1. Systemd
1.1 前言
历史上，Linux 的启动一直采用init进程。 Systemd 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 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。
1.2 特点
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。
1.3 Unit 和 Target
Unit 是 Systemd 管理系统资源的基本单元，可以认为每个系统资源就是一个 Unit，并使用一个 Unit 文件定义。在 Unit 文件中需要包含相应服务的描述、属性以及需要运行的命令。
Target 是 Systemd 中用于指定系统资源启动组的方式，相当于 SysV-init 中的运行级别。
简单说，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。
1.4 Systemd 目录
Unit 文件按照 Systemd 约定，应该被放置指定的三个系统目录之一中。这三个目录是有优先级的，如下所示，越靠上的优先级越高。因此，在三个目录中有同名文件的时候，只有优先级最高的目录里的那个文件会被使用。
- /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。
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那个目录。
2. Unit
Systemd 可以管理所有系统资源：将系统资源划分为12类。将每个系统资源称为一个 Unit。
Unit 是 Systemd 管理系统资源的基本单位。使用一个 Unit File 作为 Unit 的单元文件，Systemd 通过单元文件控制 Unit 的启动。
例如，MySQL服务被 Systemd 视为一个 Unit，使用一个 mysql.service 作为启动配置文件
2.1 Unit File
Systemd 将系统资源划分为12类，对应12种类型的单元文件
| 系统资源类型 | 单元文件扩展名 | 单元文件描述 | 备注 |
|---|---|---|---|
| Service | .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 | 系统服务 |
| Target | .target | 定义 target 信息及依赖关系，一般仅包含 Unit 段 | 多个 Unit 构成的一个组 |
| Device | .device | 对于 /dev 目录下的硬件设备，主要用于定义设备之间的依赖关系 | 硬件设备 |
| Mount | .mount | 定义文件系统的挂载点，可以替代过去的 /etc/fstab 配置文件 | 文件系统的挂载点 |
| Automount | .automount | 用于控制自动挂载文件系统，相当于 SysV-init 的 autofs 服务 | 自动挂载点 |
| Path | .path | 用于监控指定目录或文件的变化，并触发其它 Unit 运行 | 文件或路径 |
| Scope | .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 | 不是由 Systemd 启动的外部进程 |
| Slice | .slice | 用于表示一个 CGroup 的树 | 进程组 |
| Snapshot | .snapshot | 用于表示一个由 systemctl snapshot 命令创建的 Systemd Units 运行状态快照，可以切回某个快照 | Systemd 快照，可以切回某个快照 |
| Socket | .socket | 监控来自于系统或网络的数据消息 | 进程间通信的 socket |
| Swap | .swap | 定义一个用户做虚拟内存的交换分区 | swap 文件 |
| Timer | .timer | 用于配置在特定时间触发的任务，替代了 Crontab 的功能 | 定时器 |
对于操作单元文件的命令，如果缺省扩展名，则默认.service扩展名
2.2 语法
先看一个示例
1 | [Unit] |
Unit 文件可以分为三个配置区段：
- Unit 段：所有 Unit 文件通用，用来定义 Unit 的元数据，以及配置与其他 Unit 的关系
- 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执行动作
- Install 段：所有 Unit 文件通用，用来定义如何启动，以及是否开机启动
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
单元文件中的区段名和字段名大小写敏感, 每个区段内都是一些等号连接的键值对（键值对的等号两侧不能有空格）
2.3 Unit 段
Unit 通常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。
Description：当前服务的简单描述Documentation：文档地址，可以是一个或多个文档的 URL 路径Requires：与其它 Unit 的强依赖关系，如果其中任意一个 Unit 启动失败或异常退出，当前 Unit 也会被退出Wants：与其它 Unit 的弱依赖关系，如果其中任意一个 Unit 启动失败或异常退出，不影响当前 Unit 继续执行After：该字段指定的 Unit 全部启动完成以后，才会启动当前 UnitBefore：该字段指定的 Unit 必须在当前 Unit 启动完成之后再启动Binds To：与 Requires 相似，该字段指定的 Unit 如果退出，会导致当前 Unit 停止运行Part Of：一个 Bind To 作用的子集，仅在列出的 Unit 失败或重启时，终止或重启当前 Unit，而不会随列出Unit 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
