Systemd 的简介和特点Systemd 是 Linux 系统中最新的初始化系统（init），它主要的设计目标是克服 sysvinit 固有的缺点，提高系统的启动速度。systemd 和 ubuntu 的 upstart 是竞争对手，预计会取代 UpStart，实际上在作者写作本文时，已经有消息称 Ubuntu 也将采用 systemd 作为其标准的系统初始化系统。 Systemd 的很多概念来源于苹果 Mac OS 操作系统上的 launchd，不过 launchd 专用于苹果系统，因此长期未能获得应有的广泛关注。Systemd 借鉴了很多 launchd 的思想，它的重要特性如下： 同 SysVinit 和 LSB init scripts 兼容Systemd 是一个"新来的"，Linux 上的很多应用程序并没有来得及为它做相应的改变。和 UpStart 一样，systemd 引入了新的配置方式，对应用程序的开发也有一些新的要求。如果 systemd 想替代目前正在运行的初始化系统，就必须和现有程序兼容。任何一个 Linux 发行版都很难为了采用 systemd 而在短时间内将所有的服务代码都修改一遍。 Systemd 提供了和 Sysvinit 以及 LSB initscripts 兼容的特性。系统中已经存在的服务和进程无需修改。这降低了系统向 systemd 迁移的成本，使得 systemd 替换现有初始化系统成为可能。 更快的启动速度Systemd 提供了比 UpStart 更激进的并行启动能力，采用了 socket / D-Bus activation 等技术启动服务。一个显而易见的结果就是：更快的启动速度。 为了减少系统启动时间，systemd 的目标是：
同样地，UpStart 也试图实现这两个目标。UpStart 采用事件驱动机制，服务可以暂不启动，当需要的时候才通过事件触发其启动，这符合第一个设计目标；此外，不相干的服务可以并行启动，这也实现了第二个目标。 下面的图形演示了 UpStart 相对于 SysVInit 在并发启动这个方面的改进： 图 1. UpStart 对 SysVinit 的改进
假设有 7 个不同的启动项目， 比如 JobA、Job B 等等。在 SysVInit 中，每一个启动项目都由一个独立的脚本负责，它们由 sysVinit 顺序地，串行地调用。因此总的启动时间为 T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7。其中一些任务有依赖关系，比如 A,B,C,D。 而 Job E 和 F 却和 A,B,C,D 无关。这种情况下，UpStart 能够并发地运行任务{E，F，(A,B,C,D)}，使得总的启动时间减少为 T1+T2+T3。 这无疑增加了系统启动的并行性，从而提高了系统启动速度。但是在 UpStart 中，有依赖关系的服务还是必须先后启动。比如任务 A,B,(C,D)因为存在依赖关系，所以在这个局部，还是串行执行。 让我们例举一些例子， Avahi 服务需要 D-Bus 提供的功能，因此 Avahi 的启动依赖于 D-Bus，UpStart 中，Avahi 必须等到 D-Bus 启动就绪之后才开始启动。类似的，livirtd 和 X11 都需要 HAL 服务先启动，而所有这些服务都需要 syslog 服务记录日志，因此它们都必须等待 syslog 服务先启动起来。然而 httpd 和他们都没有关系，因此 httpd 可以和 Avahi 等服务并发启动。 Systemd 能够更进一步提高并发性，即便对于那些 UpStart 认为存在相互依赖而必须串行的服务，比如 Avahi 和 D-Bus 也可以并发启动。从而实现如下图所示的并发启动过程： 图 2. systemd 的并发启动
