Ubuntu 22.04 Systemd 服務管理進階

Systemd 概述

Systemd 是現代 Linux 發行版中最常見的初始化系統（init system），負責管理系統啟動流程、服務管理、日誌記錄等核心功能。在 Ubuntu 22.04 中，systemd 已成為預設的服務管理工具，取代了傳統的 SysVinit。

Systemd 的主要特點包括：

平行化啟動：加快系統開機速度
按需啟動：服務可在需要時才啟動
統一管理介面：透過 systemctl 統一管理所有服務
依賴關係追蹤：自動處理服務間的依賴
日誌整合：透過 journald 統一管理系統日誌

Unit 檔案結構與類型

Systemd 使用 Unit 檔案來定義各種系統資源。常見的 Unit 類型包括：

類型	副檔名	說明
Service	`.service`	定義系統服務
Timer	`.timer`	定時任務（類似 cron）
Socket	`.socket`	Socket 啟動服務
Target	`.target`	服務群組
Mount	`.mount`	掛載點
Path	`.path`	檔案系統路徑監控

Unit 檔案的存放位置：

/etc/systemd/system/：系統管理員自訂的 Unit 檔案（優先權最高）
/run/systemd/system/：執行時期產生的 Unit 檔案
/lib/systemd/system/：套件安裝的 Unit 檔案

建立自訂服務單元

以下是一個完整的自訂服務範例，用於執行一個 Python Web 應用程式：

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# /etc/systemd/system/myapp.service
[Unit]
Description=My Python Web Application
Documentation=https://example.com/docs
After=network.target postgresql.service
Wants=postgresql.service

[Service]
Type=simple
User=www-data
Group=www-data
WorkingDirectory=/opt/myapp
Environment="PATH=/opt/myapp/venv/bin"
Environment="PYTHONUNBUFFERED=1"
ExecStartPre=/opt/myapp/venv/bin/python manage.py migrate
ExecStart=/opt/myapp/venv/bin/gunicorn -w 4 -b 0.0.0.0:8000 myapp.wsgi
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID
ExecStop=/bin/kill -TERM $MAINPID
Restart=on-failure
RestartSec=5

[Install]
WantedBy=multi-user.target

建立服務後，執行以下指令啟用：

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# 重新載入 systemd 設定
sudo systemctl daemon-reload

# 啟動服務
sudo systemctl start myapp

# 設定開機自動啟動
sudo systemctl enable myapp

# 檢查服務狀態
sudo systemctl status myapp

Service 區段詳細設定

Service 區段是服務 Unit 的核心，以下是常用的設定選項：

Type 類型

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[Service]
# simple：預設值，ExecStart 啟動的程序為主程序
Type=simple

# forking：程序會 fork 子程序後退出
Type=forking
PIDFile=/run/myapp.pid

# oneshot：一次性執行，執行完畢後退出
Type=oneshot
RemainAfterExit=yes

# notify：服務準備好後會發送通知
Type=notify
NotifyAccess=main

執行身份與權限

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[Service]
User=appuser
Group=appgroup
# 禁止取得新權限
NoNewPrivileges=true
# 設定私有 /tmp
PrivateTmp=true
# 唯讀檔案系統
ProtectSystem=strict
# 允許寫入的目錄
ReadWritePaths=/var/lib/myapp /var/log/myapp

服務依賴關係設定

Systemd 提供多種方式來定義服務間的依賴關係：

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[Unit]
# 在這些服務啟動後才啟動（順序）
After=network.target mysql.service

# 在這些服務啟動前啟動（順序）
Before=nginx.service

# 需要這些服務同時執行（相依）
Requires=mysql.service

# 希望這些服務同時執行（弱相依）
Wants=redis.service

# 與這些服務衝突，無法同時執行
Conflicts=apache2.service

依賴關係範例圖：

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                    │   network   │
                    └──────┬──────┘
                           │
              ┌────────────┼────────────┐
              ▼            ▼            ▼
        ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐
        │  mysql  │  │  redis  │  │ mongodb │
        └────┬────┘  └────┬────┘  └────┬────┘
             │            │            │
             └────────────┼────────────┘
                          ▼
                    ┌─────────────┐
                    │   myapp     │
                    └─────────────┘

