Linux---系统守护systemd（System Daemon)

一、systemd 概述

1. 定位与作用

• init 系统替代品：作为 Linux 系统的第 1 个进程（PID=1），替代传统的 SysVinit 和 Upstart，负责管理系统服务、启动流程、资源分配等。
• 统一管理：通过 单元（Unit） 抽象各类系统资源，包括服务（service）、套接字（socket）、设备（device）、挂载点（mount）、目标（target）等。
• 设计目标：高性能（并行启动）、高可用性、模块化、标准化配置。

2. 核心组件

• systemd：主程序，作为 init 进程运行。
• systemctl：核心命令行工具，用于管理单元（启动/停止/重启服务、查看状态等）。
• systemd-analyze：分析系统启动时间、依赖关系等。
• journalctl：查看系统日志（与 systemd-journald 日志系统集成）。
• 其他工具：如 hostnamectl（主机名管理）、timedatectl（时间管理）等。

二、服务单元（.service）核心概念

服务单元 是 systemd 中最常用的单元类型，用于管理后台服务（如 sshd、httpd）。

三、服务单元文件结构

服务单元文件通常位于：

• 系统服务：/etc/systemd/system/（用户自定义）、/usr/lib/systemd/system/（官方默认）。
• 用户服务：~/.config/systemd/user/（仅当前用户可用）。

文件命名规则：服务名.service（如 nginx.service）。

典型文件示例：

[Unit]
Description=NGINX Web Server
Documentation=man:nginx(8)
After=network.target remote-fs.target nss-lookup.target
Wants=network-online.target[Service]
Type=forking
PIDFile=/run/nginx.pid
ExecStart=/usr/sbin/nginx -g 'daemon on; master_process on;'
ExecReload=/usr/sbin/nginx -s reload
ExecStop=/usr/sbin/nginx -s stop
Restart=on-failure
RestartSec=5
User=nginx
Group=nginx
LimitNOFILE=65535[Install]
WantedBy=multi-user.target

WantedBy=multi-user.target：将此服务添加到 multi-user.target（多用户运行级别）的依赖列表中。当系统进入多用户模式时，会自动启动此服务。这相当于传统的 “开机自启” 设置。WantedBy 表示软依赖（通过符号链接实现），如果服务启动失败，不会影响目标的激活。

四、单元文件核心段（Section）

1. [Unit] 段：通用配置

• Description：服务描述，供用户阅读。
• Documentation：文档路径（支持 URL、man 手册等）。
• 依赖关系：
  • After=xxx.target：本服务在 xxx.target 之后启动（不检查依赖是否成功）。
  • Before=xxx.target：本服务在 xxx.target 之前启动。
  • Requires=xxx.service：强依赖，若依赖的服务启动失败，本服务也会失败（如 Requires=network.service）。
  • Wants=xxx.service：弱依赖，依赖的服务启动失败不影响本服务（如 Wants=network-online.target）。
  • BindsTo=xxx.service：与依赖服务生命周期绑定（同生共死）。
• 冲突关系：
  • Conflicts=xxx.service：禁止与指定服务同时运行（如 Conflicts=apache2.service）。

2. [Service] 段：服务核心配置

• Type=：定义服务进程模型（关键配置）：

  类型	说明	典型场景
  simple	主进程为前台进程（默认值），systemd 认为服务启动成功当 ExecStart 运行后。	大多数现代服务（如 Node.js）
  forking	主进程启动后 fork 子进程，父进程退出（通过 PIDFile 指定子进程 PID）。	传统 Unix 守护进程（如 Nginx）
  oneshot	一次性任务（执行完 ExecStart 即退出），需配合 RemainAfterExit=yes 保持单元激活。	数据备份、初始化脚本
  dbus	需获取 D-Bus 名称后才算启动成功（通过 BusName= 指定名称）。	依赖 D-Bus 的服务
  notify	通过 sd_notify 接口通知 systemd 启动完成（需程序支持）。	支持通知协议的服务
  idle	所有非空闲任务完成后才启动服务。	低优先级任务（如日志轮转）

• 进程管理：

  • ExecStart=：启动服务的命令或脚本（必填）。
  • ExecStartPre=：启动前执行的命令（可多次定义，按顺序执行）。
  • ExecStartPost=：启动后执行的命令。
  • ExecReload=：重新加载配置的命令（如 kill -HUP $PID）。
  • ExecStop=：停止服务的命令（默认 kill -TERM $MAINPID）。
  • ExecStopPost=：停止后执行的命令。
  • PIDFile=：指定 PID 文件路径（配合 Type=forking 使用）。