所有的任务都同时并发执行，总的启动时间被进一步降低为 T1。 可见 systemd 比 UpStart 更进一步提高了并行启动能力，极大地加速了系统启动时间。 systemd 提供按需启动能力当 sysvinit 系统初始化的时候，它会将所有可能用到的后台服务进程全部启动运行。并且系统必须等待所有的服务都启动就绪之后，才允许用户登录。这种做法有两个缺点：首先是启动时间过长；其次是系统资源浪费。 某些服务很可能在很长一段时间内，甚至整个服务器运行期间都没有被使用过。比如 CUPS，打印服务在多数服务器上很少被真正使用到。您可能没有想到，在很多服务器上 SSHD 也是很少被真正访问到的。花费在启动这些服务上的时间是不必要的；同样，花费在这些服务上的系统资源也是一种浪费。 Systemd 可以提供按需启动的能力，只有在某个服务被真正请求的时候才启动它。当该服务结束，systemd 可以关闭它，等待下次需要时再次启动它。 Systemd 采用 Linux 的 Cgroup 特性跟踪和管理进程的生命周期init 系统的一个重要职责就是负责跟踪和管理服务进程的生命周期。它不仅可以启动一个服务，也必须也能够停止服务。这看上去没有什么特别的，然而在真正用代码实现的时候，您或许会发现停止服务比一开始想的要困难。 服务进程一般都会作为精灵进程（daemon）在后台运行，为此服务程序有时候会派生(fork)两次。在 UpStart 中，需要在配置文件中正确地配置 expect 小节。这样 UpStart 通过对 fork 系统调用进行计数，从而获知真正的精灵进程的 PID 号。比如图 3 所示的例子： 图 3. 找到正确 pid
如果 UpStart 找错了，将 p1`作为服务进程的 Pid，那么停止服务的时候，UpStart 会试图杀死 p1`进程，而真正的 p1``进程则继续执行。换句话说该服务就失去控制了。 还有更加特殊的情况。比如，一个 CGI 程序会派生两次，从而脱离了和 Apache 的父子关系。当 Apache 进程被停止后，该 CGI 程序还在继续运行。而我们希望服务停止后，所有由它所启动的相关进程也被停止。 为了处理这类问题，UpStart 通过 strace 来跟踪 fork、exit 等系统调用，但是这种方法很笨拙，且缺乏可扩展性。systemd 则利用了 Linux 内核的特性即 CGroup 来完成跟踪的任务。当停止服务时，通过查询 CGroup，systemd 可以确保找到所有的相关进程，从而干净地停止服务。 CGroup 已经出现了很久，它主要用来实现系统资源配额管理。CGroup 提供了类似文件系统的接口，使用方便。当进程创建子进程时，子进程会继承父进程的 CGroup。因此无论服务如何启动新的子进程，所有的这些相关进程都会属于同一个 CGroup，systemd 只需要简单地遍历指定的 CGroup 即可正确地找到所有的相关进程，将它们一一停止即可。 启动挂载点和自动挂载的管理传统的 Linux 系统中，用户可以用/etc/fstab 文件来维护固定的文件系统挂载点。这些挂载点在系统启动过程中被自动挂载，一旦启动过程结束，这些挂载点就会确保存在。这些挂载点都是对系统运行至关重要的文件系统，比如 HOME 目录。和 sysvinit 一样，Systemd 管理这些挂载点，以便能够在系统启动时自动挂载它们。Systemd 还兼容/etc/fstab 文件，您可以继续使用该文件管理挂载点。 有时候用户还需要动态挂载点，比如打算访问 DVD 内容时，才临时执行挂载以便访问其中的内容，而不访问光盘时该挂载点被取消(umount)，以便节约资源。传统地，人们依赖 autofs 服务来实现这种功能。 Systemd 内建了自动挂载服务，无需另外安装 autofs 服务，可以直接使用 systemd 提供的自动挂载管理能力来实现 autofs 的功能。 实现事务性依赖关系管理系统启动过程是由很多的独立工作共同组成的，这些工作之间可能存在依赖关系，比如挂载一个 NFS 文件系统必须依赖网络能够正常工作。Systemd 虽然能够最大限度地并发执行很多有依赖关系的工作，但是类似"挂载 NFS"和"启动网络"这样的工作还是存在天生的先后依赖关系，无法并发执行。对于这些任务，systemd 维护一个"事务一致性"的概念，保证所有相关的服务都可以正常启动而不会出现互相依赖，以至于死锁的情况。 能够对系统进行快照和恢复systemd 支持按需启动，因此系统的运行状态是动态变化的，人们无法准确地知道系统当前运行了哪些服务。Systemd 快照提供了一种将当前系统运行状态保存并恢复的能力。 比如系统当前正运行服务 A 和 B，可以用 systemd 命令行对当前系统运行状况创建快照。