写在前面

Systemd是现代Linux的服务启动管理。Linux的第一个进程已经由init变成systemd了。

[rancho sonic-buildimage]$ ps -ef | grep root | grep init
root         1     0  0  2020 ?        00:19:51 /sbin/init splash
[rancho sonic-buildimage]$ file /sbin/init
/sbin/init: symbolic link to /lib/systemd/systemd

init的两个缺点:

启动时间长。init是串行启动。
启动脚本复杂。init进程只是执行启动脚本，不管其它事情。所以脚本里面要处理各种情况，如依赖关系等，这使得脚本变得复杂且长。

Systemd概述

Linux一直没有一个统一的管理平台，所以各种资料与学习都很零散，而且是一个分散的管理系统。Systemd是一个趋势，不然这么多发行版(Arch Linux、Debian系、Red Hat系)也不会去集成它了。

Systemd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。

Systemd的优点是功能强大，使用方便。缺点是体系庞大，非常复杂，与操作系统其它部分强耦合。

Systemd命令族

Systemd是一组命令的集合，涉及到系统管理的各个方面。

systemctl

systemctl是Systemd的主命令，用于系统管理。systemctl接受服务（.service），挂载点（.mount）,套接口（.socket）和设备（.device）作为单元。

systemctl --version                 #查看systemd的版本
systemctl reboot                    #重启系统
systemctl poweroff                  #掉电
systemctl halt                      #CPU停止工作
systemctl suspend                   #暂停系统

systemctl list-unit-files           #列出所有可用单元
            [--type=service]        #所有服务
            [--type=mount]          #所有系统挂载点
            [--type=socket]         #所有可用系统套接口
systemctl list-units                #列出所有运行中的单元
systemctl --failed                  #列出所有失败的单元

systemctl status                    #显示系统状态
            [XX.service]            #检查某个服务状态
systemctl start XX.service          
systemctl restart XX.service
systemctl stop XX.service
systemctl reload XX.service         #启动、重启、停止、重载服务

systemctl is-active XX.service      #检查某个单元是否正在运行
systemctl is-enabled XX.service     #检查某个单元是否启用
systemctl is-failed XX.service      #检查某个单元是否启动失败

systemctl enable XX.service         #在启动时启用服务
systemctl disable XX.service        #在启动时禁止服务
systemctl kill XX.service           #杀死服务
systemctl show XX                   #检查某个服务的所有配置细节

systemctl mask XX.service           #屏蔽服务
systemctl unmask XX.service         #显示服务

systemctl list-dependencies XX.service      #获取某个服务的依赖性列表

systemctl get-default               #查看启动时的默认target

systemctl daemon-reload             # 重新加载配置文件
systemctl restart foobar            # 重启相关服务

systemd-analyze

服务分析工具。

systemd-analyze                     #查看启动耗时
systemd-analyze plot                #生成更直观的图表
systemd-analyze blame               #查看各个进程耗费时间
systemd-analyze critical-chain      #分析启动时的关键链
systemd-analyze critical-chain XX.service   #分析某个服务的关键链

不常用命令

systemd的有些命令功能会和某些命令重合，还有一些不常见的命令，如：hostnamectl、localectl、timedatectl、loginctl。

Unit

Systemd可以管理所有的系统资源，不同的资源统称为unit(单元)。
unit一共分成12种.

service : 系统服务
target : 多个unit构成的一个组
device : 硬件设备
mount : 文件系统挂载点
automount : 自动挂载点
path ：文件或路径
scope ：不是由systemd启动的外部进程
slice ：进程组
snapshot : systemd快照，可以切回某个快照
socket : 进程间通信的socket
swap : swap文件
timer : 定时器

unit配置文件

每一个unit都有一个配置文件，告诉systemd怎么启动这个unit。
systemd默认从/etc/systemd/system读取配置文件。这里面部分文件是符号链接，指向/lib/systemd/system或者/usr/lib/systemd/system。

systemctl enable的本质就是在上面两个目录的文件之间建立符号链接关系。

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systemctl enable XX.service
等同于
ln -s /lib/systemd/system/XX.service /etc/systemd/system/XX.service