2.4 Install段
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。
WantedBy：它的值是一个或多个 target，执行enable命令时，符号链接会放入/etc/systemd/system目录下以 target 名 +.wants后缀构成的子目录中RequiredBy：它的值是一个或多个 target，执行enable命令时，符号链接会放入/etc/systemd/system目录下以 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 被 enable/disable 时，会被同时操作的其他 Unit
2.5 Service段
Service 用来 Service 的配置，只有 Service 类型的 Unit 才有这个区块。
2.5.1 启动类型
Type：定义启动时的进程行为。它有以下几种值。
Type=simple：默认值，ExecStart字段启动的进程为主进程
服务进程不会 fork，如果该服务要启动其他服务，不要使用此类型启动，除非该服务是 socket 激活型Type=forking：ExecStart字段将以fork()方式从父进程创建子进程启动，创建后父进程会立即退出，子进程成为主进程。
通常需要指定PIDFile字段，以便 Systemd 能够跟踪服务的主进程对于常规的守护进程（daemon），除非你确定此启动方式无法满足需求，使用此类型启动即可
Type=oneshot：只执行一次，Systemd 会等当前服务退出，再继续往下执行, 适用于只执行一项任务、随后立即退出的服务
通常需要指定RemainAfterExit=yes字段，使得 Systemd 在服务进程退出之后仍然认为服务处于激活状态Type=dbus：当前服务通过 D-Bus 信号启动。当指定的 BusName 出现在 DBus 系统总线上时，Systemd认为服务就绪
Type=notify：当前服务启动完毕会发出通知信号，通知 Systemd，然后 Systemd 再启动其他服务
Type=idle：Systemd 会等到其他任务都执行完，才会启动该服务。一种使用场合是：让该服务的输出，不与其他服务的输出相混合
2.5.2 启动行为
ExecStart：启动当前服务的命令1
2
3ExecStart=/bin/echo execstart1
ExecStart=
ExecStart=/bin/echo execstart2顺序执行设定的命令，把字段置空，表示清除之前的值
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：停止当前服务之后执行的命令RemainAfterExit：当前服务的所有进程都退出的时候，Systemd 仍认为该服务是激活状态, 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
TimeoutSec：定义 Systemd 停止当前服务之前等待的秒数
2.5.3 重启行为
RestartSec：Systemd 重启当前服务间隔的秒数KillMode：定义 Systemd 如何停止服务，可能的值包括：
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（sshd 服务，推荐值）
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：定义何种情况 Systemd 会自动重启当前服务，可能的值包括：
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（守护进程，推荐值）
on-abnormal：只有被信号终止和超时，才会重启（对于允许发生错误退出的服务，推荐值）
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
2.5.4 上下文
PIDFile：指向当前服务 PID file 的绝对路径。User：指定运行服务的用户Group：指定运行服务的用户组EnvironmentFile：指定当前服务的环境参数文件。该文件内部的key=value键值对，可以用$key的形式，在当前配置文件中获取启动
sshd，执行的命令是/usr/sbin/sshd -D $OPTIONS，其中的变量$OPTIONS就来自EnvironmentFile字段指定的环境参数文件。
2.6 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，然后在实际运行中动态地替换为实际的值。
- %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
2.7 模板
在现实中，往往有一些应用需要被复制多份运行，就会用到模板文件
模板文件的写法与普通单元文件基本相同，只是模板文件名是以 @ 符号结尾。例如：apache@.service
通过模板文件启动服务实例时，需要在其文件名的 @ 字符后面附加一个用于区分服务实例的参数字符串，通常这个参数是用于监控的端口号或控制台 TTY 编译号
1 | systemctl start apache@8080.service |
Systemd 在运行服务时，首先寻找跟单元名完全匹配的单元文件，如果没有找到，才会尝试选择匹配模板
