什么是systemd

时间:2014-11-21 13:06 来源:linux.it.net.cn 作者:IT

systemd即为system daemon,是linux下的一种init软件,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,开发目标是提供更优秀的框架以表示系统服务间的依赖关系，并依此实现系统初始化时服务的并行启动，同时达到降低Shell的系统开销的效果，最终代替现在常用的System V与BSD风格init程序。

与多数发行版使用的System V风格init相比，systemd采用了以下新技术：
(1) 采用Socket激活式与总线激活式服务，以提高相互依赖的各服务的并行运行性能；
(2) 用Cgroups代替PID来追踪进程，以此即使是两次fork之后生成的守护进程也不会脱离systemd的控制。

systemd已纳入众多Linux发行版的软件源中，以下简表：
    Fedora 15及后续版本
    Mageia 2
    Mandriva 2011
    openSUSE 12.1及后续版本
    Arch Linux在2012年10月13日将systemd-sysvcompat纳入base软件组，自此Arch Linux默认安裝完即以systemd为init程序[13]，同时也提供了与Arch自带启动脚本兼容用的systemd启动脚本包以方便用户，使用户能“开箱即用”

作用

作为init软件，systemd程序的任务有如下工作
    (1) 初始化文件系统，设置环境变量
    (2) 挂载硬盘，/proc, /tmp, swap等等
    (3) 根据设置的运行级别, 启动相应的守护进程
    (4) 并在系统运行期间，监听整个文件系统

systemd 开启和监督整个系统是基于 unit 的概念。unit 是由一个与配置文件对应的名字和类型组成的. 一个unit配置文件，封装了后台服务,socket,设备，挂载，自动挂载，交换文件或分区，启动目标，文件系统路径，或者定时器控制，这些其中的一种。配置文件语法源于XDG Desktop Entry Specification的.desktop文件，微软的.ini文件语法格式。

所有的unit文件都应该配置[Unit]或者[Install]段.由于通用的信息在[Unit]和[Install]中描述，每一个unit应该有一个指定类型段，例如[Service]来对应后台服务类型unit.

unit 类型如下：
    service ：守护进程的启动、停止、重启和重载是此类 unit 中最为明显的几个类型。
    socket ：此类 unit 封装系统和互联网中的一个socket。当下，systemd支持流式, 数据报和连续包的AF\_INET,AF\_INET6,AF\_UNIX socket 。也支持传统的 FIFOs 传输模式。每一个 socket unit 都有一个相应的服务 unit 。相应的服务在第一个“连接”进入 socket 或 FIFO 时就会启动(例如：nscd.socket 在有新连接后便启动 nscd.service)。
    device ：此类 unit 封装一个存在于 Linux 设备树中的设备。每一个使用 udev 规则标记的设备都将会在 systemd 中作为一个设备 unit 出现。udev 的属性设置可以作为配置设备 unit 依赖关系的配置源。
    mount ：此类 unit 封装系统结构层次中的一个挂载点。
    automount ：此类 unit 封装系统结构层次中的一个自挂载点。每一个自挂载 unit 对应一个已挂载的挂载 unit (需要在自挂载目录可以存取的情况下尽早挂载)。
    target ：此类 unit 为其他 unit 进行逻辑分组。它们本身实际上并不做什么，只是引用其他 unit 而已。这样便可以对 unit 做一个统一的控制。(例如：multi-user.target 相当于在传统使用 SysV 的系统中运行级别5)；bluetooth.target 只有在蓝牙适配器可用的情况下才调用与蓝牙相关的服务，如：bluetooth 守护进程、obex 守护进程等）
    snapshot ：与 target unit 相似，快照本身不做什么，唯一的目的就是引用其他 unit 。

配置文件

所有配置文件存放的目录可以在以下任一目录之中

/etc/systemd/system
/etc/systemd/system/
/usr/lib/systemd/system/
/lib/systemd/system/