如果配置文件里面设置了开机启动，systemctl enable命令相当于激活开机启动。

配置文件的后缀名就是该unit的种类，systemd默认后缀名是.service，所以bluetooth等效于bluetooth.service。

systemctl list-unit-files会显示每个unit的状态，一共有四种：

enabled：已建立启动连接
disabled：未建立启动链接
static: 该配置文件没有[install]部分，无法通过enable命令进行安装。只能做为其它unit的依赖(After字段或Requires字段)或者手动开启。相反的，基于这个特性，它无法通过disable关闭，一般用在必须启动的unit上。如写一个rc-local.service，实现开机后自动实现某些功能。
masked：该配置文件被禁止建立启动链接

配置文件的格式

配置文件示例如下：

配置文件分为Unit、Service、Install等区块，每个区块中都是key-value形式的配置。

[Unit]是配置文件的第一个区块，用来定义Unit的元数据，以及配置与其他Unit的关系，主要字段如下：

Description: 简短描述
Documentation: 文档地址
Requires: 当前 Unit 依赖的其他 Unit，如果它们没有运行，当前 Unit 会启动失败
Wants：与当前 Unit 配合的其他 Unit，如果它们没有运行，当前 Unit 不会启动失败
BindsTo：与Requires类似，它指定的 Unit 如果退出，会导致当前 Unit 停止运行
Before：如果该字段指定的 Unit 也要启动，那么必须在当前 Unit 之后启动
After：如果该字段指定的 Unit 也要启动，那么必须在当前 Unit 之前启动
Conflicts：这里指定的 Unit 不能与当前 Unit 同时运行
Condition…：当前 Unit 运行必须满足的条件，否则不会运行
Assert…：当前 Unit 运行必须满足的条件，否则会报启动失败

[Service]区块用来Service配置，只有Service类型的Unit才会有这个区块，它的主要字段如下：

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
ExecStart：启动当前服务的命令
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
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
TimeoutSec：定义 Systemd 停止当前服务之前等待的秒数
Environment：指定环境变量

[Install]通常是配置文件的最后一个区块，用来定义如何启动，以及是否开机启动，它的主要字段如下：

WantedBy：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
RequiredBy：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
Alias：当前 Unit 可用于启动的别名
Also：当前 Unit 激活（enable）时，会被同时激活的其他 Unit

Unit配置文件的完整key-value清单，参见官方文档。

Target

计算机启动的时候，需要启动大量的Unit。如果每一次启动，都要一一写明本次启动需要那些Unit，显然非常不方便。Systemd的解决方案就是Target。

Target就是一个Unit组，包含许多相关的Unit。启动某个Target的时候，Systemd就会启动里面所有的Unit。从这个意义上说，Target这个概念类似于“状态点”，启动某个Target就好比启动到某种状态。

传统的Init启动模式中，有Runlevle的概念，和Target的作用很类似。不同的是，Runlevel是互斥的，但是多个Target是可以同时启动的。

1 2	systemctl get-default #查看启动时的默认 Target systemctl list-dependencies multi-user.target #查看一个 Target 包含的所有 Unit

它与Init的主要差别如下：

默认的 RunLevel（在/etc/inittab文件设置）现在被默认的 Target 取代，位置是/etc/systemd/system/default.target，通常符号链接到graphical.target（图形界面）或者multi-user.target（多用户命令行）。
启动脚本的位置，以前是/etc/init.d目录，符号链接到不同的 RunLevel 目录（比如/etc/rc3.d、/etc/rc5.d等），现在则存放在/lib/systemd/system和/etc/systemd/system目录。
配置文件的位置，以前init进程的配置文件是/etc/inittab，各种服务的配置文件存放在/etc/sysconfig目录。现在的配置文件主要存放在/lib/systemd目录，在/etc/systemd目录里面的修改可以覆盖原始设置。

日志管理

Systemd统一管理Unit的启动日志，通过journalctl命令可以查看所有日志，日志的配置文件是/etc/systemd/journald.conf。它的功能很强大，用法也很多。

journalctl                      # 查看所有日志（默认情况下 ，只保存本次启动的日志）

journalctl -k                   # 查看内核日志（不显示应用日志）

journalctl -b                    # 查看系统本次启动的日志
journalctl -b -0

# 查看指定时间的日志
journalctl --since="2012-10-30 18:17:16"
journalctl --since "20 min ago"
journalctl --since yesterday
journalctl --since "2015-01-10" --until "2015-01-11 03:00"
journalctl --since 09:00 --until "1 hour ago"

journalctl -n                   # 显示尾部的最新10行日志
journalctl -n 20                # 显示尾部指定行数的日志