例如上面的命令，System 首先会在约定的目录下寻找名为 apache@8080.service 的单元文件，如果没有找到，而文件名中包含 @ 字符，它就会尝试去掉后缀参数匹配模板文件。对于 apache@8080.service，Systemd 会找到 apache@.service 模板文件，并通过这个模板文件将服务实例化。
3. 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。
在传统的 SysV-init 启动模式里面，有 RunLevel 的概念，跟 Target 的作用很类似。不同的是，RunLevel 是互斥的，不可能多个 RunLevel 同时启动，但是多个 Target 可以同时启动。
3.1 target vs sysv-init
- 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。
runlevel是 SysV init 初始化系统中的概念，在Systemd初始化系统中使用的是 Target，他们之间的映射关系是
| Runlevel | Target | 说明 |
|---|---|---|
| 0 | poweroff.target | 关闭系统 |
| 1 | rescue.target | 维护模式 |
| 2,3,4 | multi-user.target | 多用户，无图形系统（命令行界面） |
| 5 | graphical.target | 多用户，图形化系统（图形用户界面） |
| 6 | reboot.target | 重启系统 |
3.2 target vs unit
如果一个target只包含一个Unit，那么该 target，没有对应的目录，指的就是这个 Unit, 例如 hibernate.target只包含 systemd-hibernate.service一个Unit.
如果一个target包含多个Unit，那么该target，有对应的 xxx.target.wants 目录，指的是目录里面所有的Unit, 例如multi-user.target 包含位于/etc/systemd/system/multi-user.target.wants目录下的多个 Unit.
3.3 target 命令
1 | # 查看当前系统的所有 Target |
3.4 启动过程
- 读入
/boot目录下的内核文件 - 内核文件加载完之后，开始执行第一个程序
/sbin/init初始化进程，由 Systemd 初始化系统引导，完成相关的初始化工作 - Systemd 执行
default.target，获知设定的启动 target (查看默认 target:systemctl get-default) - Systemd 执行启动 target 对应的单元文件。根据单元文件中定义的[依赖关系](https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/bootup.html#System Manager Bootup)，传递控制权，依次执行其他 target 单元文件，同时启动每个 target 包含的单元
4. 命令
4.1 系统管理命令
systemctl是 Systemd 的主命令，用于管理系统。
1 | # 重启系统 |
systemd-analyze命令用于查看启动耗时。
1 | # 查看启动耗时 |
4.2 查看配置文件
1 | # 列出所有配置文件 |
4.3 查看系统Unit
1 | # 列出正在运行的 Unit |
4.4 查看 Unit 的状态
1 | # 显示系统状态 |
4.5 Unit 的管理
1 | # 立即启动一个服务 |
4.6 查看 Unit 的依赖关系
1 | # 列出一个 Unit 的所有依赖，默认不会列出 target 类型 |
4.7 服务的生命周期
当一个新的 Unit 文件被放入 /etc/systemd/system/ 或 /usr/lib/systemd/system/ 目录中时，它是不会被自识识别的。
服务的激活
- systemctl enable：在 /etc/systemd/system/ 建立服务的符号链接，指向 /usr/lib/systemd/system/ 中
- systemctl start：依次启动定义在 Unit 文件中的 ExecStartPre、ExecStart 和 ExecStartPost 命令
服务的启动和停止
- systemctl start：依次启动定义在 Unit 文件中的 ExecStartPre、ExecStart 和 ExecStartPost 命令
- systemctl stop：依次停止定义在 Unit 文件中的 ExecStopPre、ExecStop 和 ExecStopPost 命令
- systemctl restart：重启服务
- systemctl kill：立即杀死服务
服务的开机启动和取消
- systemctl enable：除了激活服务以外，也可以置服务为开机启动
- systemctl disable：取消服务的开机启动
服务的修改和移除
systemctl daemon-reload：Systemd 会将 Unit 文件的内容写到缓存中，因此当 Unit 文件被更新时，需要告诉 Systemd 重新读取所有的 Unit 文件
systemctl reset-failed：移除标记为丢失的 Unit 文件。在删除 Unit 文件后，由于缓存的关系，即使通过 daemon-reload 更新了缓存，在 list-units 中依然会显示标记为 not-found 的 Unit。
