systemd - 现代 Linux 初始化系统

什么是 systemd

systemd 是现代 Linux 发行版中广泛使用的系统和服务管理器，它作为 PID 1 进程运行，是系统启动后的第一个用户空间进程。systemd 取代了传统的 SysV init 系统，提供了更强大、更灵活的系统管理功能。

核心特性

并行启动：同时启动多个服务，显著提高系统启动速度
依赖管理：基于依赖关系的智能服务启动顺序
按需启动：只在需要时启动服务，节省系统资源
统一管理：统一的服务、挂载点、设备、套接字管理
日志集成：内置的日志系统，提供结构化日志
资源控制：通过 cgroups 实现精细的资源管理

systemd 的优势

特性	传统 init	systemd
启动方式	串行启动	并行启动
配置文件	Shell 脚本	声明式配置
依赖管理	手动管理	自动解析
日志系统	分散管理	统一管理
资源控制	有限支持	完整支持
服务监控	基础功能	高级监控

systemd 架构组件

核心守护进程

1. systemd (PID 1)

主进程，负责系统和服务管理：

bash

# 查看 systemd 状态
sudo systemctl status

# 查看 systemd 版本
systemctl --version

# 分析启动时间
systemd-analyze

# 查看启动链
systemd-analyze critical-chain

2. systemd-journald

日志管理守护进程：

bash

# 查看所有日志
journalctl

# 查看特定服务日志
journalctl -u nginx.service

# 实时查看日志
journalctl -f

# 查看启动日志
journalctl -b

# 查看错误日志
journalctl -p err

# 查看特定时间范围的日志
journalctl --since "2024-01-01" --until "2024-01-02"

3. systemd-logind

登录会话管理：

bash

# 查看当前登录会话
loginctl list-sessions

# 查看用户状态
loginctl show-user $USER

# 查看座位信息
loginctl list-seats

# 终止用户会话
sudo loginctl terminate-user username

4. systemd-networkd

网络配置管理：

bash

# 查看网络状态
networkctl status

# 查看网络接口
networkctl list

# 重新配置网络
sudo networkctl reload

# 查看特定接口状态
networkctl status eth0

5. systemd-resolved

DNS 解析服务：

bash

# 查看 DNS 状态
resolvectl status

# 查询域名
resolvectl query google.com

# 清除 DNS 缓存
sudo resolvectl flush-caches

# 查看 DNS 统计
resolvectl statistics

systemctl 命令详解

基本服务管理

bash

# 启动服务
sudo systemctl start nginx

# 停止服务
sudo systemctl stop nginx

# 重启服务
sudo systemctl restart nginx

# 重新加载配置（不重启服务）
sudo systemctl reload nginx

# 查看服务状态
systemctl status nginx

# 检查服务是否运行
systemctl is-active nginx

# 检查服务是否启用
systemctl is-enabled nginx

服务开机管理

bash

# 启用服务（开机自启）
sudo systemctl enable nginx

# 禁用服务
sudo systemctl disable nginx

# 启用并立即启动
sudo systemctl enable --now nginx

# 禁用并立即停止
sudo systemctl disable --now nginx

# 屏蔽服务（完全禁用）
sudo systemctl mask nginx

# 取消屏蔽
sudo systemctl unmask nginx

系统状态查看

bash

# 查看所有服务状态
systemctl list-units --type=service

# 查看失败的服务
systemctl --failed

# 查看所有已安装的单元文件
systemctl list-unit-files

# 查看依赖关系
systemctl list-dependencies nginx

# 查看服务树
systemctl status --all

服务单元文件详解

单元文件位置

bash

# 系统单元文件
/usr/lib/systemd/system/     # 软件包安装的单元
/etc/systemd/system/         # 系统管理员创建的单元
/run/systemd/system/         # 运行时单元

# 用户单元文件
~/.config/systemd/user/      # 用户自定义单元
/usr/lib/systemd/user/       # 系统提供的用户单元

服务单元文件结构

ini

[Unit]
# 单元描述和依赖关系
Description=My Web Application
Documentation=https://example.com/docs
After=network.target
Requires=network.target
Wants=redis.service
Conflicts=apache2.service

[Service]
# 服务配置
Type=simple
User=webapp
Group=webapp
WorkingDirectory=/opt/webapp
Environment=NODE_ENV=production
EnvironmentFile=/etc/webapp/config
ExecStartPre=/opt/webapp/scripts/pre-start.sh
ExecStart=/opt/webapp/bin/server
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID
ExecStop=/opt/webapp/scripts/stop.sh
Restart=always
RestartSec=5
TimeoutStartSec=30
TimeoutStopSec=30