加载的第一个文件为default.target, systemd的启动逻辑顺序默认如下

local-fs-pre.target
         |
         v
(various mounts and   (various swap (various cryptsetup
 fsck services...)     devices...)      devices...)     (various low-level 
         |                  |                |           services: udevd,  
         v                  v                v           tmpfiles, random   
  local-fs.target      swap.target   cryptsetup.target  seed, sysctl, ...) 
         |                  |                |                  |
         \__________________|_______________ | _________________/
                                            \|/
                                             v
                                      sysinit.target
                                             |
                             _______________/|\___________________
                            /                |                    \
                            |                |                    |
                            v                |                    v
                        (various             |              rescue.service
                       sockets...)           |                    |
                            |                |                    v
                            v                |              rescue.target
                     sockets.target          |
                            |                |
                            \_______________ |
                                            \|
                                             v
                                       basic.target
                                             |
            ________________________________/|             emergency.service
           /                |                |                     |
           |                |                |                     v
           v                v                v              emergency.target
       display-      (various system  (various system
   manager.service       services         services)
           |           required for          |
           |          graphical UIs)         v
           |                |         multi-user.target
           |                |                |
           \_______________ | _______________/
                           \|/
                            v
                    graphical.target (如果，我们的启动级别为5, 那么我们可以将 default.target 链接到graphical.target上)

例如我们需要添加一个服务, 应用程序为example, 那么我们在目录/usr/lib/systemd/system/下创建文件example.service

[Unit]
Description=Example Service
[Service]
ExecStart=/usr/bin/example
[Install]
WantedBy=multi-user.target

如果我们监视该程序，当程序退出时，能够自动重新启动。那么我们可以设置如下

[Unit]
Description=Example Service
[Service]
ExecStart=/usr/bin/example
Restart=always
RestartSec=10
[Install]
WantedBy=multi-user.target

Restart=可选项为
no:程序退出不重启
on-success:正常退出时，终止并返回退出码为0时重启
on-failure:终止并返回退出码为非0时重启
on-abort:非正常退出时重启，如段错误，看门狗超时等
always:任何情况下都重启。

如果我们要求该服务在某些服务启动之后，才能启动。比如要求在dbus.service启动之后，
再启动我们的example.service,我们需要设置如下.

[Unit]
Description=Example Service
After=dbus.service
[Service]
ExecStart=/usr/bin/example
Restart=always
RestartSec=10
[Install]
WantedBy=multi-user.target

执行一个脚本

如我们需要在开机初始时，执行一个shell脚本，并且我们在脚本内部会启动某些后台服务程序。那么我们在写service文件的时候，则需要加入Type=forking段，否则shell执行结束退出后，
该脚本启动的后台服务程序，也会结束.

[Unit]
Description=panda launcher
Wants=syslog.target dbus.service

[Service]
Type=forking
ExecStart=/usr/bin/panda-launcher

[Install]
Alias=display-manager.service
WantedBy=graphical.target

Service的Type几种类型介绍
    simple模式 :ExecStart=设置的程序为服务的主进程，这种模式下，如果该进程为其他进程提供通信管道,应该在服务进程启动之前安装好通信管道(例如:systemd需要的socket)，systemd会立即启动接下来的unit.
    forking模式:将会调用fork()函数执行ExecStart=配置的主程序，当启动和通信管道建立完成后，父进程则退出。
    idle模式 :和simple模式相似，但是实际上执行启动程序延迟到所有的job处理完成之后。
    注:默认为simple模式

特殊的unit

一些unit被systemd特别的处理。他们有特别的内部语法，并且不能修改名称。basic.target, bluetooth.target, ctrl-alt-del.target, cryptsetup.target, dbus.service, dbus.socket, default.target, 等等.

