Systemd 从入门到实战

  • 作者：约克
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前言

本文主要包含内容如下：

  • Systemd 是什么？
  • Systemd 常用命令。
  • Systemd 系统资源 Unit （单位）。
  • Systemd 系统资源管理 - 动手配置，实现开机自启动 Node.js 服务。

一，Systemd 概述

1.1. 基本介绍

Systemd (System Daemon)，根据 Linux 命名惯例，字母 d 是守护进程 daemon 的缩写。如 Systemd 名字的含义一样，它作为 PID 1 进程，守护整个系统。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。

systemd 由 Lennart Poettering 带头开发，并在 LGPL 2.1 及其后续版本许可证下开源发布。systemd 已纳入众多 Linux 发行版的软件源中。

1.2. 特点介绍

缺点是体系庞大，非常复杂。Systemd 的优点是功能强大，使用方便。其优点介绍如下：

  • 更少的进程
    Systemd 提供了服务按需启动的能力。

  • 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。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。

  • 使用 CGroup 跟踪和管理进程的生命周期
    Systemd 提供通过 CGroup 跟踪进程关系。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 提供了一个专用的系统日志管理服务：Journald。其使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。

1.3. 架构图

下图 是 Systemd 的架构图（来自网络）
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二，Systemd 常用命令

Systemd 并不是一个命令，而是一组命令，涉及到系统管理的方方面面，是一系列工具的集合。

2.1. systemctl

systemctl 是 Systemd 的主要命令，用于系统与服务管理。点击查看命令描述文档

  • 命令语法

    $ systemctl [OPTIONS...] COMMAND [UNIT...]

  • 常用命令
    下述命令以 Unit nginx.service 为列，后续会详细介绍 Unit。

    # 重启系统
$ systemctl reboot

# 启用一个或多个单元或单元实例
$ systemctl enable nginx.service

# 禁用一个或多个单位
$ systemctl disable nginx.service

# 重新启用一个或多个单位
$ systemctl reenable nginx.service

# 重新载入 unit 配置
$ systemctl daemon-reload

# 启动 unit 资源  
$ systemctl start nginx.service

# 重启一个服务
$ systemctl restart nginx.service

# 重新加载一个服务的配置文件 
$ systemctl reload nginx.service

# 停止 unit 资源
$ systemctl stop nginx.service

# 查看 unit 资源 状态
$ systemctl status nginx.service

# 杀死一个服务的所有子进程
$ systemctl kill nginx.service

# 命令行输出 unit 配置
$ systemctl cat nginx.service

# 显示 systemd Manager 环境块
$ systemctl show-environment

# 列出 systemd 当前在内存中的 unit
$ systemctl list-units

# 查看 Unit 存在依赖关系
$ systemctl list-dependencies nginx.service

# 显示某个 Unit 的所有底层参数
$ systemctl show nginx.service

2.2. systemd-analyze

systemd-analyze 分析和调试系统管理。点击查看命令描述文档

  • 命令语法

    $ systemd-analyze [OPTIONS...] [time]

$ systemd-analyze [OPTIONS...] blame

$ systemd-analyze [OPTIONS...] critical-chain [UNIT...]

  • 常用命令

    # 查看启动耗时
$ systemd-analyze time

# 查看每个服务的启动耗时
$ systemd-analyze blame

# 显示瀑布状的启动过程流
$ systemd-analyze critical-chain

# 显示指定服务的启动流
$ systemd-analyze critical-chain atd.service

2.3. hostnamectl

hostnamectl 可用于查询和更改系统主机名和相关设置。点击查看命令描述文档

  • 命令语法

    $ hostnamectl [OPTIONS...] {COMMAND}

  • 常用命令

    # 查看主机的信息
$ hostnamectl status

# 设置主机名
$ hostnamectl set-hostname york

2.4. journalctl

journalctl 查询系统日志。点击查看命令描述文档

  • 命令语法

    $ journalctl [OPTIONS...] [MATCHES...]

  • 常用命令

    # 查看所有日志
$ journalctl

# 查看指定 unit 日志
$ journalctl _SYSTEMD_UNIT=httpd.service

# 查看内核日志（不显示应用日志）
$ journalctl -k

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

# 查看上一次启动的日志（需更改设置）
$ journalctl -b -1

# 显示尾部的最新10行日志
$ journalctl -n

# 显示尾部指定行数的日志
$ journalctl -n 20

# 实时滚动显示最新日志
$ journalctl -f

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

# 查看指定进程的日志
$ journalctl _PID=1

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

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

2.5. loginctl

loginctl 系统登陆管理器。点击查看命令描述文档

  • 命令语法

    $ loginctl [OPTIONS...] {COMMAND} [NAME...]