然后将进程 A 停止，或者做其他的任意的对系统的改变，比如启动新的进程 C。在这些改变之后，运行 systemd 的快照恢复命令，就可立即将系统恢复到快照时刻的状态，即只有服务 A，B 在运行。一个可能的应用场景是调试：比如服务器出现一些异常，为了调试用户将当前状态保存为快照，然后可以进行任意的操作，比如停止服务等等。等调试结束，恢复快照即可。 这个快照功能目前在 systemd 中并不完善，似乎开发人员也没有特别关注它，因此有报告指出它还存在一些使用上的问题，使用时尚需慎重。 日志服务systemd 自带日志服务 journald，该日志服务的设计初衷是克服现有的 syslog 服务的缺点。比如：
Systemd Journal 用二进制格式保存所有日志信息，用户使用 journalctl 命令来查看日志信息。无需自己编写复杂脆弱的字符串分析处理程序。 Systemd Journal 的优点如下：
Systemd 的基本概念单元的概念系统初始化需要做的事情非常多。需要启动后台服务，比如启动 SSHD 服务；需要做配置工作，比如挂载文件系统。这个过程中的每一步都被 systemd 抽象为一个配置单元，即 unit。可以认为一个服务是一个配置单元；一个挂载点是一个配置单元；一个交换分区的配置是一个配置单元；等等。systemd 将配置单元归纳为以下一些不同的类型。然而，systemd 正在快速发展，新功能不断增加。所以配置单元类型可能在不久的将来继续增加。
每个配置单元都有一个对应的配置文件，系统管理员的任务就是编写和维护这些不同的配置文件，比如一个 MySQL 服务对应一个 mysql.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系统 5 脚本了。 依赖关系虽然 systemd 将大量的启动工作解除了依赖，使得它们可以并发启动。但还是存在有些任务，它们之间存在天生的依赖，不能用"套接字激活"(socket activation)、D-Bus activation 和 autofs 三大方法来解除依赖（三大方法详情见后续描述）。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。 Systemd 用配置单元定义文件中的关键字来描述配置单元之间的依赖关系。比如：unit A 依赖 unit B，可以在 unit B 的定义中用"require A"来表示。这样 systemd 就会保证先启动 A 再启动 B。 Systemd 事务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。比如 unit A、B、C，假如它们的依赖关系为: 图 4, Unit 的循环依赖
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：required 是强依赖；want 则是弱依赖，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排错负担。 Target 和运行级别systemd 用目标（target）替代了运行级别的概念，提供了更大的灵活性，如您可以继承一个已有的目标，并添加其它服务，来创建自己的目标。下表列举了 systemd 下的目标和常见 runlevel 的对应关系： 表 1. Sysvinit 运行级别和 systemd 目标的对应表
Systemd 的并发启动原理如前所述，在 Systemd 中，所有的服务都并发启动，比如 Avahi、D-Bus、livirtd、X11、HAL 可以同时启动。乍一看，这似乎有点儿问题，比如 Avahi 需要 syslog 的服务，Avahi 和 syslog 同时启动，假设 Avahi 的启动比较快，所以 syslog 还没有准备好，可是 Avahi 又需要记录日志，这岂不是会出现问题？ Systemd 的开发人员仔细研究了服务之间相互依赖的本质问题，发现所谓依赖可以分为三个具体的类型，而每一个类型实际上都可以通过相应的技术解除依赖关系。 并发启动原理之一：解决 socket 依赖绝大多数的服务依赖是套接字依赖。比如服务 A 通过一个套接字端口 S1 提供自己的服务，其他的服务如果需要服务 A，则需要连接 S1。