4.8 systemctl 与 service 命令的区别
- systemctl 融合了 service 和 chkconfig 的功能
- 在 Ubuntu18.04 中没有自带 chkconfig 命令；service 命令实际上重定向到 systemctl 命令
| 动作 | SysV Init 指令 | Systemd 指令 |
|---|---|---|
| 启动某服务 | service httpd start | systemctl start httpd |
| 停止某服务 | service httpd stop | systemctl stop httpd |
| 重启某服务 | service httpd restart | systemctl restart httpd |
| 检查服务状态 | service httpd status | systemctl status httpd |
| 删除某服务 | chkconfig –del httpd | 停掉应用，删除其配置文件 |
| 使服务开机自启动 | chkconfig –level 5 httpd on | systemctl enable httpd |
| 使服务开机不自启动 | chkconfig –level 5 httpd off | systemctl disable httpd |
| 查询服务是否开机自启 | chkconfig –list | grep httpd | systemctl is-enabled httpd |
| 加入自定义服务 | chkconfig –add test | systemctl load test |
| 显示所有已启动的服务 | chkconfig –list | systemctl list-unit-files | grep enabled |
5. system 工具集
systemctl：用于检查和控制各种系统服务和资源的状态
bootctl：用于查看和管理系统启动分区
hostnamectl：用于查看和修改系统的主机名和主机信息
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5# 显示当前主机的信息
$ hostnamectl
# 设置主机名。
$ sudo hostnamectl set-hostname levonflyjournalctl：用于查看系统日志和各类应用服务日志
localectl：用于查看和管理系统的地区信息
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6# 查看本地化设置
$ localectl
# 设置本地化参数。
$ sudo localectl set-locale LANG=en_GB.utf8
$ sudo localectl set-keymap en_GBloginctl：用于管理系统已登录用户和 Session 的信息
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8# 列出当前session
$ loginctl list-sessions
# 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 ruanyfmachinectl：用于操作 Systemd 容器
timedatectl：用于查看和管理系统的时间和时区信息
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10# 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
$ sudo timedatectl set-timezone America/New_York
$ sudo timedatectl set-time YYYY-MM-DD
$ sudo timedatectl set-time HH:MM:SSsystemd-analyze 显示此次系统启动时运行每个服务所消耗的时间，可以用于分析系统启动过程中的性能瓶颈
systemd-ask-password：辅助性工具，用星号屏蔽用户的任意输入，然后返回实际输入的内容
systemd-cat：用于将其他命令的输出重定向到系统日志
systemd-cgls：递归地显示指定 CGroup 的继承链
systemd-cgtop：显示系统当前最耗资源的 CGroup 单元
systemd-escape：辅助性工具，用于去除指定字符串中不能作为 Unit 文件名的字符
systemd-hwdb：Systemd 的内部工具，用于更新硬件数据库
systemd-delta：对比当前系统配置与默认系统配置的差异
systemd-detect-virt：显示主机的虚拟化类型
systemd-inhibit：用于强制延迟或禁止系统的关闭、睡眠和待机事件
systemd-machine-id-setup：Systemd 的内部工具，用于给 Systemd 容器生成 ID
systemd-notify：Systemd 的内部工具，用于通知服务的状态变化
systemd-nspawn：用于创建 Systemd 容器
systemd-path：Systemd 的内部工具，用于显示系统上下文中的各种路径配置
systemd-run：用于将任意指定的命令包装成一个临时的后台服务运行
systemd-stdio- bridge：Systemd 的内部 工具，用于将程序的标准输入输出重定向到系统总线
systemd-tmpfiles：Systemd 的内部工具，用于创建和管理临时文件目录
systemd-tty-ask-password-agent：用于响应后台服务进程发出的输入密码请求
