Linux系統的啟動方式有點復雜，而且總是有需要優化的地方。傳統的Linux系統啟動過程主要由著名的init進程（也被稱為SysV init啟動系統）處理，而基于init的啟動系統被認為有效率不足的問題，systemd是Linux系統機器的另一種啟動方式，宣稱彌補了以傳統Linux SysV init為基礎的系統的缺點。在這里我們將著重討論systemd的特性和爭議，但是為了更好地理解它，也會看一下通過傳統的以SysV init為基礎的系統的Linux啟動過程是什么樣的。友情提醒一下，systemd仍然處在測試階段，而未來發布的Linux操作系統也正準備用systemd啟動管理程序替代當前的啟動過程（LCTT 譯注：截止到本文發表，主流的Linux發行版已經有很多采用了 systemd）。

理解Linux啟動過程

在我們打開Linux電腦的電源后第一個啟動的進程就是init。分配給init進程的PID是1。它是系統其他所有進程的父進程。當一臺Linux電腦啟動后，處理器會先在系統存儲中查找BIOS，之后BIOS會檢測系統資源然后找到第一個引導設備，通常為硬盤，然后會查找硬盤的主引導記錄（MBR），然后加載到內存中并把控制權交給它，以后的啟動過程就由MBR控制。

主引導記錄會初始化引導程序（Linux上有兩個著名的引導程序，GRUB和LILO，80%的Linux系統在用GRUB引導程序），這個時候GRUB或LILO會加載內核模塊。內核會馬上查找/sbin下的“init”程序并執行它。從這里開始init成為了Linux系統的父進程。init讀取的第一個文件是/etc/inittab，通過它init會確定我們Linux操作系統的運行級別。它會從文件/etc/fstab里查找分區表信息然后做相應的掛載。然后init會啟動/etc/init.d里指定的默認啟動級別的所有服務/腳本。所有服務在這里通過init一個一個被初始化。在這個過程里，init每次只啟動一個服務，所有服務/守護進程都在后臺執行并由init來管理。

關機過程差不多是相反的過程，首先init停止所有服務，最后階段會卸載文件系統。

以上提到的啟動過程有一些不足的地方。而用一種更好的方式來替代傳統init的需求已經存在很長時間了。也產生了許多替代方案。其中比較著名的有Upstart，Epoch，Muda和Systemd。而Systemd獲得最多關注并被認為是目前最佳的方案。

理解Systemd

開發Systemd的主要目的就是減少系統引導時間和計算開銷。Systemd（系統管理守護進程），最開始以GNU GPL協議授權開發，現在已轉為使用GNU LGPL協議，它是如今討論最熱烈的引導和服務管理程序。如果你的Linux系統配置為使用Systemd引導程序，它取替傳統的SysV init，啟動過程將交給systemd處理。Systemd的一個核心功能是它同時支持SysV init的后開機啟動腳本。

Systemd引入了并行啟動的概念，它會為每個需要啟動的守護進程建立一個套接字，這些套接字對于使用它們的進程來說是抽象的，這樣它們可以允許不同守護進程之間進行交互。Systemd會創建新進程并為每個進程分配一個控制組（cgroup）。處于不同控制組的進程之間可以通過內核來互相通信。systemd處理開機啟動進程的方式非常漂亮，和傳統基于init的系統比起來優化了太多。讓我們看下Systemd的一些核心功能。

和init比起來引導過程簡化了很多

Systemd支持并發引導過程從而可以更快啟動

通過控制組來追蹤進程，而不是PID

優化了處理引導過程和服務之間依賴的方式

支持系統快照和恢復

監控已啟動的服務；也支持重啟已崩潰服務

包含了systemd-login模塊用于控制用戶登錄

支持加載和卸載組件

低內存使用痕跡以及任務調度能力

記錄事件的Journald模塊和記錄系統日志的syslogd模塊

Systemd同時也清晰地處理了系統關機過程。它在/usr/lib/systemd/目錄下有三個腳本，分別叫systemd-halt.service，systemd-poweroff.service，systemd-reboot.service。這幾個腳本會在用戶選擇關機，重啟或待機時執行。在接收到關機事件時，systemd首先卸載所有文件系統并停止所有內存交換設備，斷開存儲設備，之后停止所有剩下的進程。

Systemd結構概覽

讓我們看一下Linux系統在使用systemd作為引導程序時的開機啟動過程的結構性細節。為了簡單，我們將在下面按步驟列出來這個過程：

1.?當你打開電源后電腦所做的第一件事情就是BIOS初始化。BIOS會讀取引導設備設定，定位并傳遞系統控制權給MBR（假設硬盤是第一引導設備）。

2.?MBR從Grub或LILO引導程序讀取相關信息并初始化內核。接下來將由Grub或LILO繼續引導系統。如果你在grub配置文件里指定了systemd作為引導管理程序，之后的引導過程將由systemd完成。Systemd使用“target”來處理引導和服務管理過程。這些systemd里的“target”文件被用于分組不同的引導單元以及啟動同步進程。

