C++の応用 - Systemdのソースを表示

== 概要 ==
Systemdは、Linuxにおける代表的なシステムおよびサービスマネージャであり、起動、停止、依存関係管理、ログ収集、リソース制御を一元的に扱う。<br>
<br>
C++からSystemdを利用する場合、最も重要な入口は<u>libsystemd</u>である。<br>
libsystemdはC APIを提供するライブラリであり、純粋なC++アプリケーションから直接利用できる。<br>
<br>
代表的なヘッダには、<u>sd-bus.h</u>、<u>sd-event.h</u>、<u>sd-journal.h</u>、<u>sd-daemon.h</u>がある。<br>
これらを組み合わせることで、ユニット操作、イベントループ統合、journaldへの構造化ログ出力、<code>Type=notify</code>サービスとの連携を実装できる。<br>
<br>
Systemd Managerと通信する場合、通常はD-Bus経由で <u>org.freedesktop.systemd1</u> にアクセスする。<br>
このとき、サービスの開始や停止は単純なシェルコマンド実行ではなく、<code>StartUnit</code> や <code>StopUnit</code>等のメソッド呼び出しとして扱う。<br>
<br>
特に重要なのは、<code>StartUnit</code> の戻り値が「サービスが完全に起動した」という意味ではなく、ジョブが作成されたことを示す点である。<br>
実際の状態確認には、ジョブの監視や <code>ActiveState</code> プロパティの確認が必要になる。<br>
<br>
また、Systemdはシステムユニットだけでなく、ユーザごとのユーザユニットも管理できる。<br>
一般ユーザのサービスを制御する場合は <code>sd_bus_open_user()</code>、システム全体のユニットを制御する場合は <code>sd_bus_open_system()</code> を使い分ける。<br>
<br>
近年のlibsystemdでは、<code>sd-json</code> や <code>sd-varlink</code> 等の公開APIが追加され、イベントループや通知機能も強化されている。<br>
一方で、実務で最も利用頻度が高いのは、依然として <code>sd-bus</code>、<code>sd-event</code>、<code>sd-journal</code>、<code>sd_notify</code>である。<br>
<br>
C++でlibsystemdを使う場合は、GUIフレームワークに依存せず、<code>std::unique_ptr</code> や 専用デリータを使用してRAIIでリソース管理する構成が扱いやすい。<br>
また、ビルド時は <code>pkg-config --cflags --libs libsystemd</code> を使用するのが最も安全である。<br>
<br><br>

== libsystemdの導入 ==
==== ライセンス ====
通常のアプリケーションがリンクする<u>libsystemd</u>は、主としてLGPL 2.1以降の条件で利用できる。<br>
ただし、systemdのソースツリー全体にはGPL系コンポーネントも含まれるため、再配布方針が厳密な環境では公式ライセンス表記も確認すること。<br>
<br>
==== パッケージ管理システムからインストール ====
 # RHEL
 sudo dnf install systemd-devel
 
 # SUSE
 sudo zypper install systemd-devel
<br>
==== ソースコードからインストール ====
最新のupstream機能を利用する場合は、ソースコードからビルドする。<br>
ただし、依存ライブラリが多く、ディストリビューションのBuildRequires相当のパッケージが必要になるため、通常は配布パッケージの利用を優先する。<br>
<br>
Systemdのビルドに必要なライブラリをインストールする。<br>
<br>
 # RHEL
 sudo dnf install -y epel-release
 sudo dnf config-manager --set-enabled crb
 
 sudo dnf install meson ninja-build python3-jinja2 glib2-devel dbus-devel p11-kit-devel libarchive-devel pcre2-devel        \
                  libcurl-devel libcap-devel libmount-devel libfdisk-devel libblkid-devel elfutils-devel libpwquality-devel \
                  kmod-devel libbpf-devel zlib-ng-compat-devel lz4-devel libzstd-devel xz-devel bzip2-devel iptables-devel  \
                  pam-devel gnutls-devel openssl-devel cryptsetup-devel libgcrypt-devel libgpg-error-devel \
                  libmicrohttpd-devel libxkbcommon-devel libfido2-devel tpm2-tss-devel libseccomp-devel    \
                  libacl-devel audit-libs-devel libselinux-devel
 
