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systemd 是所有進程之母，負責將 linux 主機啟動到可以做生產(chǎn)性任務的狀態(tài)。
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systemd（是的，全小寫，即使在句子開頭也是小寫），是初始化程序（init）和 SystemV 初始化腳本的現(xiàn)代替代者。此外，它還有更多功能。
當我想到 init 和 SystemV 初始化時，像大多數(shù)系統(tǒng)管理員一樣，我想到的是 Linux 的啟動和關(guān)閉，而不是真正意義上的管理服務，例如在服務啟動和運行后對其進行管理。像 init 一樣，systemd 是所有進程之母，它負責使 Linux 主機啟動到可以做生產(chǎn)性任務的狀態(tài)。systemd 設(shè)定的一些功能比老的初始化程序要廣泛得多，它要管理正在運行的 Linux 主機的許多方面，包括掛載文件系統(tǒng)、管理硬件、處理定時器以及啟動和管理生產(chǎn)性主機所需的系統(tǒng)服務。
本系列文章是基于我的三期 Linux 培訓課程《使用和管理 Linux：從零開始進行學習系統(tǒng)管理》部分內(nèi)容的摘錄，探討了 systemd 在啟動和啟動完成后的功能。
Linux 引導
Linux 主機從關(guān)機狀態(tài)到運行狀態(tài)的完整啟動過程很復雜，但它是開放的并且是可知的。在詳細介紹之前，我將簡要介紹一下從主機硬件被上電到系統(tǒng)準備好用戶登錄的過程。大多數(shù)時候，“引導過程”被作為一個整體來討論，但這是不準確的。實際上，完整的引導和啟動過程包含三個主要部分：
硬件引導：初始化系統(tǒng)硬件- Linux 引導（boot）：加載 Linux 內(nèi)核和 systemd
- Linux 啟動（startup）：systemd 為主機的生產(chǎn)性工作做準備
Linux 啟動階段始于內(nèi)核加載了 init 或 systemd（取決于具體發(fā)行版使用的是舊的方式還是還是新的方式）之后。init 和 systemd 程序啟動并管理所有其它進程，它們在各自的系統(tǒng)上都被稱為“所有進程之母”。
將硬件引導與 Linux 引導及 Linux 啟動區(qū)分開，并明確定義它們之間的分界點是很重要的。理解它們的差異以及它們每一個在使 Linux 系統(tǒng)進入生產(chǎn)狀態(tài)所起的作用，才能夠管理這些進程，并更好地確定大部分人所謂的“啟動”問題出在哪里。
啟動過程按照三步引導流程，使 Linux 計算機進入可進行生產(chǎn)工作的狀態(tài)。當內(nèi)核將主機的控制權(quán)轉(zhuǎn)移到 systemd 時，啟動環(huán)節(jié)開始。
systemd 之爭
systemd 引起了系統(tǒng)管理員和其它負責維護 Linux 系統(tǒng)正常運行人員的廣泛爭議。在許多 Linux 系統(tǒng)中，systemd 接管了大量任務，這在某些開發(fā)者和sysadmins群體中引起了反對和不和諧。
SystemV 和 systemd 是執(zhí)行 Linux 啟動環(huán)節(jié)的兩種不同的方法。SystemV 啟動腳本和 init 程序是老的方法，而使用目標target的 systemd 是新方法。盡管大多數(shù)現(xiàn)代 Linux 發(fā)行版都使用較新的 systemd 進行啟動、關(guān)機和進程管理，但仍有一些發(fā)行版未采用。原因之一是某些發(fā)行版維護者和系統(tǒng)管理員喜歡老的 SystemV 方法，而不是新的 systemd。
我認為兩者都有其優(yōu)勢。
為何我更喜歡 SystemV
我更喜歡 SystemV，因為它更開放。使用 Bash 腳本來完成啟動。內(nèi)核啟動 init 程序（這是一個編譯后的二進制）后，init 啟動 rc.sysinit 腳本，該腳本執(zhí)行許多系統(tǒng)初始化任務。rc.sysinit 執(zhí)行完后，init 啟動 /etc/rc.d/rc 腳本，該腳本依次啟動 /etc/rc.d/rcX.d 中由 SystemV 啟動腳本定義的各種服務。其中 X 是待啟動的運行級別號。
除了 init 程序本身之外，所有這些程序都是開放且易于理解的腳本?？梢酝ㄗx這些腳本并確切了解整個啟動過程中發(fā)生的事情，但是我不認為有太多系統(tǒng)管理員真正做到這一點。每個啟動腳本都被編了號，以便按特定順序啟動預期的服務。服務是串行啟動的，一次只能啟動一個服務。
systemd 是由 Red Hat 的 Lennart Poettering 和 Kay Sievers 開發(fā)的，它是一個由大型的、編譯的二進制可執(zhí)行文件構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，不訪問其源碼就無法理解。它是開源的，因此“訪問其源代碼”并不難，只是不太方便。systemd 似乎表現(xiàn)出對 Linux 哲學多個原則的重大駁斥。作為二進制文件，systemd 無法被直接打開供系統(tǒng)管理員查看或進行簡單更改。systemd 試圖做所有事情，例如管理正在運行的服務，同時提供明顯比 SystemV 更多的狀態(tài)信息。它還管理硬件、進程、進程組、文件系統(tǒng)掛載等。systemd 幾乎涉足于現(xiàn)代 Linux 主機的每個方面，使它成為系統(tǒng)管理的一站式工具。所有這些都明顯違反了“程序應該小，且每個程序都應該只做一件事并做好”的原則。