3.?systemd執行的第一個目標是default.target。但實際上default.target是指向graphical.target的軟鏈接。Linux里的軟鏈接用起來和Windows下的快捷方式一樣。文件Graphical.target的實際位置是/usr/lib/systemd/system/graphical.target。在下面的截圖里顯示了graphical.target文件的內容。

4.?在這個階段，會啟動multi-user.target而這個target將自己的子單元放在目錄“/etc/systemd/system/multi-user.target.wants”里。這個target為多用戶支持設定系統環境。非root用戶會在這個階段的引導過程中啟用。防火墻相關的服務也會在這個階段啟動。

"multi-user.target"會將控制權交給另一層“basic.target”。

5.?"basic.target"單元用于啟動普通服務特別是圖形管理服務。它通過/etc/systemd/system/basic.target.wants目錄來決定哪些服務會被啟動，basic.target之后將控制權交給sysinit.target.

6.?"sysinit.target"會啟動重要的系統服務例如系統掛載，內存交換空間和設備，內核補充選項等等。sysinit.target在啟動過程中會傳遞給local-fs.target。這個target單元的內容如下面截圖里所展示。

7.?local-fs.target，這個target單元不會啟動用戶相關的服務，它只處理底層核心服務。這個target會根據/etc/fstab和/etc/inittab來執行相關操作。

系統引導性能分析

Systemd提供了工具用于識別和定位引導相關的問題或性能影響。Systemd-analyze是一個內建的命令，可以用來檢測引導過程。你可以找出在啟動過程中出錯的單元，然后跟蹤并改正引導組件的問題。在下面列出一些常用的systemd-analyze命令。

systemd-analyze time?用于顯示內核和普通用戶空間啟動時所花的時間。

$ systemd-analyze time

Startup?finished?in1440ms(kernel)+3444ms(userspace)

systemd-analyze blame?會列出所有正在運行的單元，按從初始化開始到當前所花的時間排序，通過這種方式你就知道哪些服務在引導過程中要花較長時間來啟動。

$ systemd-analyze blame

2001ms?mysqld.service

234ms?httpd.service

191ms?vmms.service

systemd-analyze verify?顯示在所有系統單元中是否有語法錯誤。

systemd-analyze plot?可以用來把整個引導過程寫入一個SVG格式文件里。整個引導過程非常長不方便閱讀，所以通過這個命令我們可以把輸出寫入一個文件，之后再查看和分析。下面這個命令就是做這個。

systemd-analyze plot?>?boot.svg

Systemd的爭議

Systemd并沒有幸運地獲得所有人的青睞，一些專家和管理員對于它的工作方式和開發有不同意見。根據對于Systemd的批評，它不是“類Unix”方式因為它試著替換一些系統服務。一些專家也不喜歡使用二進制配置文件的想法。據說編輯systemd配置非常困難而且沒有一個可用的圖形工具。

如何在Ubuntu?14.04和12.04上測試Systemd

本來，Ubuntu決定從Ubuntu 16.04 LTS開始使用Systemd來替換當前的引導過程。Ubuntu 16.04預計在2016年4月發布，但是考慮到Systemd的流行和需求，剛剛發布的Ubuntu 15.04采用它作為默認引導程序。另外，Ubuntu 14.04 Trusty Tahr和Ubuntu 12.04 Precise Pangolin的用戶可以在他們的機器上測試Systemd。測試過程并不復雜，你所要做的只是把相關的PPA包含到系統中，更新倉庫并升級系統。

聲明：請注意它仍??處于Ubuntu的測試和開發階段。升級測試包可能會帶來一些未知錯誤，最壞的情況下有可能損壞你的系統配置。請確保在嘗試升級前已經備份好重要數據。

在終端里運行下面的命令來添加PPA到你的Ubuntu系統里：

sudo add-apt-repository ppa:pitti/systemd

你將會看到警告信息因為我們嘗試使用臨時/測試PPA，而它們是不建議用于實際工作機器上的。

然后運行下面的命令更新APT包管理倉庫。

sudo apt-get?update

運行下面的命令升級系統。

sudo apt-get?dist-upgrade

就這些，你應該已經可以在你的Ubuntu系統里看到Systemd配置文件了，打開/lib/systemd/目錄可以看到這些文件。

好吧，現在讓我們編輯一下grub配置文件指定systemd作為默認引導程序。可以使用Gedit文字編輯器編輯grub配置文件。

sudo gedit?/etc/default/grub

在文件里修改GRUBCMDLINELINUX_DEFAULT項，設定它的參數為：“init=/lib/systemd/systemd”

就這樣，你的Ubuntu系統已經不再使用傳統的引導程序了，改為使用Systemd管理器。重啟你的機器然后查看systemd引導過程吧。

結論

Systemd毫無疑問為改進Linux引導過程前進了一大步；它包含了一套漂亮的庫和守護進程配合工作來優化系統引導和關閉過程。許多Linux發行版正準備將它作為自己的正式引導程序。在以后的Linux發行版中，我們將有望看到systemd開機。但是另一方面，為了獲得成功并廣泛應用，systemd仍需要認真處理批評意見。

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