Linux内核的启动分析 - Linux系统启动时间优化方案

以下是我上次裁减后Linux内核的启动分析：

　　内核启动总时间： 6.188s

　　关键的耗时部分：

　　1) 0.652s - Timer,IRQ,Cache,Mem Pages等核心部分的初始化

　　2) 0.611s - 内核与RTC时钟同步

　　3) 0.328s - 计算Calibrating Delay(4个CPU核心的总消耗)

　　4) 0.144s - 校准APIC时钟

　　5) 0.312s - 校准Migration Cost

　　6) 3.520s - Intel E1000网卡初始化

　　下面，将针对上述各部分进行逐一分析和化解。

　　(3)接下来，进行具体的分项优化。

　　CELF已经提出了一整套针对消费类电子产品所使用的嵌入式Linux的启动优化方案，但是由于面向不同应用，所以我们只能部分借鉴他们的经验，针对自己面对的问题作出具体的分析和尝试。

　　内核关键部分(Timer、IRQ、Cache、Mem Pages……)的初始化目前暂时没有比较可靠和可行的优化方案，所以暂不考虑。

　　对于上面分析结果中的 2、3 两项，CELF已有专项的优化方案：“RTCNoSync”和“PresetLPJ”。

　　前者通过屏蔽启动过程中所进行的RTC时钟同步或者将这一过程放到启动后进行(视具体应用对时钟精度的需求而定)，实现起来比较容易，但需要为内核打补丁。似乎CELF目前的工作仅仅是去掉了该过程，而没有实现所提到的“延后”处理RTC时钟的同步。考虑到这个原因，我的方案中暂时没有引入这一优化(毕竟它所带来的时间漂移已经达到了“秒”级)，继续关注中。

　　后者是通过在启动参数中强制指定LPJ值而跳过实际的计算过程，这是基于LPJ值在硬件条件不变的情况下不会变化的考虑。所以在正常启动后记录下内核信息中的“Calibrating Delay”数值后就可以在启动参数中以下面的形式强制指定LPJ值了：

　　lpj=9600700

　　上面分析结果中的 4、5 两项都是SMP初始化的一部分，因此不在CELF研究的范畴(或许将来会有采用多核的MP4出现?……)，只能自力更生了。研究了一下SMP的初始化代码，发现“Migration Cost”其实也可以像“Calibrating Delay”采用预置的方式跳过校准时间。方法类似，最后在内核启动参数中增加：

　　migration_cost=4000,4000

　　而Intel的网卡驱动初始化优化起来就比较麻烦了，虽然也是开源，但读硬件驱动完全不比读一般的C代码，况且建立在如此肤浅理解基础上的“优化”修改也实在难保万全。基于可靠性的考虑，我最终在两次尝试均告失败后放弃了这一条路。那么，换一个思维角度，可以借鉴CELF在“ParallelRCScripts”方案中的“并行初始化”思想，将网卡驱动独立编译为模块，放在初始化脚本中与其它模块和应用同步加载，从而消除Probe阻塞对启动时间的影响。考虑到应用初始化也可能使用到网络，而在我们的实际硬件环境中，只有eth0是供应用使用的，因此需要将第一个网口初始化的0.3s时间计算在内。

　　除了在我的方案中所遇到的上述各优化点，CELF还提出了一些你可能会感兴趣的有特定针对性的专项优化，如：

　　ShortIDEDelays - 缩短IDE探测时长(我的应用场景中不包含硬盘，所以用不上)

　　KernelXIP - 直接在ROM或Flash中运行内核(考虑到兼容性因素，未采用)

　　IDENoProbe - 跳过未连接设备的IDE口

　　OptimizeRCScripts - 优化initrd中的linuxrc脚本(我采用了BusyBox更简洁的linuxrc)

　　以及其它一些尚处于设想阶段的优化方案，感兴趣的朋友可以访问CELF Developer Wiki了解详情。

　　(4)优化结果

　　经过上述专项优化，以及对inittab、rcS脚本的冗余裁减，整个Linux内核的启动时间从优化前的 6.188s 下降到了最终的 2.016s，如果不包含eth0的初始化，则仅需 1.708s(eth0初始化可以和系统中间件及部分应用加载并行)，基本达到了既定目标。与Kexec配合，可以大大降低软件故障导致的复位时间，有效的提升了产品的可靠性。