调试

根据类型列举出当前的状态

systemctl list-units -t service --all
列举出所有的service和他们的当前状态

systemctl status sshd.service
检查当前运行中服务的状态

systemctl show -p "Wants" multi-user.target
列出一个target组合着哪些service.

systemd的mount会去根据/etc/fstab内容，进行挂载

函数分析

               +---------+
               | manager |
               +---------+
                    |
    +-------------------------------+
    |           |          |        |
+-------+   +------+   +------+   +------+
|service|   |target|   |socket|   | ...  |
+-------+   +------+   +------+   +------+
    |           |          |        |
    +-------------------------------+
                    |
               +---------+      +-----+
               |  unit   |<---->| job |
               +---------+      +-----+

main中的manager

            +-------------+
         +->| manager_new |  set path
         |  +-------------+
         |
         |  +-----------------+
         +->| manager_startup |  read file name
         |  +-----------------+
         |
+------+ |  +-------------------+                     
| main |-+->| manager_load_unit |  anaylse file
+------+ |  +-------------------+
         |
         |  +-----------------+
         +->| manager_add_job |  add each target to job
         |  +-----------------+ 
         |
         |  +--------------+
         +->| manager_loop |
            +--------------+

设置路径部分代码

int main()
{
    if ((r = manager_new(arg_running_as, &m)) < 0) {
        goto finish;
    }
}

int manager_new(ManagerRunningAs running_as, Manager **_m) {
    if ((r = lookup_paths_init(&m->lookup_paths,
                               m->running_as, true)) < 0)
        goto fail
}

int lookup_paths_init(LookupPaths *p, ManagerRunningAs running_as,
                      bool personal) {
    if (running_as == MANAGER_USER) {
    } else 
       if (!(p->unit_path = strv_new(
           /* If you modify this you also want to modify
            * systemdsystemunitpath= in systemd.pc.in! */
           "/run/systemd/system",
           SYSTEM_CONFIG_UNIT_PATH,
           "/etc/systemd/system",
           "/usr/local/lib/systemd/system",
           "/usr/lib/systemd/system",
           SYSTEM_DATA_UNIT_PATH,
           "/lib/systemd/system",
           NULL)))
}

加载文件流程图

+------+      +-------------+   +-------------------+   +-----------------+
| main |------| manager_new |---| lookup_paths_init |---| m->lookup_paths |
+------+   |  +-------------+   +-------------------+   +-----------------+
           |  +-----------------+                           set path
           +->| manager_startup |
              +-----------------+
                       |
         +-------------------------------+
         | manager_build_unit_path_cache |
         +-------------------------------+
                       |
   +--------------------------------------------+
   | STRV_FOREACH(i, m->lookup_paths.unit_path) |
   |   set_put(m->unit_path_cache, p)           |-------unit_path_cache
   +--------------------------------------------+
                                             +-------------+
                                             | iterate_dir |
                                             +-------------+
                                                    |
     +------------------------------------------------+
     | set_get(u->manager->unit_path_cache, filename) |
     +------------------------------------------------+
          |
  +----------------+
  | load_from_path |
  +----------------+
          |                                          |.wants .requires
+--------------------+                      +------------------+
| unit_load_fragment |                      | unit_load_dropin |
+--------------------+                      +------------------+
          |                                          |
          +------------------------------------------+
                                |
           +------------------------------------+---------------+
           |                                    |               |
+-------------------------------+       +--------------+
| unit_load_fragment_and_dropin |       | service_load |     ......
+-------------------------------+       +--------------+

main()
{
    /* Initialize default unit */
    if (set_default_unit(SPECIAL_DEFAULT_TARGET) < 0)
        goto finish;

