Systemd构建容器化微服务集群管理系统

实训背景

你是一家云计算公司的 DevOps 工程师，需为某客户设计一套基于 Docker 的微服务集群管理系统，需求如下：

1. 容器自启管理：确保三个服务（webapp、api、redis）在系统启动时自动运行。
2. 依赖顺序控制：redis 必须在 api 之前启动，api 必须在 webapp之前启动。
3. 健康检查与自愈：若 webapp 崩溃，10秒内自动重启。
4. 资源隔离：限制 redis 容器最多使用 1GB 内存和 2 核 CPU。

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环境准备

1. 操作系统：Ubuntu 22.04 LTS。
2. 软件依赖：

   sudo apt install docker.io
   sudo systemctl enable docker  # 启用 Docker 服务
   

3. 镜像准备：

   docker pull nginx:alpine      # 模拟 webapp
   docker pull node:18          # 模拟 api
   docker pull redis:7          # 数据库
   

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实训步骤

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任务1：定义容器服务单元文件

目标：为每个容器创建独立的 systemd 服务文件。

操作步骤：

1. 创建 redis 服务文件：

   sudo nano /etc/systemd/system/redis-container.service
   

   内容：

   [Unit]
   Description=Redis Container
   After=docker.service
   Requires=docker.service
   
   [Service]
   Type=simple
   Restart=always
   ExecStartPre=-/usr/bin/docker rm -f redis  # 清理旧容器
   ExecStart=/usr/bin/docker run --name redis \
              --memory="1g" --cpus="2.0" \    # 资源限制
              redis:7
   ExecStop=/usr/bin/docker stop redis
   
   [Install]
   WantedBy=multi-user.target
   

2. 创建 api 服务文件：

   sudo nano /etc/systemd/system/api-container.service
   

   内容：

   [Unit]
   Description=API Container
   After=redis-container.service  # 依赖 Redis
   Requires=redis-container.service
   
   [Service]
   Type=simple
   Restart=on-failure
   ExecStartPre=-/usr/bin/docker rm -f api
   ExecStart=/usr/bin/docker run --name api \
              --link redis:redis \           # 连接 Redis
              node:18 npm start
   ExecStop=/usr/bin/docker stop api
   

3. 创建 webapp 服务文件：

   sudo nano /etc/systemd/system/webapp-container.service
   

   内容：

   [Unit]
   Description=WebApp Container
   After=api-container.service    # 依赖 API
   Requires=api-container.service
   
   [Service]
   Type=notify                    # 等待健康检查信号
   Restart=always
   RestartSec=10                  # 崩溃后等待10秒重启
   ExecStartPre=-/usr/bin/docker rm -f webapp
   ExecStart=/usr/bin/docker run --name webapp \
              --link api:api \              # 连接 API
              -p 80:80 \
              nginx:alpine
   ExecStop=/usr/bin/docker stop webapp
   
   [Install]
   WantedBy=multi-user.target
   

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任务2：配置服务依赖与启动顺序

目标：确保服务按 redis → api → webapp 顺序启动。

操作步骤：

1. 验证依赖关系：

   systemctl list-dependencies webapp-container.service  # 查看依赖链
   

2. 手动测试启动顺序：

   sudo systemctl stop docker
   sudo systemctl start redis-container api-container webapp-container
   journalctl -f  # 观察启动顺序是否符合预期
   

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任务3：实现健康检查与自愈

目标：当 webapp 容器崩溃时自动重启。

操作步骤：

1. 修改 webapp 服务文件：
   在 [Service] 部分添加：

   Restart=always
   RestartSec=10
   TimeoutStartSec=300  # 等待容器启动的最长时间
   

2. 模拟崩溃测试：

   sudo docker kill webapp        # 手动杀死容器
   systemctl status webapp-container.service  # 观察是否重启
   journalctl -u webapp-container.service | grep "Starting container"
   

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任务4：应用资源限制

目标：限制 redis 容器资源使用。

操作步骤：

1. 修改 redis 服务文件：
   在 ExecStart 中已包含 --memory="1g" --cpus="2.0"。

2. 验证资源限制：

   docker stats redis  # 查看实时资源占用
   stress-ng --vm 2 --vm-bytes 800M  # 在容器内运行压力测试
   

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实训总结

通过本次实训，你实现了以下功能：

1. 容器生命周期管理：通过 systemd 控制 Docker 容器的启动、停止和重启。
2. 服务依赖链：确保微服务按正确顺序初始化。
3. 故障自愈：结合 Restart 策略实现服务高可用。
4. 资源隔离：防止单个容器耗尽系统资源。

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知识要点

1. Docker 与 systemd 集成：

   • 使用 ExecStart 直接调用 docker run 命令。
   • 通过 --memory 和 --cpus 限制容器资源。

2. 服务依赖控制：

   • After 和 Requires 定义启动顺序和强依赖。
   • 使用 systemctl list-dependencies 可视化依赖链。

3. 健康检查机制：

   • Type=notify 等待容器发送就绪信号。
   • RestartSec 控制重启间隔，避免频繁重启风暴。

4. 日志调试技巧：

   journalctl -u webapp-container.service --since "5 minutes ago"
   docker logs webapp  # 查看容器内部日志
   

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扩展挑战：

• 为服务添加动态扩缩容逻辑（如 CPU 使用率超过 80% 时自动增加实例）。
• 结合 systemd socket 实现 API 服务的按需启动。
• 使用 EnvironmentFile 将容器配置（如端口号）外置到文件。