 # SUSE
 sudo zypper install meson ninja python3-Jinja2 glib2-devel dbus-1-devel p11-kit-devel libarchive-devel pcre2-devel         \
                     libcurl-devel libcap-devel libmount-devel libfdisk-devel libblkid-devel libdw-devel libpwquality-devel \
                     passwdqc-devel libkmod-devel libbpf-devel zlib-devel liblz4-devel libzstd-devel xz-devel libbz2-devel  \
                     pam-devel libgnutls-devel libopenssl-devel libopenssl-1_1-devel libcryptsetup-devel libgcrypt-devel    \
                     libgpg-error-devel qrencode-devel libiptc-devel libidn2-devel libmicrohttpd-devel            \
                     libxkbcommon-devel libfido2-devel tpm2-0-tss-devel libseccomp-devel libacl-devel audit-devel \
                     libapparmor-devel  # AppArmorを使用する場合
                     libselinux-devel   # SELinuxを使用する場合
                     xen-devel          # Xenを使用する場合
<br>
次に、[https://github.com/systemd/systemd SystemdのGithub]にアクセスして、ソースコードをダウンロードする。<br>
ダウンロードしたファイルを解凍する。<br>
<br>
 tar xf systemd-<バージョン>.tar.gz
 cd systemd-<バージョン>
<br>
または、<code>git clone</code> コマンドを実行して、ソースコードをダウンロードする。<br>
<br>
 git clone https://github.com/systemd/systemd.git
 cd systemd
<br>
Systemdをビルドおよびインストールする。<br>
<br>
 meson setup build -Dmode=release --prefix=<Systemdのインストールディレクトリ>
 meson compile -C build
 sudo meson install -C build
<br>
libsystemdの利用だけが目的であれば、Systemd本体をソースから導入するよりも、パッケージ管理システムの開発パッケージ用いる方が保守しやすい。<br>
<br>
==== CMakeファイルの設定 ====
C++からlibsystemdを利用する場合、<code>pkg-config</code> 経由で検出する構成が最も安全である。<br>
<br>
 <syntaxhighlight lang="cmake">
 cmake_minimum_required(VERSION 3.21)
 project(systemd_cpp_example LANGUAGES CXX)
 
 set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
 set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED ON)
 
 find_package(PkgConfig REQUIRED)
 pkg_check_modules(SYSTEMD REQUIRED libsystemd)
 
 add_executable(systemd_cpp_example
    main.cpp
 )
 
 target_include_directories(systemd_cpp_example PRIVATE
    ${SYSTEMD_INCLUDE_DIRS}
 )
 
 target_link_libraries(systemd_cpp_example PRIVATE
    ${SYSTEMD_LIBRARIES}
 )
 
 target_compile_options(systemd_cpp_example PRIVATE
    ${SYSTEMD_CFLAGS_OTHER}
 )
 </syntaxhighlight>
<br>
==== 主要ヘッダと用途 ====
<center>
{| class="wikitable"
|+ libsystemdの主要ヘッダ
! ヘッダ !! 主な用途
|-
| <code>&lt;systemd/sd-bus.h&gt;</code> || Systemd Managerや他のD-Busサービスとの通信
|-
| <code>&lt;systemd/sd-event.h&gt;</code> || epollベースのイベントループ、タイマ、シグナル、I/O監視
|-
| <code>&lt;systemd/sd-journal.h&gt;</code> || journaldへのログ出力、ジャーナルの読み出し
|-
| <code>&lt;systemd/sd-daemon.h&gt;</code> || <code>sd_notify()</code>、ウォッチドッグ、ソケットアクティベーション支援
|-
| <code>&lt;systemd/sd-id128.h&gt;</code> || 128ビットIDの生成と管理
|-
| <code>&lt;systemd/sd-login.h&gt;</code> || ログインセッションやseat情報の取得
|}
</center>
<br><br>

