詳解：怎樣在1秒內啟動Linux
盡可能快的啟動系統，對于自動化設備是非常重要的。系統能夠在用戶無法感知的時間內啟動，也就意味著在不需要工作時，可以完全切斷電源，而不是 掛起進入休眠狀態。本文基于 Atmel AT91 系列片上系統和 NAND 閃存，經過一系列的優化，將 Linux 系統啟動時間，從最初的 11 秒，降低到最終的 656 毫秒。
背景知識
系統從上電到完全啟動，需要經過許多過程。一個簡化的啟動流程大概包含：
- 硬件重置
- 啟動引導程序（bootloader）
- 操作系統初始化
- 應用程序執行
其中硬件非常關鍵，但是硬件一般難以更改。后續的優化，主要針對引導程序、Linux 內核和應用程序展開。
引導程序優化
引導程序主要完成對 CPU 的基礎設置，處理 ARM 標記（ATAGS，ARM TAGS）或設備樹（device trees），切換存儲管理單元（MMU，Memory Management Unit）等工作。
對于U-Boot，常用的優化方式有：
- 刪除不不要的功能：如網絡加載等，如果不需要，那么直接移除這些代碼吧；
- 關閉不需要的功能
- 關閉內核鏡像驗證
- 關閉引導程序輸出
- 關閉啟動延遲
- 將通用功能的引導程序修改成一個優化后的初始程序加載器（Initial Program Loader，IPL），對于U-Boot，可以通過 SPL（Second Program Loader，第二階段程序加載器）來實現。
內核優化
Linux 內核被設計的非常靈活，可以針對需要的功能做各種配置優化。因此，優化內核對于系統啟動速度是至關重要的。
首先，移除一切不要的驅動，盡可能的減少內核加載的內容，能夠大大縮短系統啟動時間。其次，還有很多內核選擇可能需要進一步嘗試，比如內核壓縮 方式，對于嵌入式系統來說，LZO 壓縮方式，通常會是一個不錯的選擇。最后，還可以通過定制一些啟動參數，達到加快啟動的目的。例如可以通過“lpj=”參數，預設每個循環需要的節拍數 （loops per jiffy，lpj）的值，避免系統在啟動時自動推算。這樣在基于 ARMv5 的系統中，可以節省 100ms 以上的時間。
對于內核啟動的優化，可以通過 bootgraph.pl 腳本（位于內核源碼的 script/bootgraph.pl）來繪制內核啟動耗時圖表，用以分析啟動最耗時的地方。這個腳本使用非常簡單，直接將 dmesg 的輸出作為其輸入，即可生成 svg 圖表：
dmesg perl scripts/bootgraph.pl > output.svg
生成的圖表如下圖，
圖中每一個色段表示一個功能的初始化耗時。可以簡單的關閉不需要的功能，或者針對功能進行特定的優化。
除了內核本身之外，內核所在的文件系統也對系統啟動有著非常大的影響。對于使用閃存芯片作為存儲的系統來說，UbiFS 是一個很好的選擇。它能夠容忍意外斷電，有著出色的掛載速度，以確保系統快速啟動。
應用程序優化
內核完成系統啟動之后，接來下就是執行應用程序。對于應用程序的優化，主要有兩部分，一部分是由應用程序來接管啟動的 INIT 進程，另一部分是優化應用程序的鏈接方式。
標準的 SystemV INIT 程序，需要執行一堆啟動腳本。對于嵌入式系統來說，大部分是沒有意義的。另一部分（比如掛載文件系統），可以由應用程序自己來實現。然后，可以在內核啟動參數中通過“init=”參數，將 INIT 進程直接指定為應用程序。
應用依賴的動態鏈接庫，會按照以下順序查找：
- LD_PRELOAD 環境變量指定的路徑（一般對應文件/etc/ld.so.preload）；
- ELF .dynamic 節中 DT_RPATH 入口指定的路徑，若 DT_RUNPATH 入口不存在的話；
- 環境變量 LD_LIBRARY_PATH 指定的路徑，但如果可執行文件有 setuid/setgid 權限，則忽略這個路徑；編譯時指定--library-path 會覆蓋這個路徑；
- ELF .dynamic 節中 DT_RUNPATH 入口指定的路徑；
- ldconfig 緩存中的路徑（一般對應/etc/ld.so.cache 文件），若編譯時使用了-z nodeflib 的鏈接選項，則此步跳過；
- /lib，然后/usr/lib 路徑 ，若使用了-z nodeflib 鏈接選項，則此步亦跳過；
因此，盡可能的將應用程序依賴的動態鏈接庫放到優先查找的路徑，可以加快鏈接速度。對于交叉編譯環境特別需要注意，主機上的動態鏈接庫位置和目標系統上的位置可能不一致，這會增加應用程序執行時動態鏈接庫的加載時間。
總結
基于上面提到的三個優化點，可以將系統的啟動時間，從最初的 11s 降低到 656ms（數據參考 Jan Altenberg 在都柏林舉行的嵌入式 Linux 會議上的演講稿）。從硬件到引導程序再到內核最后到應用程序，每個啟動步驟都有自己可優化的地方，經過一些簡單的優化，就可以減少系統的啟動時間。
相關視頻：How to Boot Linux in One Second - Jan Altenberg