因此如果服务 A 尚未启动，S1 就不存在，其他的服务就会得到启动错误。所以传统地，人们需要先启动服务 A，等待它进入就绪状态，再启动其他需要它的服务。Systemd 认为，只要我们预先把 S1 建立好，那么其他所有的服务就可以同时启动而无需等待服务 A 来创建 S1 了。如果服务 A 尚未启动，那么其他进程向 S1 发送的服务请求实际上会被 Linux 操作系统缓存，其他进程会在这个请求的地方等待。一旦服务 A 启动就绪，就可以立即处理缓存的请求，一切都开始正常运行。 那么服务如何使用由 init 进程创建的套接字呢？ Linux 操作系统有一个特性，当进程调用 fork 或者 exec 创建子进程之后，所有在父进程中被打开的文件句柄 (file descriptor) 都被子进程所继承。套接字也是一种文件句柄，进程 A 可以创建一个套接字，此后当进程 A 调用 exec 启动一个新的子进程时，只要确保该套接字的 close_on_exec 标志位被清空，那么新的子进程就可以继承这个套接字。子进程看到的套接字和父进程创建的套接字是同一个系统套接字，就仿佛这个套接字是子进程自己创建的一样，没有任何区别。 这个特性以前被一个叫做 inetd 的系统服务所利用。Inetd 进程会负责监控一些常用套接字端口，比如 Telnet，当该端口有连接请求时，inetd 才启动 telnetd 进程，并把有连接的套接字传递给新的 telnetd 进程进行处理。这样，当系统没有 telnet 客户端连接时，就不需要启动 telnetd 进程。Inetd 可以代理很多的网络服务，这样就可以节约很多的系统负载和内存资源，只有当有真正的连接请求时才启动相应服务，并把套接字传递给相应的服务进程。 和 inetd 类似，systemd 是所有其他进程的父进程，它可以先建立所有需要的套接字，然后在调用 exec 的时候将该套接字传递给新的服务进程，而新进程直接使用该套接字进行服务即可。 并发启动原理之二：解决 D-Bus 依赖D-Bus 是 desktop-bus 的简称，是一个低延迟、低开销、高可用性的进程间通信机制。它越来越多地用于应用程序之间通信，也用于应用程序和操作系统内核之间的通信。很多现代的服务进程都使用D-Bus 取代套接字作为进程间通信机制，对外提供服务。比如简化 Linux 网络配置的 NetworkManager 服务就使用 D-Bus 和其他的应用程序或者服务进行交互：邮件客户端软件 evolution 可以通过 D-Bus 从 NetworkManager 服务获取网络状态的改变，以便做出相应的处理。 D-Bus 支持所谓"bus activation"功能。如果服务 A 需要使用服务 B 的 D-Bus 服务，而服务 B 并没有运行，则 D-Bus 可以在服务 A 请求服务 B 的 D-Bus 时自动启动服务 B。而服务 A 发出的请求会被 D-Bus 缓存，服务 A 会等待服务 B 启动就绪。利用这个特性，依赖 D-Bus 的服务就可以实现并行启动。 并发启动原理之三：解决文件系统依赖系统启动过程中，文件系统相关的活动是最耗时的，比如挂载文件系统，对文件系统进行磁盘检查（fsck），磁盘配额检查等都是非常耗时的操作。在等待这些工作完成的同时，系统处于空闲状态。那些想使用文件系统的服务似乎必须等待文件系统初始化完成才可以启动。但是 systemd 发现这种依赖也是可以避免的。 Systemd 参考了 autofs 的设计思路，使得依赖文件系统的服务和文件系统本身初始化两者可以并发工作。autofs 可以监测到某个文件系统挂载点真正被访问到的时候才触发挂载操作，这是通过内核 automounter 模块的支持而实现的。比如一个 open()系统调用作用在"/misc/cd/file1"的时候，/misc/cd 尚未执行挂载操作，此时 open()调用被挂起等待，Linux 内核通知 autofs，autofs 执行挂载。这时候，控制权返回给 open()系统调用，并正常打开文件。 Systemd 集成了 autofs 的实现，对于系统中的挂载点，比如/home，当系统启动的时候，systemd 为其创建一个临时的自动挂载点。