• 重启策略：

  • Restart=：控制服务崩溃后的重启行为，可选值：
    • no（默认）：不重启。
    • on-success：仅在正常退出时重启（非错误退出不重启）。
    • on-failure：异常退出时重启（如退出码非 0、被信号终止）。
    • on-abnormal：因信号（非 SIGTERM/SIGKILL）或超时退出时重启。
    • on-watchdog：触发 watchdog 超时（需配置 WatchdogSec=）时重启。
    • always：无论何种原因退出，始终重启。
  • RestartSec=：重启前的等待时间（默认 10s）。
  • StartLimitInterval=：限制单位时间内的重启次数（防雪崩，如 StartLimitInterval=5s）。

• 资源限制：

  • CPUQuota=：限制 CPU 使用率（如 CPUQuota=50%，需内核支持 CGroups）。
  • MemoryLimit=：限制内存使用（如 MemoryLimit=1G）。
  • LimitNOFILE=：最大打开文件数（如 LimitNOFILE=10240）。
  • TasksMax=：限制进程数（如 TasksMax=500）。

• 安全设置：

  • User=/Group=：以指定用户/组运行服务（避免 root 权限）。
  • PrivateTmp=：为服务创建独立的临时目录（默认 yes，隔离文件系统）。
  • ProtectSystem=：限制对系统文件的访问（如 ProtectSystem=strict 禁止访问 /usr//etc）。

• 环境变量：

  • Environment=：直接设置环境变量（如 Environment="HTTP_PROXY=http://proxy.example.com"）。
  • EnvironmentFile=：从文件读取环境变量（如 EnvironmentFile=/etc/sysconfig/nginx）。

3. [Install] 段：安装与激活配置

• WantedBy=target：将服务添加到指定目标的依赖列表（最常用，相当于“开机自启”）。
  • 示例：WantedBy=multi-user.target（多用户模式启动）、WantedBy=graphical.target（图形界面模式启动）。
• RequiredBy=target：强依赖，目标启动时必须启动本服务（慎用，避免循环依赖）。
• Alias=：为服务创建别名（如 Alias=nginx-server.service）。

五、服务管理常用命令（systemctl）

操作	命令示例	说明
查看所有服务	systemctl list-units --type=service --all	包括活跃、非活跃、失败的服务
查看活跃服务	systemctl list-units --type=service	仅显示运行中的服务
启动服务	systemctl start nginx.service	立即启动服务
停止服务	systemctl stop nginx.service	立即停止服务
重启服务	systemctl restart nginx.service	先停止再启动
重新加载配置	systemctl reload nginx.service	不重启服务，仅重新加载配置
查看服务状态	systemctl status nginx.service	显示运行状态、日志等
启用开机自启	systemctl enable nginx.service	写入默认运行目标（如 multi-user.target）
禁用开机自启	systemctl disable nginx.service	移除开机自启配置
查看服务依赖关系	systemctl list-dependencies nginx.service	显示直接/间接依赖
临时激活服务（重启后失效）	systemctl start nginx.service --now	仅本次启动有效
查看用户服务	systemctl --user list-units --type=service	管理当前用户的服务

六、高级特性与最佳实践

1. 服务依赖与启动顺序

• 避免循环依赖：如 A.Requires=B 且 B.Requires=A，systemd 会拒绝启动。
• 按需启动（Socket 激活）：通过 .socket 单元监听端口，仅当有请求时启动服务（如 sshd.socket 激活 sshd.service）。
  • 优势：减少资源占用，延迟启动服务。

2. 资源隔离与容器化

• systemd-nspawn：轻量级容器工具，基于 systemd 实现进程隔离。
• Scope 单元：动态创建的临时单元（如 systemd-run --scope --user my-script.sh），用于短期任务。

3. 日志管理（journalctl）

• 服务日志默认由 systemd-journald 收集，可通过 journalctl 查看：

  journalctl -u nginx.service       # 查看指定服务日志  
  journalctl -u nginx --since today # 查看今日日志  
  journalctl -f -u nginx           # 实时跟踪日志  
  

