Systemd：现代 Linux 系统服务管理的核心
引言
Systemd 是一种现代的系统和服务管理器，用于在 Linux 系统启动时初始化用户空间，并通过服务管理和资源控制实现系统的自动化管理。自发布以来，Systemd 已逐渐取代传统的 SysVinit 和 Upstart，成为主流 Linux 发行版的默认初始化系统。它通过并行化启动、服务依赖管理、事件驱动的服务监控、日志管理等功能，为 Linux 系统带来了更高效和更现代化的管理能力。
本文将详细介绍 Systemd 的结构和工作原理，核心组件及其功能，并提供常用命令和应用示例，以帮助读者更好地理解和应用 Systemd。
Systemd 的历史背景
在 Systemd 出现之前，传统的 Linux 初始化系统大多基于 SysVinit。SysVinit 使用一系列脚本（/etc/rc 脚本）顺序地启动和停止服务，启动过程相对较慢且难以管理复杂的依赖关系。而随着 Linux 系统的应用场景不断扩展，现代服务管理系统逐渐显现出对更高效、更灵活的需求。2010 年，由 Lennart Poettering 等人在 Red Hat 的支持下开发了 Systemd，旨在改进和取代传统的 SysVinit，提供更强大的服务管理功能。
Systemd 的设计目标
Systemd 的设计目标在于通过以下几点显著提升 Linux 系统的启动效率和管理体验：
- 并行启动：Systemd 支持服务的并行启动，以减少系统启动时间。
- 服务依赖管理：Systemd 自动分析服务之间的依赖关系，确保按依赖顺序启动。
- 事件驱动的服务管理：Systemd 基于事件的机制来启动和停止服务，使服务在需要时自动启动。
- 集成的日志系统：Systemd 内置
journald日志系统，可以统一记录和管理服务日志。
Systemd 的核心组件
Systemd 包含多个组件，这些组件协同工作以提供系统和服务管理功能。以下表格简要列出了 Systemd 的核心组件及其功能：
| 组件 | 作用 |
|---|---|
systemd | Systemd 的主进程，负责系统初始化和服务管理。 |
systemctl | Systemd 的命令行工具，用于控制和管理服务。 |
journald | Systemd 的日志管理组件，收集和管理系统日志。 |
logind | 用户登录和会话管理组件，用于管理用户会话。 |
networkd | 网络管理组件，管理网络接口和连接。 |
resolved | DNS 解析组件，提供域名解析服务。 |
timesyncd | 时间同步组件，用于同步系统时间。 |
udevd | 设备管理器，管理设备的插拔事件。 |
timedated | 管理系统时间和时区设置。 |
coredumpd | 收集系统中的崩溃报告。 |
Systemd 的配置结构
Systemd 采用配置文件的方式来定义服务、目标、挂载点等。其配置文件主要位于 /etc/systemd/system 和 /lib/systemd/system 目录下，并以 .service、.target 等后缀文件来表示不同类型的配置单元（unit）。这些配置单元分为几种主要类型：
- 服务单元（.service）：用于定义系统服务，描述服务的启动、停止和状态管理。
- 目标单元（.target）：用于将多个单元组合在一起，形成启动目标，例如
multi-user.target。 - 挂载单元（.mount）：用于定义文件系统的挂载。
- 计时单元（.timer）：用于替代
cron来实现定时任务。
以下是典型的 .service 单元文件结构及各字段的含义：
[Unit]
Description=Example Service
After=network.target
[Service]
ExecStart=/usr/bin/example-service
Restart=on-failure
[Install]
WantedBy=multi-user.target
- Description：服务描述。
- After：定义服务的启动顺序，表示应在
network.target后启动。 - ExecStart：定义服务启动时执行的命令。
- Restart：定义服务的重启策略。
- WantedBy：指定服务属于哪个目标，
multi-user.target是一个常用的多用户目标。
Systemd 常用命令
systemctl 是 Systemd 的主要命令行工具，用于启动、停止、重启和检查服务状态等操作。以下表格列出了常用的 systemctl 命令：
| 命令 | 作用 |
|---|---|
systemctl start <service> | 启动指定服务。 |
systemctl stop <service> | 停止指定服务。 |
systemctl restart <service> | 重启指定服务。 |
systemctl enable <service> | 设置服务为开机启动。 |
systemctl disable <service> | 禁用服务的开机启动。 |
systemctl status <service> | 查看服务状态和日志。 |
systemctl list-units --type=service | 列出所有正在运行的服务。 |
systemctl is-enabled <service> | 检查服务是否设置为开机启动。 |
systemctl daemon-reload | 重载 Systemd 配置，用于应用新的配置更改。 |
journalctl -u <service> | 查看指定服务的日志。 |
Systemd 的并行启动与服务依赖管理
Systemd 通过分析服务之间的依赖关系，实现了服务的并行启动。它通过 Before= 和 After= 等字段在单元文件中定义依赖关系，从而确保服务按照正确的顺序启动。此外，Systemd 还支持动态依赖分析，即当某些服务在系统启动过程中临时需要时，可以在启动期间自动添加或移除依赖，从而优化系统资源使用。
服务依赖示例
例如，在一个 web 服务（web.service）中，我们希望其在网络启动后再启动，可以使用以下配置：
[Unit]
Description=Web Service
After=network.target
Requires=network.target
这里 After=network.target 指示 web.service 应在网络服务后启动，而 Requires=network.target 则确保网络服务作为其依赖关系。
Systemd 日志管理与 journald
Systemd 内置的 journald 组件用来管理和记录系统的日志信息，它不仅替代了传统的 syslog，还提供了更强大的日志功能。journald 将日志记录在二进制日志文件中，可以通过 journalctl 命令查看。
常用 journalctl 命令
| 命令 | 作用 |
|---|---|
journalctl | 查看所有系统日志。 |
journalctl -b | 查看当前引导期间的日志。 |