== libsystemdの主要なAPI ==
C++からSystemdを扱う場合、最初に理解しておくべきAPI群を整理する。<br>
<br>
<center>
{| class="wikitable"
|+ 純粋なC++からよく使うlibsystemd API
! 分類 !! 主なAPI !! 用途
|-
| Systemd Manager操作 || <code>sd_bus_open_system()</code><br><code>sd_bus_call_method()</code><br><code>sd_bus_add_match()</code> || ユニットの起動・停止・プロパティ監視
|-
| イベントループ || <code>sd_event_default()</code><br><code>sd_event_run()</code><br><code>sd_bus_attach_event()</code> || 非同期イベント処理とD-Bus統合
|-
| journald出力 || <code>sd_journal_print()</code><br><code>sd_journal_send()</code> || 通常ログと構造化ログの送信
|-
| サービス通知 || <code>sd_notify()</code><br><code>sd_watchdog_enabled()</code> || <code>Type=notify</code>サービスの状態通知
|-
| ジャーナル読み出し || <code>sd_journal_open()</code><br><code>sd_journal_next()</code><br><code>sd_journal_get_data()</code> || ログの追跡と解析
|}
</center>
<br><br>

== Systemd Managerとの通信 ==
==== 基本情報 ====
Systemd Managerは、D-Bus上で以下のサービスを提供する。<br>
* サービス名
*: <code>org.freedesktop.systemd1</code>
* オブジェクトパス
*: <code>/org/freedesktop/systemd1</code>
* 主要インターフェース
*: <code>org.freedesktop.systemd1.Manager</code>
<br>
ユニットを起動する代表的なメソッドは、<code>StartUnit</code> である。<br>
停止は <code>StopUnit</code>、再起動は <code>RestartUnit</code>、リロードは <code>ReloadUnit</code> を使用する。<br>
<br>
==== ジョブモード ====
Systemd Managerのユニット操作では、しばしば「ジョブモード」を同時に指定する。<br>
<br>
* <code>replace</code>
*: 既存の競合ジョブを置き換えて実行する。通常はこの値を使う。
* <code>fail</code>
*: 競合ジョブが存在する場合は失敗する。
* <code>isolate</code>
*: 対象ユニットとその依存を残し、他を停止する。
* <code>ignore-dependencies</code>
*: 依存関係を無視する。
* <code>ignore-requirements</code>
*: requirement関係を無視する。<br>
<br>
<u><code>ignore-dependencies</code> および <code>ignore-requirements</code> は、通常のアプリケーションから安易に使うべきではない。</u><br>
<br>
==== C++によるサービス起動例 ====
以下の例では、システムバスへ接続し、sshd.serviceに対して <code>StartUnit</code> を呼び出す。<br>
<br>
この例が返す <u>ジョブオブジェクトパス</u> は、開始要求が受理されたことを示すものであり、サービスが完全に起動済みであることを意味しない。<br>
<br>
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #include <systemd/sd-bus.h>
 
 #include <cstring>
 #include <iostream>
 #include <memory>
 #include <stdexcept>
 #include <string>
 
 namespace {
    struct SdBusDeleter {
       void operator()(sd_bus* bus) const {
          if (bus) {
             sd_bus_flush_close_unref(bus);
          }
       }
    };
 
    struct SdBusMessageDeleter {
       void operator()(sd_bus_message* message) const {
          if (message) {
             sd_bus_message_unref(message);
          }
       }
    };
 
    class SdBusErrorGuard {
    public:
       SdBusErrorGuard() : error_(SD_BUS_ERROR_NULL) {}
       ~SdBusErrorGuard() { sd_bus_error_free(&error_); }
 
       sd_bus_error* get() { return &error_; }
       const char* message() const { return error_.message ? error_.message : ""; }
 
    private:
       sd_bus_error error_;
    };
 
    using BusPtr = std::unique_ptr<sd_bus, SdBusDeleter>;
    using MessagePtr = std::unique_ptr<sd_bus_message, SdBusMessageDeleter>;
 
