神技能get:實(shí)現(xiàn)1秒啟動(dòng)Linux？

盡可能快的啟動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于自動(dòng)化設(shè)備是非常重要的。系統(tǒng)能夠在用戶無法感知的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，也就意味著在不需要工作時(shí)，可以完全切斷電源，而不是掛起進(jìn)入休眠狀態(tài)。本文基于Atmel AT91系列片上系統(tǒng)和NAND閃存，經(jīng)過一系列的優(yōu)化，將Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，從最初的11秒，降低到最終的656毫秒。

背景知識(shí)

系統(tǒng)從上電到完全啟動(dòng)，需要經(jīng)過許多過程。一個(gè)簡(jiǎn)化的啟動(dòng)流程大概包含：

• 硬件重置

• 啟動(dòng)引導(dǎo)程序(bootloader)

• 操作系統(tǒng)初始化

• 應(yīng)用程序執(zhí)行

其中硬件非常關(guān)鍵，但是硬件一般難以更改。后續(xù)的優(yōu)化，主要針對(duì)引導(dǎo)程序、Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序展開。

引導(dǎo)程序優(yōu)化

引導(dǎo)程序主要完成對(duì)CPU的基礎(chǔ)設(shè)置，處理ARM標(biāo)記(ATAGS，ARM TAGS)或設(shè)備樹(device trees)，切換存儲(chǔ)管理單元(MMU，Memory Management Unit)等工作。

對(duì)于U-Boot，常用的優(yōu)化方式有：

• 刪除不不要的功能：如網(wǎng)絡(luò)加載等，如果不需要，那么直接移除這些代碼吧

• 關(guān)閉不需要的功能

• 關(guān)閉內(nèi)核鏡像驗(yàn)證

• 關(guān)閉引導(dǎo)程序輸出

• 關(guān)閉啟動(dòng)延遲

將通用功能的引導(dǎo)程序修改成一個(gè)優(yōu)化后的初始程序加載器(Initial Program Loader，IPL)，對(duì)于U-Boot，可以通過SPL(Second Program Loader，第二階段程序加載器)來實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)核優(yōu)化

Linux內(nèi)核被設(shè)計(jì)的非常靈活，可以針對(duì)需要的功能做各種配置優(yōu)化。因此，優(yōu)化內(nèi)核對(duì)于系統(tǒng)啟動(dòng)速度是至關(guān)重要的。

首先，移除一切不要的驅(qū)動(dòng)，盡可能的減少內(nèi)核加載的內(nèi)容，能夠大大縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間。其次，還有很多內(nèi)核選擇可能需要進(jìn)一步嘗試，比如內(nèi)核壓縮方式，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，LZO壓縮方式，通常會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。最后，還可以通過定制一些啟動(dòng)參數(shù)，達(dá)到加快啟動(dòng)的目的。例如可以通過“lpj=”參數(shù)，預(yù)設(shè)每個(gè)循環(huán)需要的節(jié)拍數(shù)(loops per jiffy，lpj)的值，避免系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)推算。這樣在基于ARMv5的系統(tǒng)中，可以節(jié)省100ms以上的時(shí)間。

對(duì)于內(nèi)核啟動(dòng)的優(yōu)化，可以通過bootgraph.pl腳本(位于內(nèi)核源碼的 script/bootgraph.pl)來繪制內(nèi)核啟動(dòng)耗時(shí)圖表，用以分析啟動(dòng)最耗時(shí)的地方。這個(gè)腳本使用非常簡(jiǎn)單，直接將dmesg的輸出作為其輸入，即可生成svg圖表：

dmesg perl scripts/bootgraph.pl > output.svg

生成的圖表如下圖：

圖中每一個(gè)色段表示一個(gè)功能的初始化耗時(shí)。可以簡(jiǎn)單的關(guān)閉不需要的功能，或者針對(duì)功能進(jìn)行特定的優(yōu)化。

除了內(nèi)核本身之外，內(nèi)核所在的文件系統(tǒng)也對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)有著非常大的影響。對(duì)于使用閃存芯片作為存儲(chǔ)的系統(tǒng)來說，UbiFS 是一個(gè)很好的選擇。它能夠容忍意外斷電，有著出色的掛載速度，以確保系統(tǒng)快速啟動(dòng)。

應(yīng)用程序優(yōu)化

內(nèi)核完成系統(tǒng)啟動(dòng)之后，接來下就是執(zhí)行應(yīng)用程序。對(duì)于應(yīng)用程序的優(yōu)化，主要有兩部分，一部分是由應(yīng)用程序來接管啟動(dòng)的INIT進(jìn)程，另一部分是優(yōu)化應(yīng)用程序的鏈接方式。

標(biāo)準(zhǔn)的SystemV INIT程序，需要執(zhí)行一堆啟動(dòng)腳本。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，大部分是沒有意義的。另一部分(比如掛載文件系統(tǒng))，可以由應(yīng)用程序自己來實(shí)現(xiàn)。然后，可以在內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)中通過“init=”參數(shù)，將INIT進(jìn)程直接指定為應(yīng)用程序。

應(yīng)用依賴的動(dòng)態(tài)鏈接庫，會(huì)按照以下順序查找：

• LD_PRELOAD環(huán)境變量指定的路徑(一般對(duì)應(yīng)文件/etc/ld.so.preload);

• ELF .dynamic節(jié)中DT_RPATH入口指定的路徑，若DT_RUNPATH入口不存在的話;

• 環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH指定的路徑，但如果可執(zhí)行文件有setuid/setgid權(quán)限，則忽略這個(gè)路徑;編譯時(shí)指定–library-path會(huì)覆蓋這個(gè)路徑;

• ELF .dynamic節(jié)中DT_RUNPATH入口指定的路徑;

• ldconfig緩存中的路徑(一般對(duì)應(yīng)/etc/ld.so.cache文件)，若編譯時(shí)使用了-z nodeflib的鏈接選項(xiàng)，則此步跳過;

• /lib，然后/usr/lib路徑，若使用了-z nodeflib鏈接選項(xiàng)，則此步亦跳過;

因此，盡可能的將應(yīng)用程序依賴的動(dòng)態(tài)鏈接庫放到優(yōu)先查找的路徑，可以加快鏈接速度。對(duì)于交叉編譯環(huán)境特別需要注意，主機(jī)上的動(dòng)態(tài)鏈接庫位置和目標(biāo)系統(tǒng)上的位置可能不一致，這會(huì)增加應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫的加載時(shí)間。

總結(jié)

基于上面提到的三個(gè)優(yōu)化點(diǎn)，可以將系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，從最初的11s降低到656ms(數(shù)據(jù)參考Jan Altenberg在都柏林舉行的嵌入式Linux會(huì)議上的演講稿)。從硬件到引導(dǎo)程序再到內(nèi)核最后到應(yīng)用程序，每個(gè)啟動(dòng)步驟都有自己可優(yōu)化的地方，經(jīng)過一些簡(jiǎn)單的優(yōu)化，就可以減少系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間。