為何我更喜歡 systemd
我更喜歡用 systemd 作為啟動機制，因為它會根據(jù)啟動階段并行地啟動盡可能多的服務。這樣可以加快整個的啟動速度，使得主機系統(tǒng)比 SystemV 更快地到達登錄屏幕。
systemd 幾乎可以管理正在運行的 Linux 系統(tǒng)的各個方面。它可以管理正在運行的服務，同時提供比SystemV 多得多的狀態(tài)信息。它還管理硬件、進程和進程組、文件系統(tǒng)掛載等。systemd 幾乎涉足于現(xiàn)代 Linux 操作系統(tǒng)的每方面，使其成為系統(tǒng)管理的一站式工具。（聽起來熟悉吧？）
systemd 工具是編譯后的二進制文件，但該工具包是開放的，因為所有配置文件都是 ASCII 文本文件。可以通過各種 GUI 和命令行工具來修改啟動配置，也可以添加或修改各種配置文件來滿足特定的本地計算環(huán)境的需求。
真正的問題
你認為我不能喜歡兩種啟動系統(tǒng)嗎？我能，我會用它們中的任何一個。
我認為，SystemV 和 systemd 之間大多數(shù)爭議的真正問題和根本原因在于，在系統(tǒng)管理層面沒有選擇權(quán)。使用 SystemV 還是 systemd 已經(jīng)由各種發(fā)行版的開發(fā)人員、維護人員和打包人員選擇了（但有充分的理由）。由于 init 極端的侵入性，挖出并替換 init 系統(tǒng)會帶來很多影響，會帶來很多在發(fā)行版設(shè)計過程之外難以解決的后果。
盡管該選擇實際上是為我而選的，但我的Linux主機能不能開機、能不能工作，這是我平時最關(guān)心的。作為最終用戶，甚至是系統(tǒng)管理員，我主要關(guān)心的是我是否可以完成我的工作，例如寫我的書和這篇文章，安裝更新以及編寫腳本來自動化所有事情。只要我能做我的工作，我就不會真正在意發(fā)行版中使用的啟動系統(tǒng)。
在啟動或服務管理出現(xiàn)問題時，我會在意。無論主機上使用哪種啟動系統(tǒng)，我都足夠了解如何沿著事件順序來查找故障并進行修復。
替換SystemV
以前曾有過用更現(xiàn)代的東西替代 SystemV 的嘗試。大約在兩個版本中，F(xiàn)edora 使用了一個叫作 Upstart 的東西來替換老化的 SystemV，但是它沒有取代 init，也沒有提供我所注意到的任何變化。由于 Upstart 并未對 SystemV 的問題進行任何顯著的改變，所以在這個方向上的努力很快就被放棄了，轉(zhuǎn)而使用 systemd。
盡管大部分 Linux 開發(fā)人員都認可替換舊的 SystemV 啟動系統(tǒng)是個好主意，但許多開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員并不喜歡 systemd。與其重新討論人們在 systemd 中遇到的或曾經(jīng)遇到過的所有所謂的問題，不如帶你去看兩篇好文章，盡管有些陳舊，但它們涵蓋了大多數(shù)內(nèi)容。Linux 內(nèi)核的創(chuàng)建者 Linus Torvalds 對 systemd 似乎不感興趣。在 2014 年 ZDNet 的一篇文章《Linus Torvalds 和其他人對 Linux 上的 systemd 的看法》中，Linus 清楚地表達了他的感受。
“實際上我對 systemd 本身沒有任何特別強烈的意見。我對一些核心開發(fā)人員有一些問題，我認為他們在對待錯誤和兼容性方面過于輕率，而且我認為某些設(shè)計細節(jié)是瘋狂的（例如，我不喜歡二進制日志），但這只是細節(jié)，不是大問題?！?/p>
如果你對 Linus 不太了解的話，我可以告訴你，如果他不喜歡某事，他是非常直言不諱的，很明確，而且相當明確的表示不喜歡。他解決自己對事物不滿的方式已經(jīng)被社會更好地接受了。
2013 年，Poettering 寫了一篇很長的博客，他在文章駁斥了關(guān)于 systemd 的迷思，同時對創(chuàng)建 systemd 的一些原因進行了深入的剖析。這是一分很好的讀物，我強烈建議你閱讀。
systemd 任務
根據(jù)編譯過程中使用的選項（不在本系列中介紹），systemd 可以有多達 69 個二進制可執(zhí)行文件執(zhí)行以下任務，其中包括：
systemd程序以 1 號進程（PID 1）運行，并提供使盡可能多服務并行啟動的系統(tǒng)啟動能力，它額外加快了總體啟動時間。它還管理關(guān)機順序。systemctl程序提供了服務管理的用戶接口。- 支持 SystemV 和 LSB 啟動腳本，以便向后兼容。
- 服務管理和報告提供了比 SystemV 更多的服務狀態(tài)數(shù)據(jù)。