    // arg_default_unit is "default.target" 
    manager_load_unit(m, arg_default_unit, NULL, &error, &target)) < 0) 

    if ((r = manager_add_job(m, JOB_START, target, JOB_REPLACE,
                             false, &error, NULL)) < 0) {
        goto finish;
    }
}

int manager_load_unit()
{
    /* This will load the service information files, but not actually
     * start any services or anything. */
    if ((r = manager_load_unit_prepare(m, name, path, e, _ret)) != 0) 
        return r;

    manager_dispatch_load_queue(m);
}

unsigned manager_dispatch_load_queue(Manager *m) {
    while ((meta = m->load_queue)) {
        unit_load((Unit*) meta);
    }
}

int unit_load(Unit *u) {
    if (u->meta.in_load_queue) {
        //remove unit frome load_queue
        LIST_REMOVE(Meta, load_queue, u->meta.manager->load_queue,
                    &u->meta);
        u->meta.in_load_queue = false;
     }

    if (UNIT_VTABLE(u)->load)
        if ((r = UNIT_VTABLE(u)->load(u)) < 0)
             goto fail;
    
    if (u->meta.load_state == UNIT_LOADED &&
         u->meta.default_dependencies)
        if ((r = unit_add_default_dependencies(u)) < 0)
           goto fail;
}

//take service load for example
static int service_load(Unit *u) {
    /* Load a .service file */ 
    if ((r = unit_load_fragment(u)) < 0)
        return r;

    /* We were able to load something, then let's add in the
     * dropin directories. */
    if ((r = unit_load_dropin(unit_follow_merge(u))) < 0)
        return r;
}

int unit_load_fragment(Unit *u) {
    if ((r = load_from_path(u, u->meta.id)) < 0)
        return r;
}

static int load_from_path(Unit *u, const char *path) {
    if (path_is_absolute(path)) { 
    } else {
        STRV_FOREACH(p, u->meta.manager->lookup_paths.unit_path) {
            if (!(filename = path_make_absolute(path, *p))) {
            }
        }
    }
}

执行

+--------------+     +----------------------------+
| manager_loop |---->| manager_dispatch_run_queue |
+--------------+     +----------------------------+
                                   |
                       +--------------------------+
                       | if(j = m->run_queue)     |
                       |   job_run_and_invalidate |
                       +--------------------------+
                                   |
+----------------------------------------------+
|LIST_REMOVE(Job,...,j->manager->run_queue, j);|  +---------------------+
|               unit_start                     |->|UNIT_VTABLE(u)->start|
+----------------------------------------------+  +---------------------+
                                                           |
                                            +-----------------------+
+---------------------+   +-------------+   |    service_vtable = { |
| service_enter_start |<--|service_start|<--|.suffix = ".service"   |
+---------------------+   +-------------+   |.start = service_start,|
          |                                 |};                     |
    +---------------+                       +-----------------------+
    | service_spawn |
    +---------------+
          |
     +------------+
     | exec_spawn |
     +------------+

并发

    例如 SysV的系统启动，一次只能启动一个进程，例如将会有如下的启动顺序, Syslog -> D-Bus -> Avahi -> Blutooth. 一些版本试图改进严格的按照序列化启动，如Avahi和Bluetooth彼此独立，他们能够并发的启动。但是这个并发改进的效果并不明显.
    Socket激活,使得同时并发四个服务没有任何顺序排列成为可能,既然特定的监听socket从后台中拿出来，我们就可以同时启动他们，并且他们能够立即互相连接. 如，第一步，创建/dev/log和/run/dbus/system\_bus\_socket这两个socket,然后同时启动四个服务.当D-Bus想记录log到syslog时，就将消息写入到/dev/log中，只要socket buffer没有运行满，就不能够立即执行，并继续进行他的初始化.当syslog服务启动，他将会处理socket buffer中的队列消息.如果socket buffer满了，那么client的logging将会被阻塞，直到socket再次可写.
    Socket激活还需要service能够从systemd接收预先初始化的socket. 来代替内部初始化.
    例如: dbus-daemon，需要进行修改，源代码中dbus/sd-daemon.c的内容和 systemd/src/sd-daemon.c代码相同。

参考

http://0pointer.de/blog/projects/systemd-docs.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Systemd
http://fedoraproject.org/wiki/Systemd/zh-cn

(责任编辑：IT)