1. 探索Systemd¶
1.1. 系统管理¶
systemd不是一个命令，而是一组命令的集合，提供了一个系统和服务管理器，运行为 PID 1 并负责启动其它程序。 下图为systemd的架构图。
systemd功能包括：支持并行化任务；同时采用 socket 式与 D-Bus 总线式激活服务； 按需启动守护进程（daemon）；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。 systemd 支持 SysV 和 LSB 初始脚本，可以替代 sysvinit。除此之外， 功能还包括日志进程、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， 可以运行容器和虚拟机，可以简单的管理网络配置、网络时间同步、日志转发和名称解析等。
1.2. Systemd–核心概念¶
1.2.1. unit¶
单元，单元文件是 ini 风格的纯文本文件，Systemd 可以管理所有系统资源，不同的资源统称为 Unit（单位）。 其封装了12种对象的信息：服务(service)、套接字(socket)、设备(device)、挂载点(mount)、 自动挂载点(automount)、 启动目标(target)、交换分区或交换文件(swap)、被监视的路径(path)、 任务计划(timer)、 资源控制组(slice)、一组外部创建的进程(scope)、快照(snapshot)。
service：一个后台服务进程，其封装了守护进程的启动、停止、重启与重载等操作。
socket：此类配置单元封装系统和互联网中的一个套接字。当下，systemd支持流式， 数据报和连续包的 AF_INET，AF_INET6，AF_UNIX socket。 每个套接字配置单元都有一个相应的服务配置单元， 相应的服务在第一个“连接”进入套接字时就会启动（例如：nscd.socket在有新连接后便启动nscd.service）， 监控系统或者网络的数据信息。
device：此类配置单元封装一个存在于Linux设备树中的设备。 每个使用udev规则标记的设备都将会在systemd中作为一个设备配置单元出现， 定义设备之间的依赖关系。
mount：此类配置单元封装文件系统结构层次中的一个挂载点。 systemd将对这个挂载点进行监控和管理。比如，可以在启动时自动将其挂载， 可以在某些条件下自动卸载。systemd会将/etc/fstab中的条目都转换为挂载点，并在开机时处理。
automount：此类配置单元封装系统结构层次中的一个自挂载点。 每个自挂载配置单元对应一个挂载配置单元，当该自动挂载点被访问时， systemd执行挂载点中定义的挂载行为。
Swap：和挂载配置单元类似，交换配置单元用来管理交换分区。 用户可以用交换配置单元来定义系统中的交换分区，可以让这些交换分区在启动时被激活。
target：此类配置单元为其他配置单元进行逻辑分组。它们本身实际上并不做什么， 只是引用其他配置单元而已，这样便可以对配置单元做一个统一的控制， 就可以实现大家都非常熟悉的运行级别的概念。比如，想让系统进入图形化模式， 需要运行许多服务和配置命令，这些操作都由一个个的配置单元表示， 将所有的这些配置单元组合为一个目标（target），就表示需要将这些配置单元全部执行一遍， 以便进入目标所代表的系统运行状态（例如：multi-user.target相当于在传统使用sysv的系统中运行级别5）。
timer：定时器配置单元用来定时触发用户定义的操作。这类配置单元取代了atd，crond等传统的定时服务。
snapshot：与target配置单元相似，快照是一组配置单元，它保存了系统当前的运行状态。
slice：表示一个CGroup 的树。
path：监控指定目录或文件的变化，并触发其它 Unit 的运行。
scope：它用于描述一些系统服务的分组信息。
每个配置单元都有一个对应的配置文件， 比如一个avahi-daemon服务对应一个avahi-daemon.service文件。 这种配置文件的语法非常简单，用户不需要再编写和维护复杂的sysv脚本了。
# 列出正在运行的 Unit
$ systemctl list-units
# 列出所有Unit，包括没有找到配置文件的或者启动失败的
$ systemctl list-units --all
# 列出所有没有运行的 Unit
$ systemctl list-units --all --state=inactive
# 列出所有加载失败的 Unit
$ systemctl list-units --failed
# 列出所有正在运行的、类型为 service 的 Unit
$ systemctl list-units --type=service
# 显示某个 Unit 是否正在运行
$ systemctl is-active systemd-timesyncd.service
# 显示某个 Unit 服务是否建立了启动链接
$ systemctl is-enabled systemd-timesyncd.service
1.2.2. unit–管理¶
# 立即启动一个服务
$ sudo systemctl start sshd.service
# 立即停止一个服务
$ sudo systemctl stop sshd.service
# 重启一个服务
$ sudo systemctl restart sshd.service
# 杀死一个服务的所有子进程
$ sudo systemctl kill sshd.service
# 重新加载一个服务的配置文件
$ sudo systemctl reload sshd.service
# 重载所有修改过的配置文件
$ sudo systemctl daemon-reload
# 显示某个 Unit 的所有底层参数
$ systemctl show httpd.service
# 显示某个 Unit 的指定属性的值
$ systemctl show -p CPUShares avahi-daemon.service
1.2.3. unit–依赖¶