資源限制（CPU、記憶體）

Systemd 整合了 cgroups，可以輕鬆限制服務的資源使用：

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[Service]
# 記憶體限制
MemoryMax=512M
MemoryHigh=400M

# CPU 限制（百分比，100% = 1 核心）
CPUQuota=50%

# CPU 權重（預設 100）
CPUWeight=50

# I/O 權重（預設 100）
IOWeight=50

# 檔案描述符限制
LimitNOFILE=65535

# 程序數量限制
LimitNPROC=4096

# 核心檔案大小限制
LimitCORE=infinity

完整的資源限制範例：

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# /etc/systemd/system/myapp.service.d/resources.conf
[Service]
MemoryMax=1G
MemoryHigh=800M
CPUQuota=200%
IOWeight=100
LimitNOFILE=65535

自動重啟策略

設定服務在異常退出時自動重啟：

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[Service]
# 重啟條件
# no：不重啟（預設）
# on-success：正常退出時重啟
# on-failure：異常退出時重啟
# on-abnormal：被訊號終止時重啟
# on-abort：被 abort 訊號終止時重啟
# on-watchdog：watchdog 逾時時重啟
# always：總是重啟
Restart=on-failure

# 重啟前等待秒數
RestartSec=5

# 重啟次數限制（在 StartLimitIntervalSec 秒內）
StartLimitBurst=5
StartLimitIntervalSec=60

# 達到重啟次數限制後的動作
StartLimitAction=reboot-force

Timer 定時任務

Systemd Timer 可以取代傳統的 cron，提供更靈活的定時任務管理：

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# /etc/systemd/system/backup.timer
[Unit]
Description=Daily Backup Timer

[Timer]
# 每天凌晨 2 點執行
OnCalendar=*-*-* 02:00:00
# 如果錯過執行時間，開機後立即執行
Persistent=true
# 隨機延遲 0-30 分鐘，避免多服務同時執行
RandomizedDelaySec=30min

[Install]
WantedBy=timers.target

對應的服務檔案：

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# /etc/systemd/system/backup.service
[Unit]
Description=Daily Backup Service

[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/usr/local/bin/backup.sh
User=backup
Group=backup

OnCalendar 語法範例：

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# 每小時
OnCalendar=hourly

# 每天午夜
OnCalendar=daily

# 每週一早上 6 點
OnCalendar=Mon *-*-* 06:00:00

# 每月 1 日和 15 日
OnCalendar=*-*-1,15 00:00:00

# 每 15 分鐘
OnCalendar=*:0/15

啟用 Timer：

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sudo systemctl enable --now backup.timer
sudo systemctl list-timers

journalctl 日誌管理

Systemd 的 journald 提供強大的日誌管理功能：

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# 查看特定服務的日誌
sudo journalctl -u myapp.service

# 即時追蹤日誌
sudo journalctl -u myapp.service -f

# 查看最近 100 行
sudo journalctl -u myapp.service -n 100

# 查看特定時間範圍
sudo journalctl -u myapp.service --since "2024-02-01" --until "2024-02-02"

# 查看特定優先級（0=emerg 到 7=debug）
sudo journalctl -u myapp.service -p err

# 輸出為 JSON 格式
sudo journalctl -u myapp.service -o json-pretty

# 查看開機日誌
sudo journalctl -b

# 查看核心訊息
sudo journalctl -k

日誌保留設定（/etc/systemd/journald.conf）：

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[Journal]
# 日誌最大佔用空間
SystemMaxUse=500M
# 單一日誌檔案最大大小
SystemMaxFileSize=50M
# 日誌保留時間
MaxRetentionSec=1month
# 壓縮日誌
Compress=yes