    BusPtr open_system_bus()
    {
       sd_bus* raw_bus = nullptr;
       const int ret = sd_bus_open_system(&raw_bus);
       if (ret < 0) {
          throw std::runtime_error("システムバスのオープンに失敗しました: " + std::string(std::strerror(-ret)));
       }
 
       return BusPtr(raw_bus);
    }
 
    std::string start_unit(sd_bus* bus, const std::string& unit_name, const std::string& mode)
    {
       SdBusErrorGuard error;
       sd_bus_message* raw_reply = nullptr;
 
       const int ret = sd_bus_call_method(bus,
                                          "org.freedesktop.systemd1",
                                          "/org/freedesktop/systemd1",
                                          "org.freedesktop.systemd1.Manager",
                                          "StartUnit",
                                          error.get(),
                                          &raw_reply,
                                          "ss",
                                          unit_name.c_str(),
                                          mode.c_str());
       if (ret < 0) {
          throw std::runtime_error("StartUnitの呼び出しに失敗しました: " + std::string(error.message()));
       }
 
       MessagePtr reply(raw_reply);
 
       const char* job_path = nullptr;
       const int read_ret = sd_bus_message_read(reply.get(), "o", &job_path);
       if (read_ret < 0) {
          throw std::runtime_error("ジョブパスの読み出しに失敗しました: " + std::string(std::strerror(-read_ret)));
       }
 
       return std::string(job_path);
    }
 }
 
 int main()
 {
    try {
       BusPtr bus = open_system_bus();
       const std::string job_path = start_unit(bus.get(), "sshd.service", "replace");
 
       std::cout << "StartUnit request accepted" << std::endl;
       std::cout << "job path: " << job_path << std::endl;
       std::cout << "この時点ではジョブが作成された段階であり、サービスの完全起動確認は別途必要です" << std::endl;
       return 0;
    }
    catch (const std::exception& ex) {
       std::cerr << ex.what() << std::endl;
       return 1;
    }
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
この後、実際の起動完了まで追跡したい場合は、<code>JobRemoved</code> シグナルを監視するか、対象ユニットの <code>ActiveState</code> プロパティを問い合わせる。<br>
<br>
==== ActiveStateの確認 ====
ジョブ作成後に状態を確認する場合は、対象ユニットのD-Busオブジェクトパスを取得し、<code>org.freedesktop.DBus.Properties.Get</code> で <code>ActiveState</code> を参照する。<br>
<br>
イベント駆動で監視する場合は、<code>sd_bus_add_match()</code> で <code>PropertiesChanged</code> または <code>JobRemoved</code> を購読するとよい。<br>
<br><br>

== sd-eventとの統合 ==
<code>sd-event</code> は、epollベースのイベントループであり、タイマ、シグナル、I/O、子プロセス終了、メモリ圧力等を統合的に扱える。<br>
単純な同期呼び出しだけであれば必須ではないが、非同期D-Bus呼び出しや長寿命デーモンでは非常に有用である。<br>
<br>
==== 基本的な使用方法 ====
* <code>sd_event_default()</code>
*: 既定のイベントループを作成する。
* <code>sd_bus_attach_event()</code>
*: D-Bus接続をイベントループへ接続する。
* <code>sd_event_run()</code> / <code>sd_event_loop()</code>
*: イベント処理を実行する。
<br>
==== 利用例 ====
以下のような場面で <code>sd-event</code> が有効である。<br>
<br>
* 非同期の <code>sd_bus_call_method_async()</code> を使う場合
* タイマ駆動で定期的にサービス状態を確認する場合
* シグナル受信とD-Busイベントを1つのループでまとめたい場合
* <code>sd_event_set_watchdog()</code> でウォッチドッグ通知を自動化したい場合
<br>
==== 注意点 ====
非同期処理を書き始めたら、イベントループを実際に駆動しなければコールバックは返ってこない。<br>
<br>
また、長時間ブロックする処理をイベントハンドラ内で実行すると、ウォッチドッグ通知やD-Bus応答が遅延する。<br>
<br><br>