尽管systemd将大量的启动工作解除了依赖，使得它们可以并行启动。但还是存在一些任务， 它们之间存在天生的依赖关系，不能用“套接字激活”（socket activation）, D-Bus activation和autofs三大方法来解除依赖。比如，挂载必须等待挂载点在文件系统中被创建； 挂载也必须等待相应的物理设备就绪。为了解决这类依赖问题，systemd的配置单元之间可以彼此定义依赖关系。 比如，unit Q依赖unit W，可以在unit W的定义中用“require Q”来表示，这样systemd就会保证先启动Q再启动W。 systemd能保证事务完整性。systemd的事务概念和数据库中的有所不同， 主要是为了保证多个依赖的配置单元之间没有环形引用。若存在循环依赖，那么systemd将无法启动任意一个服务。 此时，systemd将会尝试解决这个问题，因为配置单元之间的依赖关系有两种：requireds为强依赖，wants为弱依赖， systemd将去掉wants关键字指定的依赖看看是否能打破循环。如果无法修复，systemd会报错。 systemd能够自动检测和修复这类配置错误，极大地减轻了管理员的拔锚负担。
# 命令列出一个 Unit 的所有依赖
$ systemctl list-dependencies sshd.service
上面命令的输出结果之中，有些依赖是 Target 类型，而 Target 类型默认是不会展开显示的。 若要展开显示 Target，则需要添加–all参数。
# 命令列出一个 Unit 的所有依赖，并展开显示Target 依赖类型
$ systemctl list-dependencies --all sshd.service
1.2.4. unit–配置文件¶
systemd的配置文件默认会存放于文件系统中的/etc/systemd/system或/usr/lib/systemd/system目录下， 我们输入“ls -al”命令查看一下该目录的内容。
可以看到该目录下有很多链接符号“->”，这代表着文件的实体是“->”指向的文件，可以说是软链接的关系， 和windows上的快捷方式类似（有点类似月老牵线^-^）， 而这些软链接所指向的目录绝大多数是/lib/systemd/system目录， 也有指向/dev/null文件的，这代表它是一个空文件， 初始化过程中systemd只执行/etc/systemd/system目录里面的配置文件。 当你安装完systemd程序之后，他会自动的在/lib/systemd/system目录下生成一个与该程序对应的配置文件。 你可以使用“systemctl enable xxx.service”的方式来建立一个服务软链接， 若设置了开机启动，则“systemctl enable”相当于使能开机启动， 而“systemctl disable”命令与之相反，他会断开软链接，所以开机就不会启动。
# 检查某个单元是否是开机自启动的（建立的启动链接）
$ systemctl is-enabled sshd.service
1.2.5. unit–系统管理¶
# 重启系统（异步操作）
$ systemctl reboot
# 关闭系统，切断电源（异步操作）
$ systemctl poweroff
# 仅CPU停止工作，其他硬件仍处于开机状态（异步操作）
$ systemctl halt
# 暂停系统（异步操作），执行suspend.target
$ systemctl suspend
# 使系统进入冬眠状态（异步操作），执行hibernate.target
$ systemctl hibernate
1.2.6. unit–日志管理¶
Systemd 统一管理所有 Unit 的启动日志。带来的好处就是，可以只用journalctl一个命令， 查看所有日志（内核日志和应用日志）。
日志配置文件位于/etc/systemd/journald.conf，其保存目录为/var/log/journal/ 默认情况下日志最大限制为所在文件系统容量的 10%， 可通过/etc/systemd/journald.conf 中的 SystemMaxUse 字段来指定日志最大限制。
注意
/var/log/journal/目录是 systemd 软件包的一部分。 若被删除，systemd 不会自动创建它，直到下次升级软件包时重建该目录。 如果该目录缺失，systemd 会将日志记录写入 /run/systemd/journal。 这意味着，系统重启后日志将丢失。
# 查看所有日志
$ sudo journalctl
# 指定日志文件占据的最大空间
$ sudo journalctl --vacuum-size=8M
1.3. Systemd–实例分析¶
1.3.1. 启动顺序及依赖¶
前面我们讲到了服务的配置文件，系统上电后，systemd便会读取每个服务地配置文件， 然后根据配置文件执行每个系统服务，配置文件详细地描述了一个服务是如何启动的. 我们以ssh服务为例，详细分析其配置文件。 在/etc/systemd/system目录下找到sshd.service文件， 它描述了如何启动一个ssh服务，使用vim.tiny打开该配置文件，如下图所示：
可以看到，配置文件一共有三个区块，分别是Unit、Service、Install，每个区块又包含了许多键值对。
其中Unit区块中，Description描述了当前服务，Documentation字段给出了文档位置， 紧接着的是比较重要的After字段，它指定了服务的启动顺序，但是不涉及依赖关系， 与之对应的是Before字段。以本配置文件为例， After表示的是当前服务需要在network.target及auditd.service两个服务之后启动。 而Wants和Requires字段只涉及依赖关系，他与启动顺序是无关的，默认为同时启动。 如果想要设置服务之间的依赖关系，及使用Wants和Requires字段即可， Wants为“弱依赖”，Requires为“强依赖”。
1.3.2. 启动命令¶
EnvironmentFile字段指定了当前服务的环境参数文件，注意等号后面的“-”， 它表示如果/etc/default/ssh文件不存在也不会抛出错误，ExecStart是配置文件最重要的字段， 它定义了启动一个进程需要执行的命令。 图中执行的命令是“/usr/sbin/sshd -D $SSHD_OPTS”， 其中的变量$SSHD_OPTS就是来自于EnvironmentFile字段所指定的环境参数文件。 ExecStartPre字段表示启动服务之前需要执行的命令。