journalctl -u <service> | 查看指定服务的日志。 |
journalctl --since "1 hour ago" | 查看最近一小时的日志。 |
journalctl -p err | 查看错误级别的日志。 |
journalctl --disk-usage | 显示日志使用的磁盘空间。 |
Systemd 与嵌入式系统的应用
Systemd 在嵌入式 Linux 系统中也得到了广泛应用，它的模块化设计和服务管理特性使其适合用于资源受限的嵌入式环境。在嵌入式系统中，Systemd 的优势包括：
- 快速启动：通过并行化启动减少系统启动时间。
- 精确控制服务生命周期：可以灵活设置服务的启动顺序和依赖关系。
- 轻量化的日志管理：通过
journald提供日志管理，便于调试和监控。
嵌入式系统中的应用示例
在一台嵌入式设备中，我们可能需要定义一个网络监控服务。可以通过以下 .service 文件来实现：
[Unit]
Description=Network Monitor Service
After=network.target
[Service]
ExecStart=/usr/bin/net-monitor
Restart=always
[Install]
WantedBy=multi-user.target
这里，After=network.target 确保网络服务启动后再启动网络监控服务，Restart=always 表示服务异常停止时会自动重启
Systemd 命令详解
Systemd 提供了丰富的命令行工具用于管理系统服务、定时任务、挂载点等，其中最常用的工具是 systemctl 和 journalctl。这些命令提供了强大的服务控制、状态查看和日志管理功能，方便系统管理员对系统进行全面管理。
常用 systemctl 命令
systemctl 是 Systemd 的主要命令行工具，用于控制和管理服务、查看服务状态、设置开机启动、重载配置等。以下是一些常用 systemctl 命令：
| 命令 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
systemctl start <service> | 启动服务。 | systemctl start nginx |
systemctl stop <service> | 停止服务。 | systemctl stop nginx |
systemctl restart <service> | 重启服务。 | systemctl restart nginx |
systemctl reload <service> | 重载服务的配置而不停止服务。 | systemctl reload nginx |
systemctl enable <service> | 设置服务为开机启动。 | systemctl enable nginx |
systemctl disable <service> | 禁用服务的开机启动。 | systemctl disable nginx |
systemctl status <service> | 查看服务的状态，包括服务运行状态和最近日志。 | systemctl status nginx |
systemctl list-units --type=service | 列出所有已启动的服务。 | systemctl list-units --type=service |
systemctl is-enabled <service> | 检查服务是否设置为开机启动。 | systemctl is-enabled nginx |
systemctl daemon-reload | 重载Systemd配置（在修改服务文件后需要执行）。 | systemctl daemon-reload |
systemctl mask <service> | 禁止服务启动，甚至阻止手动启动。 | systemctl mask nginx |
systemctl unmask <service> | 取消对服务的屏蔽，允许启动服务。 | systemctl unmask nginx |
这些命令可以帮助系统管理员快速启停服务、查看服务状态并配置服务的开机启动行为，确保系统中各个服务运行的可靠性和稳定性。
常用 journalctl 日志管理命令
Systemd 内置的 journald 组件用来管理系统日志信息，journalctl 命令提供了多种日志过滤、查看和分析功能。以下是一些常用的 journalctl 命令：
| 命令 | 描述 | 示例 |
|---|---|---|
journalctl | 查看所有系统日志。 | journalctl |
journalctl -b | 查看当前启动以来的系统日志。 | journalctl -b |
journalctl -u <service> | 查看指定服务的日志。 | journalctl -u nginx |
journalctl -f | 实时跟踪日志输出。 | journalctl -f |
journalctl --since "YYYY-MM-DD HH:MM:SS" | 查看从指定时间开始的日志。 | journalctl --since "2023-01-01 00:00:00" |
journalctl -p <priority> | 查看特定优先级的日志，priority 范围为 0（紧急）到 7（调试）。 | journalctl -p err 查看错误日志 |
journalctl --disk-usage | 显示日志占用的磁盘空间。 | journalctl --disk-usage |
journalctl -o verbose | 以详细模式显示日志条目。 | journalctl -o verbose |
journalctl -k | 查看内核日志。 | journalctl -k |
journalctl 提供了按服务、时间、优先级等多种过滤方式，帮助管理员快速定位系统中的错误或异常行为，便于调试和分析系统问题。
使用示例
以下是一些常用的 systemctl 和 journalctl 组合使用示例：
-
启动服务并查看状态：
systemctl start apache2 systemctl status apache2 -
设置服务为开机启动并查看是否启用：
systemctl enable apache2 systemctl is-enabled apache2 -
查看指定服务的日志：
journalctl -u apache2 -
查看系统引导期间的错误日志：
journalctl -b -p err -
实时监控系统日志：
journalctl -f -
重启服务后查看其最近的日志：
systemctl restart nginx journalctl -u nginx -n 20 # 查看最近的20条日志
通过这些命令，系统管理员可以轻松控制服务的启动、停止和状态查看，同时借助 journalctl 实现高效的日志管理，从而确保系统的高效运行和问题的快速定位与解决。