== journaldとの連携 ==
==== ログの書き込み ====
Systemd環境では、単なる標準出力だけでなく、journaldに対して構造化ログを送ると、検索性と保守性が大きく向上する。<br>
主なAPIは、<code>sd_journal_print()</code> と <code>sd_journal_send()</code> である。<br>
<br>
* <code>sd_journal_print()</code>
*: printf風の簡易ログ出力
* <code>sd_journal_send()</code>
*: <code>MESSAGE=...</code>、<code>PRIORITY=...</code> 等のフィールドを付与した構造化ログ
* <code>sd_journal_sendv()</code>
*: <code>iovec</code>配列による柔軟な送信
<br>
==== 構造化ログの例 ====
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #include <systemd/sd-journal.h>
 #include <syslog.h>
 
 void write_systemd_log(const char* unit_name, const char* detail)
 {
    sd_journal_send("MESSAGE=Systemd unit operation finished",
                    "PRIORITY=%i", LOG_INFO,
                    "UNIT=%s", unit_name,
                    "DETAIL=%s", detail,
                    nullptr);
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
構造化ログを使うと、<code>journalctl</code> 側でフィールド検索しやすくなる。<br>
<br>
==== ジャーナルの読み出し ====
ログを追跡する場合は、<code>sd_journal_open()</code>、<code>sd_journal_next()</code>、<code>sd_journal_get_data()</code>を使用する。<br>
<br>
ユニット名やプライオリティでフィルタを掛ける場合は、<code>sd_journal_add_match()</code> が便利である。<br>
<br><br>

== Type=notifyサービスとの連携 ==
Systemd管理下のデーモンをC++で実装する場合、<code>Type=notify</code> または <code>Type=notify-reload</code> を使用すると、起動完了やリロード状態をSystemdへ正確に伝えられる。<br>
<br>
==== 主な通知内容 ====
* <code>READY=1</code>
*: サービスの初期化完了
* <code>STATUS=...</code>
*: 現在の状態メッセージ
* <code>RELOADING=1</code>
*: リロード開始
* <code>STOPPING=1</code>
*: 終了処理の開始
* <code>WATCHDOG=1</code>
*: ウォッチドッグのキープアライブ
<br>
==== 最小構成の例 ====
 <syntaxhighlight lang="c++">
 #include <systemd/sd-daemon.h>
 
 int notify_ready()
 {
    return sd_notify(0, "READY=1\nSTATUS=Initialization completed");
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
==== ウォッチドッグ ====
ウォッチドッグが有効な場合は、<code>sd_watchdog_enabled()</code> で間隔を取得し、その半分程度の周期で <code>WATCHDOG=1</code> を送信する構成が一般的である。<br>
<br>
<code>sd-event</code> を使用している場合は、<code>sd_event_set_watchdog()</code> を使って自動化できる。<br>
<br>
==== ユニットファイル側の注意 ====
アプリケーションが <code>sd_notify()</code> を送っても、ユニットファイルで <code>Type=notify</code> と <code>NotifyAccess=</code> が適切に設定されていなければ期待通りに動作しない。<br>
<br>
通常は <code>NotifyAccess=main</code> から検討し、必要がある場合のみ <code>all</code> を使用する。<br>
<br><br>

== Transient Unit ==
Transient Unitは、ディスク上の恒久的なunitファイルを作成せずに、実行時に動的なユニットを生成する仕組みである。<br>
<br>
これは、一時的なscopeやserviceを作成したい場合に有効である。<br>
<br>
==== 主な用途 ====
* 一時的なワーカープロセスを専用scopeで実行する。
* リソース制限付きのserviceを動的に生成する。
* コンテナやジョブ実行器から専用cgroupを切る。
<br>
==== 代表的なプロパティ ====
<center>
{| class="wikitable"
|+ StartTransientUnitでよく使うプロパティ
! プロパティ !! 用途
|-
| <code>Description</code> || 一時ユニットの説明
|-
| <code>Slice</code> || 所属するsliceの指定
|-
| <code>PIDs</code> || scopeへ初期PIDを渡す
|-
| <code>Delegate</code> || cgroupの委譲を有効化する
|-
| <code>RemainAfterExit</code> || service終了後も状態を保持する
|}
</center>
<br>
==== 注意点 ====
<code>StartTransientUnit</code> のD-Busシグネチャは複雑であり、<code>a(sv)</code> 形式のプロパティ配列を正確に構築する必要がある。<br>
<br>
また、恒久unitファイルで使用可能な全ディレクティブがTransient Unitで使えるわけではない。<br>
<br>
最新の対応状況は、[https://github.com/systemd/systemd/blob/main/docs/TRANSIENT-SETTINGS.md TRANSIENT-SETTINGS.md]を参照すること。<br>
<br><br>