1.3.3. 启动类型与行为¶
Type字段指定了服务的启动类型，它的类型如下所示。
simple（默认值）：ExecStart字段启动的进程为主进程
forking：ExecStart字段将以fork()方式启动，此时父进程将会退出，子进程将成为主进程
oneshot：类似于simple，但只执行一次，Systemd 会等它执行完，才启动其他服务
dbus：类似于simple，但会等待 D-Bus 信号后启动
notify：类似于simple，启动结束后会发出通知信号，然后 Systemd 再启动其他服务
idle：类似于simple，但是要等到其他任务都执行完，才会启动该服务。 一种使用场合是为让该服务的输出，不与其他服务的输出相混合
KillMode字段定义了systemd如何停止ssh服务，本例设置为process， 表示只停止主进程，但不停止sshd的子进程。
Restart字段定义了sshd退出后，systemd的重启方式，Restart设为on-failure， 表示任何意外的失败，就将重启sshd。如果sshd正常停止（如执行systemctl stop命令）， 它就不会重启。其可设置成下面值。
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
1.3.4. 安装方式¶
WantedBy字段表示当前服务所在的Target,Target表示的是服务组， sshd所在的服务组为multi-user.target。 当执行“systemctl enable sshd.service”命令的时候， sshd.service的一个符号链接， 就会放在/etc/systemd/system目录下面的multi-user.target.wants子目录之中。
如果我们修改了配置文件，就需要重新加载配置文件，然后重启该服务。
# 重新加载配置文件
$ sudo systemctl daemon-reload
# 重启相关服务
$ sudo systemctl restart ssh
1.4. Systemd–创建自己的Systemd服务¶
我们经常有这样的需求，自己写好一个应用，想要它实现开机自启动的功能， 那么我们可以通过创建一个Systemd服务服务来实现。 下面我以创建一个简单的hello.service服务为例子，教大家如何创建自己的Systemd服务。
1.4.1. 编写脚本¶
cd进入/opt目录下，使用vim编写一个hello.sh脚本。
1 2 3 4 5 6 7 | #!/bin/bash
while true
do
echo Hello Lubancat >> /tmp/hello.log
sleep 3
done
|
该脚本实现的功能是每隔3秒就打印“Hello Lubancat”字符串到/tmp/hello.log文件中。 编写好后记得赋予hello.sh可执行权限。
sudo chmod 0755 hello.sh
1.4.2. 创建配置文件¶
在/etc/systemd/system/目录下创建一个hello.service配置文件，内容如下。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | [Unit]
Description = hello daemon
[Service]
ExecStart = /opt/hello.sh
Restart = always
Type = simple
[Install]
WantedBy = multi-user.target
|
其中ExecStart字段定义了hello.service服务的自启动脚本为/opt/hello.sh， 当我们使能了hello.service开机自启功能，在开机后便会执行/opt/hello.sh。 Restart = always表示指进程或服务意外故障的时候可以自动重启的模式。 Type = simple为默认的，可以不填。WantedBy指定服务由谁启动，WantedBy = multi-user.target 表示 在系统启动到多用户模式时就会把这个服务添加到启动顺序中。如果需要在图形用户界面后再启动，需要设置为 WantedBy = graphical.target，表示需要在系统进入图形用户界面模式时启动。
也就是说，WantedBy参数对于服务是否需要桌面环境十分重要，如果服务需要桌面环境，然而设置WantedBy = multi-user.target 在桌面启动前就调用自己的启动脚本，将会导致服务启动失败！
1 2 3 4 5 6 | #在桌面前就启动服务
WantedBy = multi-user.target
#进入桌面后启动服务
WantedBy = graphical.target
|
1.4.3. 使能hello.service开机自启功能¶
输入命令“sudo systemctl list-unit-files –type=service | grep hello” 查看hello.service是否被添加到了服务列表。
sudo systemctl list-unit-files --type=service | grep hello
可以看到hello.service处于disable状态，如果你输入上面命令后没有任何显示， 那你创建的服务就处理问题，需要仔细排查。我们输入下面命令使hello.service开机自启动。
sudo systemctl enable hello
sudo systemctl start hello
然后使用reboot命令重启系统， 启动系统后输入“sudo systemctl status hello”命令即可看到hello.service处于运行状态。
sudo systemctl status hello
cat /tmp/hello.log
关于systemd的知识点还有很多，这里做简单介绍，主要是让大家了解systemd的基本用法及启动服务的流程， 感兴趣的可以在网上查阅相关文档。
如果使用桌面环境的用户建议使用桌面系统自带的自启动方式，详情请参考：
