浅析 Linux 初始化 init 系统，第 3 部分: Systemd
近年来，Linux 系统的 init 进程经历了两次重大的演进，传统的 sysvinit 已经逐渐淡出历史舞台，新的 UpStart 和 systemd 各有特点，越来越多的 Linux 发行版采纳了 systemd。本文简要介绍了这三种 init 系统的使用和原理，每个 Linux 系统管理员和系统软件开发者都应该了解它们，以便更好地管理系统和开发应用。本文是系列的第 3 部分，主要讲述 systemd 的特点和使用。
Systemd 的简介和特点
Systemd 是 Linux 系统中最新的初始化系统（init），它主要的设计目标是克服 sysvinit 固有的缺点，提高系统的启动速度。systemd 和 Ubuntu 的 upstart 是竞争对手，预计会取代 UpStart，实际上在作者写作本文时，已经有消息称 Ubuntu 也将采用 systemd 作为其标准的系统初始化系统。
Systemd 的很多概念来源于苹果 Mac OS 操作系统上的 launchd，不过 launchd 专用于苹果系统，因此长期未能获得应有的广泛关注。Systemd 借鉴了很多 launchd 的思想，它的重要特性如下：
同 SysVinit 和 LSB init scripts 兼容
Systemd 是一个"新来的"，Linux 上的很多应用程序并没有来得及为它做相应的改变。和 UpStart 一样，systemd 引入了新的配置方式，对应用程序的开发也有一些新的要求。如果 systemd 想替代目前正在运行的初始化系统，就必须和现有程序兼容。任何一个 Linux 发行版都很难为了采用 systemd 而在短时间内将所有的服务代码都修改一遍。
Systemd 提供了和 Sysvinit 以及 LSB initscripts 兼容的特性。系统中已经存在的服务和进程无需修改。这降低了系统向 systemd 迁移的成本，使得 systemd 替换现有初始化系统成为可能。
更快的启动速度
Systemd 提供了比 UpStart 更激进的并行启动能力，采用了 socket / D-Bus activation 等技术启动服务。一个显而易见的结果就是：更快的启动速度。
为了减少系统启动时间，systemd 的目标是：
- 尽可能启动更少的进程
- 尽可能将更多进程并行启动
同样地，UpStart 也试图实现这两个目标。UpStart 采用事件驱动机制，服务可以暂不启动，当需要的时候才通过事件触发其启动，这符合第一个设计目标；此外，不相干的服务可以并行启动，这也实现了第二个目标。
下面的图形演示了 UpStart 相对于 SysVInit 在并发启动这个方面的改进：
图 1. UpStart 对 SysVinit 的改进
假设有 7 个不同的启动项目， 比如 JobA、Job B 等等。在 SysVInit 中，每一个启动项目都由一个独立的脚本负责，它们由 sysVinit 顺序地，串行地调用。因此总的启动时间为 T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7。其中一些任务有依赖关系，比如 A,B,C,D。
而 Job E 和 F 却和 A,B,C,D 无关。这种情况下，UpStart 能够并发地运行任务{E，F，(A,B,C,D)}，使得总的启动时间减少为 T1+T2+T3。
这无疑增加了系统启动的并行性，从而提高了系统启动速度。但是在 UpStart 中，有依赖关系的服务还是必须先后启动。比如任务 A,B,(C,D)因为存在依赖关系，所以在这个局部，还是串行执行。
让我们例举一些例子， Avahi 服务需要 D-Bus 提供的功能，因此 Avahi 的启动依赖于 D-Bus，UpStart 中，Avahi 必须等到 D-Bus 启动就绪之后才开始启动。类似的，livirtd 和 X11 都需要 HAL 服务先启动，而所有这些服务都需要 syslog 服务记录日志，因此它们都必须等待 syslog 服务先启动起来。然而 httpd 和他们都没有关系，因此 httpd 可以和 Avahi 等服务并发启动。
Systemd 能够更进一步提高并发性，即便对于那些 UpStart 认为存在相互依赖而必须串行的服务，比如 Avahi 和 D-Bus 也可以并发启动。从而实现如下图所示的并发启动过程：
图 2. systemd 的并发启动
所有的任务都同时并发执行，总的启动时间被进一步降低为 T1。
可见 systemd 比 UpStart 更进一步提高了并行启动能力，极大地加速了系统启动时间。
systemd 提供按需启动能力
当 sysvinit 系统初始化的时候，它会将所有可能用到的后台服务进程全部启动运行。并且系统必须等待所有的服务都启动就绪之后，才允许用户登录。这种做法有两个缺点：首先是启动时间过长；其次是系统资源浪费。
某些服务很可能在很长一段时间内，甚至整个服务器运行期间都没有被使用过。比如 CUPS，打印服务在多数服务器上很少被真正使用到。您可能没有想到，在很多服务器上 SSHD 也是很少被真正访问到的。花费在启动这些服务上的时间是不必要的；同样，花费在这些服务上的系统资源也是一种浪费。
Systemd 可以提供按需启动的能力，只有在某个服务被真正请求的时候才启动它。当该服务结束，systemd 可以关闭它，等待下次需要时再次启动它。
Systemd 采用 Linux 的 Cgroup 特性跟踪和管理进程的生命周期
init 系统的一个重要职责就是负责跟踪和管理服务进程的生命周期。它不仅可以启动一个服务，也必须也能够停止服务。这看上去没有什么特别的，然而在真正用代码实现的时候，您或许会发现停止服务比一开始想的要困难。
