Machine ID,对于运行位置每个的服务比较有用
  • %b:Boot ID,这是一个随机数,每个节点各不相同,并且每次节点重启时都会改变
  • %H:实际运行节点的主机名
  • %v:内核版本,即 “uname -r” 命令输出的内容
  • %%:在 Unit 模板文件中表示一个普通的百分号