怎样在 1 秒内启动 Linux

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：

1	`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

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。