服务进程一般都会作为精灵进程（daemon）在后台运行，为此服务程序有时候会派生(fork)两次。在 UpStart 中，需要在配置文件中正确地配置 expect 小节。这样 UpStart 通过对 fork 系统调用进行计数，从而获知真正的精灵进程的 PID 号。比如图 3 所示的例子：
图 3. 找到正确 pid
如果 UpStart 找错了，将 p1`作为服务进程的 Pid，那么停止服务的时候，UpStart 会试图杀死 p1`进程，而真正的 p1``进程则继续执行。换句话说该服务就失去控制了。
还有更加特殊的情况。比如，一个 CGI 程序会派生两次，从而脱离了和 Apache 的父子关系。当 Apache 进程被停止后，该 CGI 程序还在继续运行。而我们希望服务停止后，所有由它所启动的相关进程也被停止。
为了处理这类问题，UpStart 通过 strace 来跟踪 fork、exit 等系统调用，但是这种方法很笨拙，且缺乏可扩展性。systemd 则利用了 Linux 内核的特性即 CGroup 来完成跟踪的任务。当停止服务时，通过查询 CGroup，systemd 可以确保找到所有的相关进程，从而干净地停止服务。
CGroup 已经出现了很久，它主要用来实现系统资源配额管理。CGroup 提供了类似文件系统的接口，使用方便。当进程创建子进程时，子进程会继承父进程的 CGroup。因此无论服务如何启动新的子进程，所有的这些相关进程都会属于同一个 CGroup，systemd 只需要简单地遍历指定的 CGroup 即可正确地找到所有的相关进程，将它们一一停止即可。
启动挂载点和自动挂载的管理
传统的 Linux 系统中，用户可以用/etc/fstab 文件来维护固定的文件系统挂载点。这些挂载点在系统启动过程中被自动挂载，一旦启动过程结束，这些挂载点就会确保存在。这些挂载点都是对系统运行至关重要的文件系统，比如 HOME 目录。和 sysvinit 一样，Systemd 管理这些挂载点，以便能够在系统启动时自动挂载它们。Systemd 还兼容/etc/fstab 文件，您可以继续使用该文件管理挂载点。
有时候用户还需要动态挂载点，比如打算访问 DVD 内容时，才临时执行挂载以便访问其中的内容，而不访问光盘时该挂载点被取消(umount)，以便节约资源。传统地，人们依赖 autofs 服务来实现这种功能。
Systemd 内建了自动挂载服务，无需另外安装 autofs 服务，可以直接使用 systemd 提供的自动挂载管理能力来实现 autofs 的功能。
实现事务性依赖关系管理
系统启动过程是由很多的独立工作共同组成的，这些工作之间可能存在依赖关系，比如挂载一个 NFS 文件系统必须依赖网络能够正常工作。Systemd 虽然能够最大限度地并发执行很多有依赖关系的工作，但是类似"挂载 NFS"和"启动网络"这样的工作还是存在天生的先后依赖关系，无法并发执行。对于这些任务，systemd 维护一个"事务一致性"的概念，保证所有相关的服务都可以正常启动而不会出现互相依赖，以至于死锁的情况。
能够对系统进行快照和恢复
systemd 支持按需启动，因此系统的运行状态是动态变化的，人们无法准确地知道系统当前运行了哪些服务。Systemd 快照提供了一种将当前系统运行状态保存并恢复的能力。
比如系统当前正运行服务 A 和 B，可以用 systemd 命令行对当前系统运行状况创建快照。然后将进程 A 停止，或者做其他的任意的对系统的改变，比如启动新的进程 C。在这些改变之后，运行 systemd 的快照恢复命令，就可立即将系统恢复到快照时刻的状态，即只有服务 A，B 在运行。一个可能的应用场景是调试：比如服务器出现一些异常，为了调试用户将当前状态保存为快照，然后可以进行任意的操作，比如停止服务等等。等调试结束，恢复快照即可。
这个快照功能目前在 systemd 中并不完善，似乎开发人员也没有特别关注它，因此有报告指出它还存在一些使用上的问题，使用时尚需慎重。
日志服务
systemd 自带日志服务 journald，该日志服务的设计初衷是克服现有的 syslog 服务的缺点。比如：
- syslog 不安全，消息的内容无法验证。每一个本地进程都可以声称自己是 Apache PID 4711，而 syslog 也就相信并保存到磁盘上。
- 数据没有严格的格式，非常随意。自动化的日志分析器需要分析人类语言字符串来识别消息。一方面此类分析困难低效；此外日志格式的变化会导致分析代码需要更新甚至重写。
Systemd Journal 用二进制格式保存所有日志信息，用户使用 journalctl 命令来查看日志信息。无需自己编写复杂脆弱的字符串分析处理程序。
Systemd Journal 的优点如下：
- 简单性：代码少，依赖少，抽象开销最小。
- 零维护：日志是除错和监控系统的核心功能，因此它自己不能再产生问题。举例说，自动管理磁盘空间，避免由于日志的不断产生而将磁盘空间耗尽。
- 移植性：日志 文件应该在所有类型的 Linux 系统上可用，无论它使用的何种 CPU 或者字节序。
- 性能：添加和浏览 日志 非常快。
- 最小资源占用：日志 数据文件需要较小。
- 统一化：各种不同的日志存储技术应该统一起来，将所有的可记录事件保存在同一个数据存储中。所以日志内容的全局上下文都会被保存并且可供日后查询。例如一条固件记录后通常会跟随一条内核记录，最终还会有一条用户态记录。重要的是当保存到硬盘上时这三者之间的关系不会丢失。Syslog 将不同的信息保存到不同的文件中，分析的时候很难确定哪些条目是相关的。
- 扩展性：日志的适用范围很广，从嵌入式设备到超级计算机集群都可以满足需求。
- 安全性：日志 文件是可以验证的，让无法检测的修改不再可能。