  • 常用命令

    # 列出当前登录用户
$ loginctl list-users

# 列出显示指定用户的信息
$ loginctl show-user root

# 查看 sission 详情
$ loginctl show-session  130423 559 59

2.6. timedatectl

timedatectl 系统时间和日期查看与管理。点击查看命令描述文档

  • 命令语法

    $ timedatectl [OPTIONS...] {COMMAND}

  • 常用命令

    # 查看当前时区设置
$ timedatectl

# 显示所有可用的时区
$ timedatectl list-timezones                                      

# 设置当前时区
$ timedatectl set-timezone America/New_York

三，Systemd 资源

Systemd 可以管理所有系统资源。不同的资源统称为 Unit（单位）。

点击查看 systemd.unit 描述文档
点击查看 systemd.service 描述文档

3.1. Unit 种类

Unit 文件是 ini 风格的纯文本文件。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（如 .service）来区分这些配置文件。支持的 11 种 Unit 文件类型：

# 服务，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
service.service

# 套接字，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
socket.socket

# 设备，对于 /dev 目录下的设备，主要用于定义设备之间的依赖关系
device.device

# 挂载点，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
mount.mount

# 自动挂载点，用于控制自动挂载文件系统，相当于 SysV-init 的 autofs 服务
automount.automount

# 交换分区或交换文件，定义一个用户做虚拟内存的交换分区
swap.swap

# 启动目标，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
target.target

# 被监视的路径，用于监控指定目录或文件的变化，并触发其它 Unit 运行
path.path

# 任务计划，用于配置在特定时间触发的任务，替代了 Crontab 的功能
timer.timer

# 资源控制组，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 
slice.slice

# 一组外部创建的进程，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
scope.scope

3.2. Unit 文件结构

下面这个 foo.service Unit。

# [Unit]区块包含与单元类型无关的通用信息
[Unit]
Description=Foo

# [Service]区块包含服务启动信息
[Service]
ExecStart=/usr/sbin/foo-daemon

# [Install]区块包含单元的启用信息
[Install]
WantedBy=multi-user.target
  • 从上面的输出可以看到，配置文件分成几个区块。每个区块的第一行，是用方括号表示的区别名，比如：[Unit]
  • 区块内容
    每个区块内部是一些等号连接的键值对。
    [Service]
ExecStart=/usr/sbin/foo-daemon
ExecStop=xxx
  • 配置文件注释使用 # 开头
  • 注意事项
    配置文件的区块名和字段名，都是大小写敏感的
    键值对的等号两侧不能有空格。

3.3. [Unit] 区块

Unit 文件中的 [Unit] 区块包含与 Unit 类型无关的通用信息。可用的如下配置指令如下：

Description：有利于人类阅读的、对单元进行简单描述的字符串。

Documentation：一组用空格分隔的文档URI列表， 这些文档是对此单元的详细说明。

Requires：设置此单元所必须依赖的其他单元。

Wants：此选项是 Requires= 的弱化版。

BindsTo：与 Requires= 类似，但是依赖性更强

Before, After：强制指定单元之间的先后顺序，接受一个空格分隔的单元列表。

Conflicts：指定单元之间的冲突关系。表明该单元不能与列表中的任何单元共存

3.4. [Service] 区块

[Service] 区块用来 Service 的配置，只有 Service 类型的 Unit 才有这个区块。包含服务启动信息。可用的如下配置指令如下：

Type：设置进程的启动类型。取值为 simple, exec, forking, oneshot, dbus, notify, idle 之一。

RemainAfterExit：当该服务的所有进程全部退出之后， 是否依然将此服务视为活动(active)状态。 默认值为 no

PIDFile：该服务PID文件的路径(一般位于 /run/ 目录下)。 强烈建议在 Type=forking 的情况下明确设置此选项。

BusName：设置与此服务通信 所使用的 D-Bus 名称。

ExecStart：在启动该服务时需要执行的 命令行(命令+参数)，命令行必须以一个可执行文件(要么是绝对路径、要么是不含任何斜线的文件名)开始， 并且其后的那些参数将依次作为"argv[1] argv[2] …"传递给被执行的进程。

ExecReload：这是一个可选的指令， 用于设置当该服务 被要求重新载入配置时 所执行的命令行。 

ExecStop：这是一个可选的指令， 用于设置当该服务被要求停止时所执行的命令行。 

Restart：当服务进程 正常退出、异常退出、被杀死、超时的时候， 是否重新启动该服务。所谓"服务进程" 是指 ExecStartPre=, ExecStartPost=, ExecStop=, ExecStopPost=, ExecReload= 中设置的进程。

