嵌入式Linux啟動時間優(yōu)化的秘密

　　01

　　工具鏈/應(yīng)用程序優(yōu)化

　　導(dǎo)讀：嵌入式Linux在應(yīng)用中往往希望系統(tǒng)能在盡量短的時間內(nèi)啟動，以提高用戶體驗。而且在有的應(yīng)用場合，對啟動時間具有嚴(yán)格的時間要求，尤其在工業(yè)或者醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域。此時如何加快Linux的啟動，將成為一個挑戰(zhàn)，對于大多數(shù)應(yīng)用開發(fā)人員而言，由于Linux系統(tǒng)的復(fù)雜性，對于如何提高啟動速度，往往無從下手。那么閱讀完本文，將獲得清晰完整的解決思路。

　　1.降低啟動時間的一般思路

　　在準(zhǔn)備降低系統(tǒng)的啟動時間時，思路上應(yīng)建立以下的切入點：

　　最快的代碼是未執(zhí)行的代碼。

　　引導(dǎo)操作本質(zhì)上的很大一部分工作實際上是將代碼和數(shù)據(jù)從存儲設(shè)備加載到RAM。如所需加載內(nèi)容越少則意味著加載操作越快。

　　如果根文件系統(tǒng)越大，則安裝時間可能會越長。

　　因此，即使未執(zhí)行的代碼也會延長啟動時間。

　　另外在硬件方案設(shè)計時盡量選擇讀寫速度快的存儲介質(zhì)。例如，從SD卡啟動實際上比從NAND FLASH啟動快。

　　2.啟動時間測量方法

　　要降低系統(tǒng)的啟動時間，則首先需要選擇一個可靠的啟動時間的測量方法：

　　在Linux代碼中加入對某一個GPIO腳的邏輯電平控制，利用示波器測量GPIO狀態(tài)。后面將介紹如何在代碼中加入對GPIO的控制。

　　監(jiān)控串口控制臺報文以測量時間，可以使用grabserial。

　　參見https://elinux.org/Grabserial

　　3. 工具鏈優(yōu)化

　　3.1 從工具鏈入手

　　選擇使用合適的工具鏈，應(yīng)是第一個入手點，因為所有的運行加載固件都是由工具鏈編譯而成。如果尚未進(jìn)行其他優(yōu)化，則更改工具鏈的好處將更加明顯，并且更容易度量。

　　您可以在工具鏈中進(jìn)行以下更改，這可能會影響啟動時間，性能和大小：

　　編譯器版本：gcc和binutils的版本，最新版本往往可以具有更好的優(yōu)化功能。

　　C庫：glibc，uClibc，musl。使用uClibc和musl庫編譯的根文件系統(tǒng)更小

　　指令集變量：ARM或Thumb2，是否支持硬浮點。

　　可能會影響代碼性能和代碼大小（Thumb2編碼與ARM相同的指令，但以更緊湊的方式，至少會顯著減小大小）。

　　C庫在創(chuàng)建工具鏈時進(jìn)行了硬編碼，可供選擇的C庫：

　　glibc：最標(biāo)準(zhǔn)且功能最全。http://www.gnu.org/software/libc/

　　uClibc：更小且可配置。已經(jīng)存在約20年了。http://uclibc-ng.org/

　　musl：uClibc替代品，雖比較新但很成熟。http://www.musl-libc.org/

　　可以對glibc/uclibc-ng /musl進(jìn)行對比測試：

　　1.靜態(tài)編譯hello.c程序并比較大小

　　使用gcc 6.3， armel， musl 1.1.16： 7300 字節(jié)

　　使用gcc 6.3， armel， uclibc-ng 1.0.22 ： 67204 字節(jié)

　　使用gcc 6.2， armel， glibc： 492792 字節(jié)

　　2. 靜態(tài)編譯BusyBox 1.26.2并比較大小

　　使用gcc 6.3， armel， musl 1.1.16： 183348 字節(jié)

　　使用gcc 6.3， armel， uclibc-ng 1.0.22 ： 210620 字節(jié)

　　使用gcc 6.2， armel， glibc： 755088 字節(jié)

　　3.2 指令集選擇

　　編譯rootfs進(jìn)行測試對比：

　　用gcc 7.4編譯，生成ARM代碼：

　　根文件系統(tǒng)總大小：3.79 MB

　　用gcc 7.4編譯，生成Thumb2代碼：

　　根文件系統(tǒng)總大小：3.10 MB（-18％）

　　性能方面：Thumb2的性能明顯改善（大約少于5％，但是從一次運行到另一次運行，測量的執(zhí)行時間略有變化）。

　　4. 應(yīng)用軟件優(yōu)化

　　4.1 測量strace

　　strace允許跟蹤應(yīng)用程序及其子級進(jìn)行的所有系統(tǒng)調(diào)用。對于開發(fā)非常有用：

　　了解如何在用戶空間上花費時間

　　例如，輕松查找打開嘗試（open（）），文件訪問（read（） /write（） ）和內(nèi)存分配（mmap2（） ）。無需訪問源代碼即可完成！

　　尋找耗時最長的開銷應(yīng)用

　　查找在應(yīng)用程序和腳本中完成的不必要的工作。例如：多次打開同一文件，或嘗試打開不存在的文件。

　　局限性：您無法跟蹤init進(jìn)程！

　　關(guān)于strace 參見

　　http://sourceforge.net/projects/strace/：

　　在所有GNU / Linux系統(tǒng)上可用，可以由您的交叉編譯工具鏈生成器構(gòu)建。

　　更簡單的辦法：直接拷貝一個現(xiàn)成的靜態(tài)二進(jìn)制文件。 參見

　　https://github.com/bootlin/staTIc-binaries/tree/master/strace

　　可以查看進(jìn)程的操作情況：

　　1. 訪問文件，分配內(nèi)存。。.

