Linux系统启动时间的极限优化

　　（1）首先是对Linux启动过程的跟踪和分析，生成详细的启动时间。 

　　较为简单可行的方式是通过PrintkTime功能为启动过程的所有内核信息增加时间戳，便于汇总分析。PrintkTime早为CELF所提供的一个内核补丁，在后来的Kernel 2.6.11版本中正式纳入标准内核。所以大家可能在新版本的内核中直接启用该功能。如果你的Linux内核因为某些原因不能更新为2.6.11之后的版本，那么可以参考CELF提供的方法修改或直接它们提供的补丁：https://tree.celinuxforum.org/CelfPubWiki/PrintkTimes 

　　开启PrintkTime功能的方法很简单，只需在内核启动参数中增加“time”即可。当然，你也可以选择在编译内核时直接指定“Kernel hacking”中的“Show timing information on printks”来强制每次启动均为内核信息增加时间戳。这一种方式还有另一个好处：你可以得到内核在解析启动参数前所有信息的时间。因此，我选择后一种方式。 

　　当完成上述配置后，重新启动Linux，然后通过以下命令将内核启动信息输出到文件： 

　　dmesg -s 131072 > ktime 

　　然后利用一个脚本“show_delta”（位于Linux源码的scripts文件夹下）将上述输出的文件转换为时间增量显示格式： 

　　/usr/src/linux-x.xx.xx/scripts/show_delta ktime > dtime 

　　这样，你就得到了一份关于Linux启动时间消耗的详细。 

　　（2）然后，我们就来通过这份，找出启动中相对耗时的过程。 

　　必须明确一点：中的时间增量和内核信息之间没有必然的对应关系，真正的时间消耗必须从内核源码入手分析。 

　　这一点对于稍微熟悉编程的朋友来说都不难理解，因为时间增量只是两次调用printk之间的时间差值。通常来说，内核启动过程中在完成一些耗时的任务，如创建hash索引、probe硬件设备等操作后会通过printk将结果打印出来，这种情况下，时间增量往往反映的是信息对应过程的耗时；但有些时候，内核是在调用printk输出信息后才开始相应的过程，那么中内核信息相应过程的时间消耗对应的是其下一行的时间增量；还有一些时候，时间消耗在了两次内核信息输出之间的某个不确定的时段，这样时间增量可能就完全无法通过内核信息反应出来了。 

　　所以，为了准确判断真正的时间消耗，我们需要结合内核源码进行分析。必要的时候，例如上述第三种情形下，还得自己在源码中插入printk打印，以进一步确定实际的时间消耗过程。 

　　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，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。