在这个时刻/home 真正的挂载设备尚未启动好，真正的挂载操作还没有执行，文件系统检测也还没有完成。可是那些依赖该目录的进程已经可以并发启动，他们的 open()操作被内建在 systemd 中的 autofs 捕获，将该 open()调用挂起（可中断睡眠状态）。然后等待真正的挂载操作完成，文件系统检测也完成后，systemd 将该自动挂载点替换为真正的挂载点，并让 open()调用返回。由此，实现了那些依赖于文件系统的服务和文件系统本身同时并发启动。 当然对于"/"根目录的依赖实际上一定还是要串行执行，因为 systemd 自己也存放在/之下，必须等待系统根目录挂载检查好。 不过对于类似/home 等挂载点，这种并发可以提高系统的启动速度，尤其是当/home 是远程的 NFS 节点，或者是加密盘等，需要耗费较长的时间才可以准备就绪的情况下，因为并发启动，这段时间内，系统并不是完全无事可做，而是可以利用这段空余时间做更多的启动进程的事情，总的来说就缩短了系统启动时间。 ##########NextPage[title=Systemd 的使用]########## Systemd 的使用下面针对技术人员的不同角色来简单地介绍一下 systemd 的使用。本文只打算给出简单的描述，让您对 systemd 的使用有一个大概的理解。具体的细节内容太多，即无法在一篇短文内写全，本人也没有那么强大的能力。还需要读者自己去进一步查阅 systemd 的文档。 系统软件开发人员开发人员需要了解 systemd 的更多细节。比如您打算开发一个新的系统服务，就必须了解如何让这个服务能够被 systemd 管理。这需要您注意以下这些要点：
Unit 文件的编写 对于开发者来说，工作量最大的部分应该是编写配置单元文件，定义所需要的单元。 举例来说，开发人员开发了一个新的服务程序，比如 httpd，就需要为其编写一个配置单元文件以便该服务可以被 systemd 管理，类似 UpStart 的工作配置文件。在该文件中定义服务启动的命令行语法，以及和其他服务的依赖关系等。 此外我们之前已经了解到，systemd 的功能繁多，不仅用来管理服务，还可以管理挂载点，定义定时任务等。这些工作都是由编辑相应的配置单元文件完成的。我在这里给出几个配置单元文件的例子。 下面是 SSH 服务的配置单元文件，服务配置单元文件以.service 为文件名后缀。
文件分为三个小节。第一个是[Unit]部分，这里仅仅有一个描述信息。第二部分是 Service 定义，其中，ExecStartPre 定义启动服务之前应该运行的命令；ExecStart 定义启动服务的具体命令行语法。第三部分是[Install]，WangtedBy 表明这个服务是在多用户模式下所需要的。 那我们就来看下 multi-user.target 吧：
第一部分中的 Requires 定义表明 multi-user.target 启动的时候 basic.target 也必须被启动；另外 basic.target 停止的时候，multi-user.target 也必须停止。如果您接着查看 basic.target 文件，会发现它又指定了 sysinit.target 等其他的单元必须随之启动。同样 sysinit.target 也会包含其他的单元。采用这样的层层链接的结构，最终所有需要支持多用户模式的组件服务都会被初始化启动好。 在[Install]小节中有 Alias 定义，即定义本单元的别名，这样在运行 systemctl 的时候就可以使用这个别名来引用本单元。这里的别名是 default.target，比 multi-user.target 要简单一些。。。 此外在/etc/systemd/system 目录下还可以看到诸如*.wants 的目录，放在该目录下的配置单元文件等同于在[Unit]小节中的 wants 关键字，即本单元启动时，还需要启动这些单元。比如您可以简单地把您自己写的 foo.service 文件放入 multi-user.target.wants 目录下，这样每次都会被默认启动了。 最后，让我们来看看 sys-kernel-debug.mout 文件，这个文件定义了一个文件挂载点：
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