- 提供基本的系統(tǒng)配置工具，例如主機名、日期、語言環(huán)境、已登錄用戶的列表，正在運行的容器和虛擬機、系統(tǒng)帳戶、運行時目錄及設(shè)置，用于簡易網(wǎng)絡配置、網(wǎng)絡時間同步、日志轉(zhuǎn)發(fā)和名稱解析的守護進程。
- 提供套接字管理。
- systemd 定時器提供類似 cron 的高級功能，包括在相對于系統(tǒng)啟動、systemd 啟動時間、定時器上次啟動時間的某個時間點運行腳本。
- 它提供了一個工具來分析定時器規(guī)范中使用的日期和時間。
- 能感知分層的文件系統(tǒng)掛載和卸載功能可以更安全地級聯(lián)掛載的文件系統(tǒng)。
- 允許主動的創(chuàng)建和管理臨時文件，包括刪除。
- D-Bus 的接口提供了在插入或移除設(shè)備時運行腳本的能力。這允許將所有設(shè)備（無論是否可插拔）都被視為即插即用，從而大大簡化了設(shè)備的處理。
- 分析啟動環(huán)節(jié)的工具可用于查找耗時最多的服務。
- 它包括用于存儲系統(tǒng)消息的日志以及管理日志的工具。
架構(gòu)
這些以及更多的任務通過許多守護程序、控制程序和配置文件來支持。圖 1 顯示了許多屬于 systemd 的組件。這是一個簡化的圖，旨在提供概要描述，因此它并不包括所有獨立的程序或文件。它也不提供數(shù)據(jù)流的視角，數(shù)據(jù)流是如此復雜，因此在本系列文章的背景下沒用。
如果要完整地講解 systemd 就需要一本書。你不需要了解圖 1 中的 systemd 組件是如何組合在一起的細節(jié)。只需了解支持各種 Linux 服務管理以及日志文件和日志處理的程序和組件就夠了。但是很明顯， systemd 并不是某些批評者所宣稱的那樣，它是一個單一的怪物。
作為 1 號進程的 systemd
systemd 是 1 號進程（PID 1）。它的一些功能，比老的 SystemV3 init 要廣泛得多，用于管理正在運行的 Linux 主機的許多方面，包括掛載文件系統(tǒng)以及啟動和管理 Linux 生產(chǎn)主機所需的系統(tǒng)服務。與啟動環(huán)節(jié)無關(guān)的任何 systemd 任務都不在本文討論范圍之內(nèi)（但本系列后面的一些文章將探討其中的一些任務）。
首先，systemd 掛載 /etc/fstab 所定義的文件系統(tǒng)，包括所有交換文件或分區(qū)。此時，它可以訪問位于 /etc 中的配置文件，包括它自己的配置文件。它使用其配置鏈接 /etc/systemd/system/default.target 來確定將主機引導至哪個狀態(tài)或目標。default.target 文件是指向真實目標文件的符號鏈接。對于桌面工作站，通常是 graphical.target，它相當于 SystemV 中的運行級別 5。對于服務器，默認值更可能是 multi-user.target，相當于 SystemV 中的運行級別 3。emergency.target 類似于單用戶模式。目標target和服務service是 systemd 的單元unit。
下表（圖 2）將 systemd 目標與老的 SystemV 啟動運行級別進行了比較。systemd 提供 systemd 目標別名以便向后兼容。目標別名允許腳本（以及許多系統(tǒng)管理員）使用 SystemV 命令（如 init 3）更改運行級別。當然，SystemV 命令被轉(zhuǎn)發(fā)給 systemd 進行解釋和執(zhí)行。
| systemd 目標 | SystemV 運行級別 | 目標別名 | 描述 |
|---|---|---|---|
default.target |
此目標總是通過符號連接的方式成為 multi-user.target 或 graphical.target 的別名。systemd 始終使用 default.target 來啟動系統(tǒng)。default.target 絕不應該設(shè)為 halt.target，poweroff.target 或 reboot.target 的別名。 |
||
graphic.target |
5 | runlevel5.target |
帶有 GUI 的 multi-user.target。 |
| 4 | runlevel4.target |
未用。在 SystemV 中運行級別 4 與運行級別 3 相同?？梢詣?chuàng)建并自定義此目標以啟動本地服務，而無需更改默認的 multi-user.target。 |
|
multi-user.target |
3 | runlevel3.target |
所有服務在運行，但僅有命令行界面（CLI）。 |
| 2 | runlevel2.target |
多用戶，沒有 NFS，其它所有非 GUI 服務在運行。 | |
rescue.target |
1 | runlevel1.target |
基本系統(tǒng)，包括掛載文件系統(tǒng)，運行最基本的服務和主控制臺的恢復 shell。 |
emergency.target |
S | 單用戶模式：沒有服務運行；不掛載文件系統(tǒng)。這是最基本的工作級別，只有主控制臺上運行的一個緊急 Shell 供用戶與系統(tǒng)交互。 | |
halt.target |
停止系統(tǒng)而不關(guān)閉電源。 | ||