• 配置日志持久化：修改 /etc/systemd/journald.conf，设置 Storage=persistent 并重启 systemd-journald 服务。

4. 系统启动目标（Target）

• 传统运行级别映射：

  systemd 目标	传统运行级别	说明
  graphical.target	5	图形界面多用户模式
  multi-user.target	3	无图形界面多用户模式
  rescue.target	1	单用户救援模式
  emergency.target	0	紧急 Shell（无文件系统挂载）
  shutdown.target	6	关机

• 切换目标：

  systemctl isolate multi-user.target  # 切换至多用户模式  
  systemctl set-default graphical.target # 设置默认启动目标为图形界面  
  

5. 用户服务（User Services）

• 用于管理当前用户的后台进程（如个人脚本、GUI 工具），优势：
  • 无需 root 权限，随用户登录自动启动。
  • 配置文件位于 ~/.config/systemd/user/。
• 示例：定义一个用户级别的定时备份服务：

  [Unit]
  Description=Daily Backup Service[Service]
  Type=oneshot
  ExecStart=/home/user/backup.sh[Install]
  WantedBy=default.target
  

  激活：systemctl --user enable --now daily-backup.service

七、故障排查与性能优化

1. 启动时间分析：

   systemd-analyze blame  # 按耗时排序启动项  
   systemd-analyze plot > boot.svg  # 生成启动时间可视化图表  
   

2. 服务状态诊断：
   • systemctl status service-name 查看运行状态，注意 Active: 字段（active(running) 表示正常，active(failed) 表示异常）。
   • 检查日志中是否有错误信息（journalctl -u service-name）。
3. 依赖循环排查：

   systemctl list-dependencies --reverse service-name  # 反向查看依赖链  
   

4. 资源限制调优：
   • 若服务频繁崩溃，尝试增加 MemoryLimit= 或调整 Restart= 策略。
   • 使用 systemd-cgtop 实时监控服务资源占用。

八、自定义服务示例

[Unit]
Description=ROS2 Vision Launch Service
After=network.target[Service]
Type=simple
User=kyleExecStartPre=/bin/sleep 5
ExecStart=/bin/bash -c 'cd /home/kyle/RM/Observation_of_whole_robot && source install/setup.bash && ros2 launch rm_vision_bringup vision_bringup.launch.py'Restart=always
RestartSec=5
# 防止服务重启过快导致资源耗尽
StartLimitInterval=60s
StartLimitBurst=3[Install]
WantedBy=multi-user.target

启用并启动服务

sudo systemctl daemon-reload   #重载 systemd 配置
sudo systemctl enable ros2_vision.service  #激活服务
sudo systemctl start ros2_vision.service

检查服务的状态

sudo systemctl status ros2_vision.service

九、注意事项与陷阱

1. 避免直接修改官方服务文件：
   • 官方服务文件位于 /usr/lib/systemd/system/，修改后可能被系统更新覆盖。
   • 正确做法：通过 systemctl edit service-name 创建覆盖文件（存于 /etc/systemd/system/service-name.d/）。
2. Type 配置错误：
   • 若 Type=forking 但未指定 PIDFile=，systemd 会误认为服务启动失败。
3. 环境变量作用域：
   • EnvironmentFile= 引用的文件需注意权限（建议权限 644，避免敏感信息泄露）。
4. 资源限制的内核支持：
   • CGroups 相关配置（如 MemoryLimit=）需内核启用 CGroups v2，否则可能不生效。

十、延伸知识点（非服务单元，但需了解）

• Socket 单元（.socket）：监听端口或 Unix 套接字，触发对应服务启动（如 dbus.socket）。
• Target 单元（.target）：逻辑分组，用于组织多个服务（如 graphical.target 包含桌面环境相关服务）。
• Timer 单元（.timer）：定时任务，替代传统 cron（如 logrotate.timer）。
• Mount 单元（.mount）：管理文件系统挂载（如自动挂载 NFS 共享）。

总结：systemd 核心优势

• 并行启动：通过依赖关系分析，并行启动无依赖的服务，大幅缩短启动时间。
• 标准化配置：统一的单元文件格式，易于维护和迁移。
• 强大的管理工具链：systemctl、journalctl、systemd-analyze 等工具覆盖全生命周期管理。
• 资源精细化控制：通过 CGroups 实现 CPU、内存、进程数等资源的隔离与限制。