关于 systemd 的初步理解

从 init 系统说起

Linux 操作系统的启动首先从 BIOS 开始,接下来进入 boot loader,由 bootloader 载入内核,进行内核初始化。内核初始化的最后一步就是启动 PID 为 1 的 init 进程。这个进程是系统的第一个进程。它负责产生其他所有的用户进程。init 进程以守护进程(也就是服务)的方式存在,是所有其他进程的祖先。init 进程非常独特,能够完成其他进程无法完成的任务。
init 系统能够定义、管理和控制 init 进程的行为。它负责组织和运行许多独立的或相关的初始化工作(因此被称为 init 系统),从而让计算机系统进入某种用户预定义的运行模式,比如命令行模式或图形界面模式 。
对于一个操作系统而言,仅仅将内核运行起来是毫无实际用途的,必须由 init 系统将操作系统初始化为可操作的状态。比如启动 shell 后,便有了人机交互,这样就可以让计算机执行一些程序完成有实际意义的任务。或者启动 X 图形系统以便提供更佳的人机界面,更加高效的完成任务。这里,字符界面的 shell 或者 X 系统都是一种预设的运行模式。

随着计算机系统软硬件的发展,init 系统也在不断的发展变化之中。大体上的演进路线为 sysvinit -> upstart -> systemd。虽然本文的目的是要介绍 systemd,但是笔者觉得如果能从历史发展的角度观察 init 系统的演进,将会帮助我们更好的理解、使用 systemd。

sysvinit

sysvinit 就是 System V 风格的 init 系统,顾名思义,它源于 System V 系列的 UNIX。最初的 linux 发行版几乎都是采用 sysvinit 作为 init 系统。sysvinit 用术语 runlevel 来定义 "预订的运行模式"。比如 runlevel 3 是命令行模式,runlevel 5 是图形界面模式,runlevel 0 是关机,runlevel 6 是重启。sysvinit 会按照下面的顺序按部就班的初始化系统:

激活 udev 和 selinux

设置定义在 /etc/sysctl.conf 中的内核参数

设置系统时钟

加载 keymaps

启用交换分区

设置主机名(hostname)

根分区检查和 remount

激活 RAID 和 LVM 设备

开启磁盘配额

检查并挂载所有文件系统

清除过期的 locks 和 PID 文件

最后找到指定 runlevel 下的脚本并执行,其实就是启动服务。

除了负责初始化系统,sysvinit 还要负责关闭系统,主要是在系统关闭是为了保证数据的一致性,需要小心地按照顺序进行任务的结束和清理工作。另外,sysvinit 还提供了很多管理和控制系统的命令,比如 halt、init、mesg、shutdown、reboot 等等。
sysvinit 的优点是概念简单。特别是服务(service)的配置,只需要把启动/停止服务的脚本链接接到合适的目录就可以了。
sysvinit 的另一个重要优点是确定的执行顺序,脚本严格按照顺序执行(sysvinit 靠脚本来初始化系统),一个执行完毕再执行下一个,这非常有益于错误排查。

同时,完全顺序执行任务也是 sysvinit 最致命的缺陷。如果 linux 系统只用于服务器系统,那么漫长的启动过程可能并不是什么问题,毕竟我们是不会经常重启服务器的。但是现在 linux 被越来越多的用在了桌面系统中,漫长的启动过程对桌面用户来说是不能接受的。除了启动慢,sysvinit 还有一些其它的缺陷,比如不能很好的处理即插即用的设备,对网络共享磁盘的挂载也存在一定的问题,于是 init 系统开始了它的进化之旅。

upstart

由于 sysvinit 系统的种种弊端,Ubuntu 的开发人员决定重新设计和开发一个全新的 init 系统,即 upstart upstart 是第一个被广泛应用的新一代 init 系统。

upstart 基于事件机制,比如 U 盘插入 USB 接口后,udev 得到内核通知,发现该设备,这就是一个新的事件。upstart 在感知到该事件之后触发相应的等待任务,比如处理 /etc/fstab 中存在的挂载点。采用这种事件驱动的模式,upstart 完美地解决了即插即用设备带来的新问题。采用事件驱动机制也带来了一些其它有益的变化,比如加快了系统启动时间。sysvinit 运行时是同步阻塞的。一个脚本运行的时候,后续脚本必须等待。这意味着所有的初始化步骤都是串行执行的,而实际上很多服务彼此并不相关,完全可以并行启动,从而减小系统的启动时间。

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