1.5. Systemd–基本工具¶
1.5.1. systemctl¶
监视和控制systemd的主要命令是systemctl。该命令可用于查看系统状态和管理系统及服务。
#输出激活的单元
systemctl
#打印信息如下
UNIT LOAD ACTIVE SUB JOB DESCRIPTION
sys-devices-platform-3c0800000.pcie-pci0002:20-0002:20:00.0-0002:21:00.0-nvme-nv
sys-devices-platform-backlight-backlight-backlight.device loaded active plug
sys-devices-platform-fe010000.ethernet-net-eth1.device loaded active plugged
sys-devices-platform-fe2a0000.ethernet-net-eth0.device loaded active plugged
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0-mmcblk
sys-devices-platform-fe310000.sdhci-mmc_host-mmc0-mmc0:0001-block-mmcblk0.device
sys-devices-platform-fiq_debugger.0-tty-ttyFIQ0.device loaded active plugged
sys-devices-platform-rk809\x2dsound-sound-card0.device loaded active plugged
sys-devices-virtual-block-ram0.device loaded active plugged /sys/dev
sys-devices-virtual-block-zram0.device loaded active plugged /sys/de
sys-devices-virtual-misc-rfkill.device loaded active plugged /sys/de
sys-devices-virtual-tty-ttyGS0.device loaded active plugged /sys/dev
sys-module-configfs.device loaded active plugged /sys/module/configf
#显示系统状态
systemctl status -l
#打印信息如下
● lubancat
State: starting
Jobs: 11 queued
Failed: 0 units
Since: Tue 2022-10-11 13:59:30 CST; 5min ago
CGroup: /
├─user.slice
│ ├─user-0.slice
│ │ ├─session-c2.scope
│ │ │ ├─ 557 /bin/login -p --
│ │ │ ├─1021 -bash
│ │ │ ├─1160 systemctl status -l
│ │ │ └─1161 pager
│ │ └─user@0.service
│ │ └─init.scope
│ │ ├─1006 /lib/systemd/systemd --user
│ │ └─1009 (sd-pam)
│ └─user-1000.slice
│ ├─user@1000.service
│ │ ├─pulseaudio.service
│ │ │ └─686 /usr/bin/pulseaudio --daemonize=no --log-target=journal
│ │ └─init.scope
│ │ ├─674 /lib/systemd/systemd --user
lines 1-23
# 重启系统
$ sudo systemctl reboot
# 暂停系统
$ sudo systemctl suspend
# 关闭系统，切断电源
$ sudo systemctl poweroff
# CPU停止工作
$ sudo systemctl halt
# 让系统进入冬眠状态
$ sudo systemctl hibernate
# 让系统进入交互式休眠状态
$ sudo systemctl hybrid-sleep
# 启动进入救援状态（单用户状态）
$ sudo systemctl rescue
# 输出运行失败的单元
$ systemctl --failed
1.5.2. systemd-analyze¶
systemd-analyze命令用于查看启动耗时。
#查看启动耗时
systemd-analyze
#打印信息
Startup finished in 2.440s (kernel) + 20.909s (userspace) = 23.349s
graphical.target reached after 20.662s in userspace
#查看每个服务的启动耗时
systemd-analyze blame
#打印信息
11.596s systemd-random-seed.service
10.851s e2scrub_reap.service
6.503s dev-mmcblk0p6.device
5.543s systemd-resolved.service
3.469s systemd-logind.service
2.185s ssh.service
1.939s ModemManager.service
1.627s systemd-udev-trigger.service
1.139s networking.service
1.132s alsa-restore.service
996ms systemd-journald.service
988ms ntp.service
986ms user@0.service
928ms systemd-udevd.service
751ms polkit.service
591ms systemd-tmpfiles-setup.service