reboot.target |
6 | runlevel6.target |
重啟。 |
poweroff.target |
0 | runlevel0.target |
停止系統(tǒng)并關(guān)閉電源。 |
圖 2：SystemV 運行級別與 systemd 目標和一些目標別名的比較
每個目標在其配置文件中都描述了一個依賴集。systemd 啟動必須的依賴項，這些依賴項是運行 Linux 主機到特定功能級別所需的服務。當目標配置文件中列出的所有依賴項被加載并運行后，系統(tǒng)就在該目標級別運行了。在圖 2 中，功能最多的目標位于表的頂部，從頂向下，功能逐步遞減。
systemd 還會檢查老的 SystemV init 目錄，以確認是否存在任何啟動文件。如果有，systemd 會將它們作為配置文件以啟動它們描述的服務。網(wǎng)絡服務是一個很好的例子，在 Fedora 中它仍然使用 SystemV 啟動文件。
圖 3（如下）是直接從啟動手冊頁復制來的。它顯示了 systemd 啟動期間一般的事件環(huán)節(jié)以及確保成功啟動的基本順序要求。
cryptsetup-pre.target
|
(various low-level v
API VFS mounts: (various cryptsetup devices...)
mqueue, configfs, | |
debugfs, ...) v |
| cryptsetup.target |
| (various swap | | remote-fs-pre.target
| devices...) | | | |
| | | | | v
| v local-fs-pre.target | | | (network file systems)
| swap.target | | v v |
| | v | remote-cryptsetup.target |
| | (various low-level (various mounts and | | |
| | services: udevd, fsck services...) | | remote-fs.target
| | tmpfiles, random | | | /
| | seed, sysctl, ...) v | | /
| | | local-fs.target | | /
| | | | | | /
\____|______|_______________ ______|___________/ | /
\ / | /
v | /
sysinit.target | /
| | /
______________________/|\_____________________ | /
/ | | | \ | /
| | | | | | /
v v | v | | /
(various (various | (various | |/
timers...) paths...) | sockets...) | |
| | | | | |
v v | v | |
timers.target paths.target | sockets.target | |
| | | | v |
v \_______ | _____/ rescue.service |
\|/ | |
v v |
basic.target rescue.target |
| |
________v____________________ |
/ | \ |
| | | |
v v v |
display- (various system (various system |
manager.service services services) |
| required for | |
| graphical UIs) v v
| | multi-user.target
emergency.service | | |
| \_____________ | _____________/
v \|/
emergency.target v
graphical.target圖 3: systemd 啟動圖
sysinit.target 和 basic.target 目標可以看作啟動過程中的檢查點。盡管 systemd 的設(shè)計目標之一是并行啟動系統(tǒng)服務，但是某些服務和功能目標必須先啟動，然后才能啟動其它服務和目標。直到該檢查點所需的所有服務和目標被滿足后才能通過這些檢查點。
當 sysinit.target 所依賴的所有單元都完成時，就會到達 sysinit.target。所有這些單元，包括掛載文件系統(tǒng)、設(shè)置交換文件、啟動 Udev、設(shè)置隨機數(shù)生成器種子、啟動低層服務以及配置安全服務（如果一個或多個文件系統(tǒng)是加密的）都必須被完成，但在 sysinit.target 中，這些任務可以并行執(zhí)行。
sysinit.target 啟動了系統(tǒng)接近正常運行所需的所有低層服務和單元，它們也是進入 basic.target 所需的。
在完成 sysinit.target 之后，systemd 會啟動實現(xiàn)下一個目標所需的所有單元。basic.target 通過啟動所有下一目標所需的單元來提供一些額外功能。包括設(shè)置為各種可執(zhí)行程序目錄的路徑、設(shè)置通信套接字和計時器之類。