journalctl -f                   # 实时滚动显示最新日志

journalctl /usr/lib/systemd/systemd    # 查看指定服务的日志

journalctl _PID=1               # 查看指定进程的日志

journalctl /usr/bin/bash        # 查看某个路径的脚本的日志

journalctl _UID=33 --since today    # 查看指定用户的日志

# 查看某个 Unit 的日志
journalctl -u nginx.service
journalctl -u nginx.service --since today

# 查看指定优先级（及其以上级别）的日志，共有8级
# 0: emerg
# 1: alert
# 2: crit
# 3: err
# 4: warning
# 5: notice
# 6: info
# 7: debug
journalctl -p err -b

journalctl --disk-usage                  # 显示日志占据的硬盘空间

journalctl --vacuum-size=1G            # 指定日志文件占据的最大空间

journalctl --vacuum-time=1years             # 指定日志文件保存多久

几个问题

列举几个在systemd使用过程中可能遇到的问题。

开机启动与启动服务

systemctl enable设置服务开机启动，该服务需要等到下一次开机才会启动。systemctl start表明立即启动该服务。

Unit区块中的启动顺序与依赖关系

启动顺序由Before和After字段表示。Before表明应该在value表示的服务之前启动，After表示应该在value表示的服务之后启动。这两个字段只涉及到启动顺序而不设计依赖关系。

举例来说，SONiC中的bgp服务需要用redis数据库存储数据。如果在配置文件中只定义在redis之后启动，而没有定义依赖关系。设备启动后，由于某些原因，redis挂掉了，这之后bgp就会无法建立数据库连接。

设置依赖关系，需要使用Wants和Requires字段。Wants字段表明两者之间存在弱依赖关系，即如果value表明的服务启动失败或者停止运行，不影响主服务的继续执行。Requires字段则表明两者之间存在强依赖关系，即如果value表明的服务启动失败或者异常退出，那么主服务也必须退出。注意这两个字段只涉及依赖关系，与启动顺序无关，默认情况下不是同时启动的。

依赖于某一服务才能正常运行，可以同时定义Requires和After字段，如下所示。

Services区块的小问题

Services区块定义如何启动当前服务。

在所有的启动设置之前加上一个连词号(-),表示抑制错误，即错误发生的时候，不影响其它命令的执行。比如，EnvironmentFile=-/etc/sysconfig/sshd（注意等号后面的那个连词号），就表示即使/etc/sysconfig/sshd文件不存在，也不会抛出错误。

KillMode字段定义了Systemd如何停止服务，value可以设置的值如下：

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。

Restart字段定义了服务退出后，systemd重启该服务的方式，value可以设置的值如下：

no（默认值）：退出后不会重启
on-success：只有正常退出时（退出状态码为0），才会重启
on-failure：非正常退出时（退出状态码非0），包括被信号终止和超时，才会重启
on-abnormal：只有被信号终止和超时，才会重启
on-abort：只有在收到没有捕捉到的信号终止时，才会重启
on-watchdog：超时退出，才会重启
always：不管是什么退出原因，总是重启

SONiC中很多服务Restart都设置为always，如swss服务。RestartSec字段表示systemd重启服务之前，需要等待的秒数。

Install区块的小问题

Install区块定义如何安装这个配置文件，即怎样做到开机启动。

WanteBy字段表示该服务所在的Target。systemd默认启动的Target可以通过systemctl get-default查看到。服务必须加到这个Target或这个Target的子Target中才能开机启动。

常用的Target有两个，一个是multi-user.target，表示多用户命令行状态；另一个是graphical.target，表示图形用户状态，它依赖于multi-user.target，SONiC使用的是后者。官方文档有一张非常清晰的Target依赖关系图

Target的配置文件

在/lib/systemd/system下可以找到Target的配置文件,以graphical.target为例：

其中：

Requires字段：要求basic.target一起运行。
Conflicts字段：冲突字段。如果rescue.service或rescue.target正在运行，multi-user.target就不能运行，反之亦然。
After：表示multi-user.target在basic.target 、 rescue.service、 rescue.target之后启动，如果它们有启动的话。
AllowIsolate：允许使用systemctl isolate命令切换到multi-user.target。

小结

一般而言，配置文件存放在/lib/systemd/system和/usr/lib/systemd/system目录下，通过systemctl enable在/etc/systemd/system创建符号链接指向前者，Systemd会执行etc下的文件，前提是文件中的Install配对了Target。

参考资料

Systemd入门教程：命令篇
 systemctl 命令完全指南

Rancho Blog

Systemd学习