# 安全设置
PrivateTmp=true
NoNewPrivileges=true
ProtectSystem=strict
ProtectHome=true
ReadWritePaths=/var/log/webapp

# 资源限制
MemoryLimit=512M
CPUQuota=50%
TasksMax=100

[Install]
# 安装配置
WantedBy=multi-user.target
Also=webapp-worker.service

服务类型说明

Type	说明	适用场景
simple	默认类型，ExecStart 进程为主进程	前台运行的服务
forking	服务会 fork 子进程，父进程退出	传统守护进程
oneshot	执行一次性任务后退出	初始化脚本
notify	服务启动后会通知 systemd	支持 sd_notify 的服务
idle	延迟启动直到其他任务完成	避免输出混乱

实际应用示例

示例 1：创建自定义 Web 服务

bash

# 1. 创建服务文件
sudo vim /etc/systemd/system/myapp.service

ini

[Unit]
Description=My Node.js Application
After=network.target

[Service]
Type=simple
User=nodejs
WorkingDirectory=/opt/myapp
Environment=NODE_ENV=production
ExecStart=/usr/bin/node server.js
Restart=always
RestartSec=10

[Install]
WantedBy=multi-user.target

bash

# 2. 重新加载 systemd 配置
sudo systemctl daemon-reload

# 3. 启用并启动服务
sudo systemctl enable --now myapp

# 4. 查看服务状态
systemctl status myapp

示例 2：创建定时任务服务

bash

# 创建服务文件
sudo vim /etc/systemd/system/backup.service

ini

[Unit]
Description=Database Backup Service

[Service]
Type=oneshot
User=backup
ExecStart=/opt/scripts/backup-database.sh

bash

# 创建定时器文件
sudo vim /etc/systemd/system/backup.timer

ini

[Unit]
Description=Run backup daily
Requires=backup.service

[Timer]
OnCalendar=daily
Persistent=true

[Install]
WantedBy=timers.target

bash

# 启用定时器
sudo systemctl enable --now backup.timer

# 查看定时器状态
systemctl list-timers

示例 3：服务依赖管理

bash

# 创建数据库服务
sudo vim /etc/systemd/system/mydb.service

ini

[Unit]
Description=My Database Service
After=network.target

[Service]
Type=forking
User=database
ExecStart=/opt/database/bin/start
PIDFile=/var/run/mydb.pid

[Install]
WantedBy=multi-user.target

bash

# 创建依赖数据库的应用服务
sudo vim /etc/systemd/system/webapp.service

ini

[Unit]
Description=Web Application
After=network.target mydb.service
Requires=mydb.service

[Service]
Type=simple
User=webapp
ExecStart=/opt/webapp/start
Restart=always

[Install]
WantedBy=multi-user.target

高级功能

1. 资源控制 (cgroups)

bash

# 在服务文件中添加资源限制
[Service]
# 内存限制
MemoryLimit=1G
MemoryHigh=800M

# CPU 限制
CPUQuota=50%
CPUWeight=100

# I/O 限制
IOWeight=100
IOReadBandwidthMax=/dev/sda 10M
IOWriteBandwidthMax=/dev/sda 5M

# 进程数限制
TasksMax=50

# 文件描述符限制
LimitNOFILE=1024

2. 安全特性

bash

[Service]
# 私有临时目录
PrivateTmp=true

# 只读文件系统
ProtectSystem=strict
ReadWritePaths=/var/log/myapp

# 隐藏 /home 目录
ProtectHome=true

# 禁止新权限
NoNewPrivileges=true

# 系统调用过滤
SystemCallFilter=@system-service
SystemCallErrorNumber=EPERM

# 网络命名空间
PrivateNetwork=true

# 设备访问控制
PrivateDevices=true
DevicePolicy=closed

3. 环境变量管理

bash

# 在服务文件中设置环境变量
[Service]
# 直接设置
Environment=NODE_ENV=production
Environment=PORT=3000

# 从文件读取
EnvironmentFile=/etc/myapp/config
EnvironmentFile=-/etc/myapp/optional-config

bash

# 环境变量文件示例 (/etc/myapp/config)
NODE_ENV=production
PORT=3000
DB_HOST=localhost
DB_PORT=5432

故障排除

常见问题诊断

bash

# 1. 服务启动失败
systemctl status myapp.service
journalctl -u myapp.service
journalctl -u myapp.service --since "1 hour ago"

# 2. 查看详细错误信息
journalctl -u myapp.service -n 50
journalctl -u myapp.service -f

# 3. 检查配置文件语法
sudo systemd-analyze verify /etc/systemd/system/myapp.service

# 4. 重新加载配置
sudo systemctl daemon-reload

# 5. 重置失败状态
sudo systemctl reset-failed myapp.service

性能分析

bash

# 分析启动时间
systemd-analyze
systemd-analyze blame
systemd-analyze critical-chain

# 生成启动图表
systemd-analyze plot > boot.svg

# 分析特定服务
systemd-analyze critical-chain nginx.service

系统恢复

bash

# 进入救援模式
sudo systemctl rescue

# 进入紧急模式
sudo systemctl emergency

# 切换到多用户模式
sudo systemctl isolate multi-user.target

# 切换到图形模式
sudo systemctl isolate graphical.target

最佳实践

1. 服务设计原则

单一职责：每个服务只负责一个功能
无状态设计：避免依赖本地状态
优雅关闭：正确处理 SIGTERM 信号
健康检查：提供服务健康状态检查
日志规范：使用结构化日志格式

