怎樣在1秒內啟動Linux

　　儘可能快的啟動系統，對於自動化裝置是非常重要的。系統能夠在使用者無法感知的時間內啟動，也就意味著在不需要工作時，可以完全切斷電源，而不是掛起進入休眠狀態。本文基於Atmel AT91系列片上系統和NAND快閃記憶體，經過一系列的優化，將Linux系統啟動時間，從最初的11秒，降低到最終的656毫秒。

　　背景知識

　　系統從上電到完全啟動，需要經過許多過程。一個簡化的啟動流程大概包含：

1. 硬體重置
2. 啟動載入程式（bootloader）
3. 作業系統初始化
4. 應用程式執行

　　其中硬體非常關鍵，但是硬體一般難以更改。後續的優化，主要針對載入程式、Linux核心和應用程式展開。

　　載入程式優化

　　載入程式主要完成對CPU的基礎設定，處理ARM標記（ATAGS，ARM TAGS）或裝置樹（device trees），切換儲存管理單元（MMU，Memory Management Unit）等工作。

　　對於U-Boot，常用的優化方式有：

• 刪除不不要的功能：如網路載入等，如果不需要，那麼直接移除這些程式碼吧；
• 關閉不需要的功能
  • 關閉核心映象驗證
  • 關閉載入程式輸出
  • 關閉啟動延遲
• 將通用功能的載入程式修改成一個優化後的初始程式載入器（Initial Program Loader，IPL），對於U-Boot，可以通過SPL（Second Program Loader，第二階段程式載入器）來實現。

　　核心優化

　　Linux核心被設計的非常靈活，可以針對需要的功能做各種配置優化。因此，優化核心對於系統啟動速度是至關重要的。

　　首先，移除一切不要的驅動，儘可能的減少核心載入的內容，能夠大大縮短系統啟動時間。其次，還有很多核心選擇可能需要進一步嘗試，比如核心壓縮方式，對於嵌入式系統來說，LZO壓縮方式，通常會是一個不錯的選擇。最後，還可以通過定製一些啟動引數，達到加快啟動的目的。例如可以通過“lpj=”引數，預設每個迴圈需要的節拍數（loops per jiffy，lpj）的值，避免系統在啟動時自動推算。這樣在基於ARMv5的系統中，可以節省100ms以上的時間。

　　對於核心啟動的優化，可以通過bootgraph.pl指令碼（位於核心原始碼的script/bootgraph.pl）來繪製核心啟動耗時圖表，用以分析啟動最耗時的地方。這個指令碼使用非常簡單，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，

　　圖中每一個色段表示一個功能的初始化耗時。可以簡單的關閉不需要的功能，或者針對功能進行特定的優化。

　　除了核心本身之外，核心所在的檔案系統也對系統啟動有著非常大的影響。對於使用快閃記憶體晶片作為儲存的系統來說，UbiFS是一個很好的選擇。它能夠容忍意外斷電，有著出色的掛載速度，以確保系統快速啟動。

　　應用程式優化

　　核心完成系統啟動之後，接來下就是執行應用程式。對於應用程式的優化，主要有兩部分，一部分是由應用程式來接管啟動的INIT程式，另一部分是優化應用程式的連結方式。

　　標準的SystemV INIT程式，需要執行一堆啟動指令碼。對於嵌入式系統來說，大部分是沒有意義的。另一部分（比如掛載檔案系統），可以由應用程式自己來實現。然後，可以在核心啟動引數中通過“init=”引數，將INIT程式直接指定為應用程式。

　　應用依賴的動態連結庫，會按照以下順序查詢：

1. LD_PRELOAD環境變數指定的路徑（一般對應檔案/etc/ld.so.preload）；
2. ELF .dynamic節中DT_RPATH入口指定的路徑，若DT_RUNPATH入口不存在的話；
3. 環境變數LD_LIBRARY_PATH指定的路徑，但如果可執行檔案有setuid/setgid許可權，則忽略這個路徑；編譯時指定--library-path會覆蓋這個路徑；
4. ELF .dynamic節中DT_RUNPATH入口指定的路徑；
5. ldconfig快取中的路徑（一般對應/etc/ld.so.cache檔案），若編譯時使用了-z nodeflib的連結選項，則此步跳過；
6. /lib，然後/usr/lib路徑 ，若使用了-z nodeflib連結選項，則此步亦跳過；

　　因此，儘可能的將應用程式依賴的動態連結庫放到優先查詢的路徑，可以加快連結速度。對於交叉編譯環境特別需要注意，主機上的動態連結庫位置和目標系統上的位置可能不一致，這會增加應用程式執行時動態連結庫的載入時間。

　　總結

　　基於上面提到的三個優化點，可以將系統的啟動時間，從最初的11s降低到656ms（資料參考Jan Altenberg在都柏林舉行的嵌入式Linux會議上的演講稿）。從硬體到載入程式再到核心最後到應用程式，每個啟動步驟都有自己可優化的地方，經過一些簡單的優化，就可以減少系統的啟動時間。