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：

ini 复制代码

[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：

bash 复制代码

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 ：

bash 复制代码

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：
ini 复制代码
```
[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

启动时间分析 ：

bash 复制代码

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

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）。

依赖循环排查 ：

bash 复制代码

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

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

bash 复制代码

[Unit]
Description=ROS2 Vision Launch Service
After=network.target

[Service]
Type=simple
User=kyle

ExecStartPre=/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

bash 复制代码

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

bash 复制代码

sudo systemctl status ros2_vision.service

九、注意事项与陷阱

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/）。
Type 配置错误 ：
- 若 Type=forking 但未指定 PIDFile=，systemd 会误认为服务启动失败。
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）。
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。