== 権限とPolKit ==
Systemd Managerに対する読み取り操作は比較的容易だが、ユニットの開始、停止、再起動、ユニットファイルの有効化等は権限が必要になる。<br>
<br>
システムバスでの管理操作では、PolKit認証や適切なケーパビリティが関わる。<br>
<br>
==== 代表的な権限 ====
* <code>org.freedesktop.systemd1.manage-units</code>
*: ユニットの開始、停止、再起動、プロパティ変更
* <code>org.freedesktop.systemd1.manage-unit-files</code>
*: ユニットファイルの有効化、無効化
* <code>org.freedesktop.systemd1.set-environment</code>
*: Systemd Managerの環境変数変更
<br>
==== 実務上の注意 ====
* 一般ユーザでシステムユニットを操作すると、PolKit認証を求められることがある。
* 同じユーザのユーザユニットを扱うだけであれば、<code>sd_bus_open_user()</code>　でユーザマネージャへ接続する方が簡潔である。
* デスクトップ環境が存在しないサーバでは、PolKit対話認証ダイアログを前提にしない設計が必要である。
<br>
詳しい認可制御は、[[C++の応用_-_PolKit]]のページを参照すること。<br>
<br><br>

== トラブルシューティング ==
==== StartUnitが成功したのにサービスが動いていない ====
<code>StartUnit</code> の成功は、開始要求が受理されたことを示すだけである。<br>
ジョブ終了後に失敗している可能性があるため、<code>JobRemoved</code> や <code>ActiveState</code> を確認する。<br>
<br>
==== 権限エラーになる ====
一般ユーザでシステムユニットを操作している可能性がある。<br>
対象がユーザユニットであれば <code>sd_bus_open_user()</code> へ切り替え、システムユニットであればPolKit設定や実行権限を見直す。<br>
<br>
==== sd_notify()が効かない ====
ユニットファイル側で <code>Type=notify</code> または <code>Type=notify-reload</code> が設定されているか確認する。<br>
<br>
さらに、<code>NotifyAccess=</code> が通知元プロセスを許可している必要がある。<br>
<br>
==== 非同期コールバックが返ってこない ====
<code>sd_bus_call_method_async()</code> を使う場合、イベントループを実際に回していなければコールバックは実行されない。<br>
<br>
<code>sd_bus_attach_event()</code> または <code>sd_bus_process()</code> / <code>sd_bus_wait()</code> の駆動を確認する。<br>
<br>
==== ジャーナルへログが出ない ====
journaldが利用可能な環境であること、また、ログ送信後すぐにプロセスを終了していないことを確認する。<br>
<br>
詳細な追跡には、<code>journalctl -xeu &lt;unit名&gt;</code> が有効である。<br>
<br><br>

== 関連情報 ==
* [https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/latest/libsystemd.html libsystemd]
* [https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/latest/sd-bus.html sd-bus]
* [https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/latest/sd-event.html sd-event]
* [https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/latest/sd-journal.html sd-journal]
* [https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/latest/sd_notify.html sd_notify]
* [https://www.freedesktop.org/software/systemd/man/latest/org.freedesktop.systemd1.html org.freedesktop.systemd1]
* [https://systemd.io/PORTABILITY_AND_STABILITY/ PORTABILITY_AND_STABILITY]
* [https://github.com/systemd/systemd systemd GitHub]
* [[C++の応用 - PolKit]]
<br><br>


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