2. 安全配置

bash

# 最小权限原则
[Service]
User=myapp
Group=myapp
SupplementaryGroups=

# 文件系统保护
ProtectSystem=strict
ProtectHome=true
PrivateTmp=true
PrivateDevices=true

# 网络安全
IPAddressDeny=any
IPAddressAllow=localhost
IPAddressAllow=10.0.0.0/8

# 系统调用限制
SystemCallFilter=@system-service
SystemCallErrorNumber=EPERM

3. 监控和维护

bash

#!/bin/bash
# 服务健康检查脚本

services=("nginx" "mysql" "redis")

for service in "${services[@]}"; do
    if systemctl is-active --quiet "$service"; then
        echo "✓ $service is running"
    else
        echo "✗ $service is not running"
        # 发送告警或自动重启
        sudo systemctl start "$service"
    fi
done

# 检查失败的服务
failed_services=$(systemctl --failed --no-legend | wc -l)
if [ "$failed_services" -gt 0 ]; then
    echo "Warning: $failed_services services have failed"
    systemctl --failed
fi

4. 日志管理

bash

# 配置日志轮转
sudo vim /etc/systemd/journald.conf

ini

[Journal]
# 限制日志大小
SystemMaxUse=1G
SystemKeepFree=2G
SystemMaxFileSize=100M

# 日志保留时间
MaxRetentionSec=1month

# 日志压缩
Compress=yes

# 转发到 syslog
ForwardToSyslog=yes

总结

systemd 作为现代 Linux 系统的核心组件，提供了强大而灵活的系统管理功能。通过理解其架构、掌握 systemctl 命令、学会编写服务单元文件，可以有效地管理和维护 Linux 系统。

关键要点：

统一管理：systemd 提供了统一的服务、日志、网络管理接口
并行启动：显著提高系统启动速度和效率
依赖管理：自动处理服务间的依赖关系
资源控制：通过 cgroups 实现精细的资源管理
安全特性：提供多层次的安全保护机制
故障恢复：强大的故障诊断和恢复功能

掌握 systemd 是现代 Linux 系统管理的必备技能，它不仅简化了系统管理工作，还提供了更好的系统可靠性和安全性。

systemd - 现代 Linux 初始化系统 ​

什么是 systemd ​

核心特性 ​

systemd 的优势 ​

systemd 架构组件 ​

核心守护进程 ​

1. systemd (PID 1) ​

2. systemd-journald ​

3. systemd-logind ​

4. systemd-networkd ​

5. systemd-resolved ​

systemctl 命令详解 ​

基本服务管理 ​

服务开机管理 ​

系统状态查看 ​

服务单元文件详解 ​

单元文件位置 ​

服务单元文件结构 ​

服务类型说明 ​

实际应用示例 ​

示例 1：创建自定义 Web 服务 ​

示例 2：创建定时任务服务 ​

示例 3：服务依赖管理 ​

高级功能 ​

1. 资源控制 (cgroups) ​

2. 安全特性 ​

3. 环境变量管理 ​

故障排除 ​

常见问题诊断 ​

性能分析 ​

系统恢复 ​

最佳实践 ​

1. 服务设计原则 ​

2. 安全配置 ​

3. 监控和维护 ​

4. 日志管理 ​

总结 ​

systemd - 现代 Linux 初始化系统

什么是 systemd

核心特性

systemd 的优势

systemd 架构组件

核心守护进程

1. systemd (PID 1)

2. systemd-journald

3. systemd-logind

4. systemd-networkd

5. systemd-resolved

systemctl 命令详解

基本服务管理

服务开机管理

系统状态查看

服务单元文件详解

单元文件位置

服务单元文件结构

服务类型说明

实际应用示例

示例 1：创建自定义 Web 服务

示例 2：创建定时任务服务

示例 3：服务依赖管理

高级功能

1. 资源控制 (cgroups)

2. 安全特性

3. 环境变量管理

故障排除

常见问题诊断

性能分析

系统恢复

最佳实践

1. 服务设计原则

2. 安全配置

3. 监控和维护

4. 日志管理

总结