　　2. 通常足以發(fā)現(xiàn)簡單的錯誤。

　　用法：

　　1.strace 《命令》（開始一個新進(jìn)程）

　　2.strace -p 《pid》（跟蹤現(xiàn)有進(jìn)程）strace -c 《command》（統(tǒng)計進(jìn)程的系統(tǒng)開銷時間）

　　如查看cat操作：

　　4.2 Linux上的性能監(jiān)測工具oprofile

　　Oprofile是linux上的性能監(jiān)測工具：

　　具有兩種工作方式：legacy模式和perf_events模式

　　legacy模式：

　　1.精度低，請使用內(nèi)核驅(qū)動程序進(jìn)行配置

　　2.使用CONFIG_OPROFILE進(jìn)行編譯配置

　　3.用戶空間工具：opcontrol和oprofiled

　　perf_events模式：

　　1.使用硬件性能計數(shù)器

　　2.使用CONFIG_PERF_EVENTS和CONFIG_HW_PERF_EVENTS編譯配置

　　3.用戶空間工具：operf

　　其使用方法：

　　legacy 模式：

　　opcontrol --vmlinux=/path/to/vmlinux # opTIonal step

　　opcontrol --start

　　/my/command

　　opcontrol --stop

　　perf_events 模式

　　operf --vmlinux=/path/to/vmlinux /my/command

　　利用opreport獲取結(jié)果

　　4.3 perf工具

　　Perf 是內(nèi)置于Linux 內(nèi)核源碼樹中的性能剖析（profiling）工具。它基于事件采樣原理，以性能事件為基礎(chǔ)，支持針對處理器相關(guān)性能指標(biāo)與操作系統(tǒng)相關(guān)性能指標(biāo)的性能剖析。可用于性能瓶頸的查找與熱點代碼的定位。linux2.6及后續(xù)版本都自帶該工具，幾乎能夠處理所有與性能相關(guān)的事件

　　使用硬件性能計數(shù)器

　　使用CONFIG_PERF_EVENTS和CONFIG_HW_PERF_EVENTS進(jìn)行配置

　　用戶空間工具：性能。它是內(nèi)核源代碼的一部分，因此始終與您的內(nèi)核同步。

　　用法：perf record /my/command

　　通過以下方式獲得結(jié)果：perf report

　　4.4 連接器優(yōu)化

　　啟動時使用的應(yīng)用程序組代碼：

　　查找啟動期間調(diào)用的功能，例如使用

　　-finstrument-funcTIons gcc選項。

　　創(chuàng)建一個自定義的鏈接描述文件，以按調(diào)用順序重新排列這些函數(shù)。可以通過將每個函數(shù)放在各自的部分中來實現(xiàn)：

　　-ffuncTIon-sections gcc選項。

　　特別對于具有較大MTD讀取塊的閃存存儲特別有用。因為讀取整個讀取塊后，極有可能讀取不必要的數(shù)據(jù)。

　　詳細(xì)信息：http://blogs.linux.ie/caolan/2007/04/24/controlling-symbol-ordering/

　　通過如下方法，可以找到有望被優(yōu)化的地方：

　　1.啟動一次應(yīng)用程序并測量其啟動時間。

　　2.再次啟動應(yīng)用程序并測量其啟動時間。由于它的代碼應(yīng)仍在Linux文件緩存中，故其代碼加載時間將為零。

　　從而知道第一次加載應(yīng)用程序代碼（及其庫）所花費的時間。鏈接器優(yōu)化節(jié)省的時間應(yīng)少于此上限。

　　然后據(jù)此可以決定是否有必要這樣對該應(yīng)用進(jìn)行鏈接優(yōu)化。由于鏈接優(yōu)化必須修改應(yīng)用程序的編譯方式，因此此類優(yōu)化的成本很高。

　　4.4.1 Prelink 預(yù)鏈接工具

　　Prelink是Red Hat 開發(fā)者 Jakub Jelinek 所設(shè)計的工具，正如其名字所示，Prelink利用事先鏈接代替運行時鏈接的方法來加速共享庫的加載，它不僅可以加快起動速度，還可以減少部分內(nèi)存開銷，是各種Linux架構(gòu)上用于減少程序加載時間、縮短系統(tǒng)啟動時間和加快應(yīng)用程序啟動的很受歡迎的一個工具。

　　預(yù)鏈接減少了啟動可執(zhí)行文件所需的時間

　　在Android上廣泛使用

　　必須配置為知道哪些庫需要進(jìn)行預(yù)鏈接，并將為每個可用符號分配一個固定的地址，從而消除了在啟動可執(zhí)行文件時重新定位符號的需要。

　　請注意安全性，因為可執(zhí)行代碼始終加載在同一地址。

　　代碼以及文檔參見

　　http://people.redhat.com/jakub/prelink/

　　支持ARM，但自2013年以來未發(fā)布。Buildroot也不支持。但是，x86比較容易實現(xiàn)。

工具鏈/應(yīng)用程序優(yōu)化的部分就在此結(jié)束了，下篇我們將繼續(xù)講嵌入式Linux啟動時間優(yōu)化的方法之文件系統(tǒng)，請大家繼續(xù)關(guān)注我們電子發(fā)燒友網(wǎng)和嵌入式客棧。