474ms wpa_supplicant.service
419ms systemd-update-utmp.service
357ms rsyslog.service
315ms systemd-user-sessions.service
286ms dev-mqueue.mount
278ms sys-kernel-debug.mount
273ms modprobe@drm.service
266ms systemd-sysusers.service
253ms modprobe@configfs.service
250ms systemd-journal-flush.service
249ms NetworkManager.service
243ms systemd-rfkill.service
231ms systemd-fsck@dev-mmcblk0p7.service
226ms systemd-modules-load.service
217ms vsftpd.service
213ms systemd-tmpfiles-setup-dev.service
200ms systemd-remount-fs.service
192ms systemd-update-utmp-runlevel.service
150ms sys-kernel-config.mount
145ms systemd-tmpfiles-clean.service
120ms systemd-sysctl.service
103ms user-runtime-dir@0.service
97ms modprobe@fuse.service
91ms modprobe@efi_pstore.service
74ms mnt-data.mount
39ms ifupdown-pre.service
#显示瀑布状的启动过程流
systemd-analyze critical-chain
#打印信息
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 @20.662s
└─multi-user.target @20.660s
└─NetworkManager.service @20.397s +249ms
└─dbus.service @9.336s
└─dbus.socket @9.237s
└─sysinit.target @9.016s
└─systemd-update-utmp.service @8.580s +419ms
└─systemd-tmpfiles-setup.service @7.847s +591ms
└─local-fs.target @7.763s
└─tmp-usb.mount @14.473s
└─local-fs-pre.target @2.420s
└─systemd-tmpfiles-setup-dev.service @2.206s +213ms
└─systemd-sysusers.service @1.930s +266ms
└─systemd-remount-fs.service @1.618s +200ms
└─systemd-journald.socket @1.405s
└─system.slice @718ms
└─-.slice @718ms
# 显示指定服务的启动流
$ systemd-analyze critical-chain sshd.service
1.5.3. hostnamectl¶
hostnamectl命令可用于查看当前的主机信息，当然也可以直接输入hostname来查看，但是当我们 想要修改主机名的时候就显得没那么方便，每次都要找到hostname文件，并将其打开再做修改，hostnamectl 使得我们对主机名的操作更加简便。
#显示当前主机的信息
hostnamectl
#打印信息
Static hostname: lubancat
Icon name: computer
Machine ID: 659b6a06278f4cb1bb8e72711c0f1599
Boot ID: 5d9f025673864297b119225530fc7d38
Operating System: Ubuntu 22.04.4 LTS
Kernel: Linux 5.10.4-tag-
Architecture: riscv64
1.5.4. localectl¶
localectl命令可用于查询与修改系统的本地化(locale)与键盘布局的设置。 它通过与 systemd-localed.service(8) 通信来修改例如 /etc/locale.conf 与 /etc/vconsole.conf 之类的配置文件。本地化设置控制着用户界面的语言、字符类型与字符编码、 日期时间与货币符号的表达方式等许多细节。
#查看本地化设置
localectl
#打印消息
System Locale: LANG=C.UTF-8
VC Keymap: n/a
X11 Layout: n/a
1.5.5. timedatectl¶
timedatectl命令可以查询和更改系统时钟和设置， 你可以使用此命令来设置或更改当前的日期，时间和时区，或实现与远程NTP服务器的自动系统时钟同步。
#查看当前时区设置
timedatectl
#显示所有可用的时区
timedatectl list-timezones
#选择中国上海的时区
timedatectl set-timezone "Asia/Shanghai"
#关闭网络时间同步
timedatectl set-ntp no
#开启网络时间同步
timedatectl set-ntp yes
#设置时间和日期
timedatectl set-time 9:40:20
timedatectl set-time 2021-4-16
在设置时间与日期时要关闭时间同步功能。
1.5.6. loginctl¶
loginctl命令可用于检查和控制systemd的状态；查看已经登录的用户会话消息。
#显示所有会话及属性
loginctl -a
#显示会话配置消息
loginctl show-session
#列出显示指定用户的信息
loginctl show-user root