Linux系统如何在1秒内完成启动？

kkj2015

　尽可能快的启动系统，对于自动化设备是非常重要的。系统能够在用户无法感知的时间内启动，也就意味着在不需要工作时，可以完全切断电源，而不是挂起进入休眠状态。本文基于 Atmel AT91 系列片上系统和 NAND 闪存，经过一系列的优化，将Linux系统启动时间，从最初的 11 秒，降低到最终的 656 毫秒。

　　背景知识

　　系统从上电到完全启动，需要经过许多过程。一个简化的启动流程大概包含：

　　硬件重置

　　启动引导程序(bootloader)

　　操作系统初始化

　　应用程序执行

　　其中硬件非常关键，但是硬件一般难以更改。后续的优化，主要针对引导程序、Linux 内核和应用程序展开。

　　引导程序优化

　　引导程序主要完成对 CPU 的基础设置，处理 ARM 标记(ATAGS，ARM TAGS)或设备树(device trees)，切换存储管理单元(MMU，Memory Management Unit)等工作。

　　对于U-Boot，常用的优化方式有：

　　删除不不要的功能：如网络加载等，如果不需要，那么直接移除这些代码吧;

　　关闭不需要的功能

　　关闭内核镜像验证

　　关闭引导程序输出

　　关闭启动延迟

　　将通用功能的引导程序修改成一个优化后的初始程序加载器(Initial Program Loader，IPL)，对于U-Boot，可以通过 SPL(Second Program Loader，第二阶段程序加载器)来实现。

　　内核优化

　　Linux系统内核被设计的非常灵活，可以针对需要的功能做各种配置优化。因此，优化内核对于系统启动速度是至关重要的。

　　首先，移除一切不要的驱动，尽可能的减少内核加载的内容，能够大大缩短系统启动时间。其次，还有很多内核选择可能需要进一步尝试，比如内核压缩方式，对于嵌入式系统来说，LZO 压缩方式，通常会是一个不错的选择。最后，还可以通过定制一些启动参数，达到加快启动的目的。例如可以通过“lpj=”参数，预设每个循环需要的节拍数(loops per jiffy，lpj)的值，避免系统在启动时自动推算。这样在基于 ARMv5 的系统中，可以节省 100ms 以上的时间。

　　对于内核启动的优化，可以通过 bootgraph.pl 脚本(位于内核源码的 script/bootgraph.pl)来绘制内核启动耗时图表，用以分析启动最耗时的地方。这个脚本使用非常简单，直接将 dmesg 的输出作为其输入，即可生成 svg 图表：

　　dmesg perl scripts/bootgraph.pl > output.svg

　　生成的图表如下图，

　　图中每一个色段表示一个功能的初始化耗时。可以简单的关闭不需要的功能，或者针对功能进行特定的优化。

　　除了内核本身之外，内核所在的文件系统也对系统启动有着非常大的影响。对于使用闪存芯片作为存储的系统来说，UbiFS 是一个很好的选择。它能够容忍意外断电，有着出色的挂载速度，以确保系统快速启动。

　　应用程序优化

　　内核完成系统启动之后，接来下就是执行应用程序。对于应用程序的优化，主要有两部分，一部分是由应用程序来接管启动的 INIT 进程，另一部分是优化应用程序的链接方式。

　　标准的 SystemV INIT 程序，需要执行一堆启动脚本。对于嵌入式系统来说，大部分是没有意义的。另一部分(比如挂载文件系统)，可以由应用程序自己来实现。然后，可以在内核启动参数中通过“init=”参数，将 INIT 进程直接指定为应用程序。

　　应用依赖的动态链接库，会按照以下顺序查找：

　　LD_PRELOAD 环境变量指定的路径(一般对应文件/etc/ld.so.preload);

　　ELF .dynamic 节中 DT_RPATH 入口指定的路径，若 DT_RUNPATH 入口不存在的话;

　　环境变量 LD_LIBRARY_PATH 指定的路径，但如果可执行文件有 setuid/setgid 权限，则忽略这个路径;编译时指定–library-path 会覆盖这个路径;

　　ELF .dynamic 节中 DT_RUNPATH 入口指定的路径;

　　ldconfig 缓存中的路径(一般对应/etc/ld.so.cache 文件)，若编译时使用了-z nodeflib 的链接选项，则此步跳过;

　　/lib，然后/usr/lib 路径 ，若使用了-z nodeflib 链接选项，则此步亦跳过;

　　因此，尽可能的将应用程序依赖的动态链接库放到优先查找的路径，可以加快链接速度。对于交叉编译环境特别需要注意，主机上的动态链接库位置和目标系统上的位置可能不一致，这会增加应用程序执行时动态链接库的加载时间。

　　总结

　　课课家基于上面提到的三个优化点，可以将系统的启动时间，从最初的 11s 降低到 656ms(数据参考 Jan Altenberg 在都柏林举行的嵌入式 Linux 会议上的演讲稿)。从硬件到引导程序再到内核最后到应用程序，每个启动步骤都有自己可优化的地方，经过一些简单的优化，就可以减少系统的启动时间。

联系我时，请说是在 挂海论坛 上看到的，谢谢！