Environment：指定环境变量

User：指定运行服务的用户

Group：指定运行服务的用户组

WorkingDirectory：指定服务的工作目录

3.5. [Install] 区块

[Install] 区块包含单元的启用信息。 当执行命令 systemctl enable 与 disable 操作 Unit 时才会使用此小节。

Alias：启用时使用的别名，可以设为一个空格分隔的别名列表。

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

Also：设置此单元的附属单元，表示当使用 systemctl enable 启用 或 systemctl disable 停用 此单元时， 也同时自动的启用或停用附属单元。

3.6. Unit 文件加载

Systemd 将会从一组在编译时设定好的 Unit 目录 中加载单元文件，目录拥有不同的优先级。高优先级目录中的文件， 将会覆盖低优先级目录中的同名文件。

  • 当 systemd 以系统实例(–system)运行时，加载单元的先后顺序(较前的目录优先级较高)
系统单元目录描述
/run/systemd/transient动态配置的临时单元(系统与全局用户共用)
/etc/systemd/system本地配置的系统单元
/run/systemd/system运行时配置的系统单元
/usr/lib/systemd/system本地软件包安装的系统单元
/usr/lib/systemd/system发行版软件包安装的系统单元
  • 当 systemd 以用户实例(–user)运行时，加载单元的先后顺序(较前的目录优先级较高)
系统单元目录描述
/etc/systemd/user本地配置的全局用户单元
/run/systemd/user运行时配置的全局用户单元
/usr/lib/systemd/user本地软件包安装的全局用户单元
/usr/lib/systemd/user发行版软件包安装的全局用户单元

3.7. 设置开机启动

可使用 systemctl enable 命令激活 Unit 开机启动。

Systemd 默认从目录 /etc/systemd/system/ 读取配置文件。但是，里面存放的大部分文件都是符号链接，指向目录 /usr/lib/systemd/system/，真正的配置文件存放在这个目录。

systemctl enable 命令用于在上面两个目录之间，建立符号链接关系。

# 激活开机启动
$ systemctl enable koa.service

# 等同于
$ ln -s '/usr/lib/systemd/system/koa.service' '/etc/systemd/system/multi-user.target.wants/koa.service'

四，Systemd 资源管理

该节使用 Systemd 管理 Node.js 应用，实现应用的开机自启动。

4.1. Node.js 应用

新建文件 /data/app/node.js/node-systemd-demo/app.js，其内容如下。

const http = require('http');

http.createServer((request, response) => {
    response.write('Systemd 从入门到实战');
    response.end();
}).listen(8091);

4.2. 配置 Unit

配置 Systemd 的 Unit 文件，用于管理 Node.js 应用。新建文件 /usr/lib/systemd/system/node-demo.service，其内容如下：

#!/bin/bash
# 服务说明
[Unit]
# 服务描述
Description=node-systemd-demo
# 前置需要启动的服务
After=sysinit.target

# 服务启动行为
[Service]
# 服务类型
Type=simple
ExecStart=/usr/local/services/nodejs/bin/node /data/app/node.js/node-systemd-demo/app.js 
# 设置预加载变量
Environment="PATH=/usr/local/services/nodejs/bin:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/root/.ft:/root/bin"
# 执行用户
User=root
# 执行用户组
Group=root
WorkingDirectory=/data/app/node.js/node-systemd-demo

# 服务开机启动安装目标
[Install]
# 表示该服务所在的 Target
WantedBy=multi-user.targe

4.3. 启动应用

使用 Systemd 启动运行 node-demo.service，执行下命令：

# 设置可执行权限
$ chmod +x /usr/lib/systemd/system/node-demo.service

# 重新载入 Unit 配置
$ systemctl daemon-reload

# 启动 Unit 服务
$ systemctl start node-demo.service

# 查看 Unit 服务状态
$ systemctl status node-demo.service

# 请求 node-systemd-demo 服务
$ curl -v http://127.0.0.1:8091

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4.4. 设置开机启动

使用 Systemd 配置 node-demo.service 服务开机启动，执行下命令：

# 激活开机启动
$ systemctl enable node-demo.service

# 或者 ln 激活开机启动
ln -s /usr/lib/systemd/system/node-demo.service /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/

# 重启 linux  
$ reboot

激活开机启动后，会在 /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/ 目录中添加 node-demo.service 软链接。
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执行 reboot 后，执行命令 systemctl status node-demo.service 查看服务状态。
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参考