最后，用戶級目標 multi-user.target 或 graphical.target 被初始化。要滿足 graphical.target 的依賴必須先達到 multi-user.target。圖 3 中帶下劃線的目標是通常的啟動目標。當達到這些目標之一時，啟動就完成了。如果 multi-user.target 是默認設(shè)置，那么你應該在控制臺上看到文本模式的登錄界面。如果 graphical.target 是默認設(shè)置，那么你應該看到圖形的登錄界面。你看到的具體的 GUI 登錄界面取決于你的默認顯示管理器。
引導手冊頁還描述并提供了引導到初始化 RAM 磁盤和 systemd 關(guān)機過程的圖。
systemd 還提供了一個工具，該工具列出了完整的啟動過程或指定單元的依賴項。單元是一個可控的 systemd 資源實體，其范圍可以從特定服務（例如 httpd 或 sshd）到計時器、掛載、套接字等。嘗試以下命令并滾動查看結(jié)果。
systemctl list-dependencies graphical.target注意，這會完全展開使系統(tǒng)進入 graphical.target 運行模式所需的頂層目標單元列表。也可以使用 --all 選項來展開所有其它單元。
systemctl list-dependencies --all graphical.target你可以使用 less 命令來搜索諸如 target、slice 和 socket 之類的字符串。
現(xiàn)在嘗試下面的方法。
systemctl list-dependencies multi-user.target和
systemctl list-dependencies rescue.target和
systemctl list-dependencies local-fs.target和
systemctl list-dependencies dbus.service這個工具幫助我可視化我正用的主機的啟動依賴細節(jié)。繼續(xù)花一些時間探索一個或多個 Linux 主機的啟動樹。但是要小心，因為 systemctl 手冊頁包含以下注釋：
“請注意，此命令僅列出當前被服務管理器加載到內(nèi)存的單元。尤其是，此命令根本不適合用于獲取特定單元的全部反向依賴關(guān)系列表，因為它不會列出被單元聲明了但是未加載的依賴項?！?/p>
結(jié)尾語
即使在沒有深入研究 systemd 之前，很明顯能看出它既強大又復雜。顯然，systemd 不是單一、龐大、獨體且不可知的二進制文件。相反，它是由許多較小的組件和旨在執(zhí)行特定任務的子命令組成。
本系列的下一篇文章將更詳細地探討 systemd 的啟動，以及 systemd 的配置文件，更改默認的目標以及如何創(chuàng)建簡單服務單元。
資源
互聯(lián)網(wǎng)上有大量關(guān)于 systemd 的信息，但是很多都很簡短、晦澀甚至是帶有誤導。除了本文提到的資源外，以下網(wǎng)頁還提供了有關(guān) systemd 啟動的更詳細和可靠的信息。
- Fedora 項目有一個很好的實用的 systemd 指南。它有你需要知道的通過 systemd 來配置、管理和維護 Fedora 主機所需的幾乎所有知識。
- Fedora 項目還有一個不錯的速記表，將老的 SystemV 命令與對比的 systemd 命令相互關(guān)聯(lián)。
- 有關(guān) systemd 的詳細技術(shù)信息及創(chuàng)建它的原因，請查看 Freedesktop.org 對 systemd 描述。
- Linux.com 的“systemd 的更多樂趣”提供了更高級的 systemd 信息和技巧。
- 重新思考 1 號進程
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 I
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 II
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 III
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 IV
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 V
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 VI
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 VII
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 VIII
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 IX
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 X
- systemd 系統(tǒng)管理員篇 XI
本文題目：學會愛上systemd
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