一種基于休眠的嵌入式Linux快速啟動(dòng)的方法*

張釋文 陳莉君

（西安郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 西安 710121）

1 引言

近年來，用戶在享受更智能嵌入式Linux設(shè)備帶來的方便與樂趣同時(shí)，又不得不面對(duì)系統(tǒng)服務(wù)日漸豐富、啟動(dòng)時(shí)間越來越長(zhǎng)等問題。緩慢的開機(jī)速度嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)［1］，因此加快啟動(dòng)速度已經(jīng)成為嵌入式領(lǐng)域待解決的重要問題之一。

目前嵌入式Linux快速啟動(dòng)方法常見的有兩個(gè)方面：

1）優(yōu)化開機(jī)流程。刪除了啟動(dòng)中重復(fù)執(zhí)行的初始化模塊和不常用的兼容性模塊來實(shí)現(xiàn)加速啟動(dòng)。研究主要有：RC（RunlevelControl，運(yùn)行級(jí)別控制）腳本優(yōu)化，如并行服務(wù)啟動(dòng)、使用busybox等［2］。然而對(duì)嵌入式系統(tǒng)來講，刪除了一些模塊之后系統(tǒng)可能不再具有兼容性。另一方面，啟動(dòng)流程中能刪除的模塊有限，優(yōu)化不明顯。

2）休眠技術(shù)。休眠快速啟動(dòng)（Suspend in DisK，SDK）利用掛起/恢復(fù)（Suspend/Resume）技術(shù)［2］把操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序完成啟動(dòng)的寄存器和內(nèi)存信息制作成鏡像文件，SDK方法制作鏡像文件是主要的技術(shù)難點(diǎn)。索尼、松下等非營(yíng)利行消費(fèi)電子論壇CELF和Tripeaks公司已開發(fā)出一些基礎(chǔ)技術(shù)，目前安卓和Windows 8系統(tǒng)采用此快速啟動(dòng)方法。

近幾年，對(duì)于基于休眠快速啟動(dòng)的研究著眼兩個(gè)問題：減小休眠鏡像大小和縮短關(guān)機(jī)時(shí)間。隨著休眠鏡像尺寸增大，載入鏡像需要時(shí)間變長(zhǎng)。經(jīng)過測(cè)試當(dāng)鏡像文件超過400M時(shí)，快速啟動(dòng)反而增加了啟動(dòng)時(shí)間［3］。文獻(xiàn)［4～5］提出減少鏡像存儲(chǔ)干凈頁面（NotRestore Clean page，NRC）的優(yōu)化，產(chǎn)生鏡像時(shí)調(diào)用內(nèi)核模塊大量分配頁面引發(fā)系統(tǒng)換出干凈頁面。和SDK方法相比，NRC方法能減少鏡像至60%左右，縮短了25%的啟動(dòng)時(shí)間和40%的關(guān)機(jī)時(shí)間，該方法不侵入系統(tǒng)，然而延長(zhǎng)了關(guān)機(jī)時(shí)間引入不安全因素；文獻(xiàn)［6］提出保存部分內(nèi)存頁面（Only Restore Kernel，ORK）的優(yōu)化，創(chuàng)建鏡像只保存內(nèi)核空間內(nèi)存頁面放棄用戶空間來縮減鏡像文件大小，ORK方法使鏡像縮小至60.5%，但是快速啟動(dòng)結(jié)束之后一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。文獻(xiàn)［3，5］提出鏡像文件一次產(chǎn)生多次同步（Image only Create Once，ICO）的優(yōu)化來縮短關(guān)機(jī)時(shí)間，安裝系統(tǒng)時(shí)候創(chuàng)建鏡像，每次快速啟動(dòng)都使用同一鏡像文件，啟動(dòng)結(jié)束后掃描整個(gè)外存以同步系統(tǒng)狀態(tài)。ICO方法關(guān)機(jī)時(shí)間優(yōu)化非常明顯，然而系統(tǒng)使用一段時(shí)間后和鏡像記錄狀態(tài)差別越來越大，掃描外存需要時(shí)間越來越長(zhǎng)，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間增加。

針對(duì)延長(zhǎng)關(guān)機(jī)時(shí)間和鏡像加載時(shí)間過長(zhǎng)題，本文分析研究了基于休眠的快速啟動(dòng)方法，提出一種開機(jī)創(chuàng)建快照（Create Image After Boot，CIAB）的優(yōu)化方法，以期縮短關(guān)機(jī)時(shí)間且減小鏡像尺寸。

2 相關(guān)理論

2.1 掛起/恢復(fù)技術(shù)

SDK快速啟動(dòng)是利用Linux電源管理的掛起/恢復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)分為兩部分：關(guān)機(jī)前通過掛起技術(shù)將系統(tǒng)當(dāng)前的CPU、內(nèi)存頁面、外部設(shè)備狀態(tài)等，按照一定格式制作成鏡像保存在外部Flash中；下次開機(jī)的時(shí)候利用恢復(fù)技術(shù)按照鏡像文件內(nèi)容恢復(fù)到上次關(guān)機(jī)狀態(tài)。掛起和恢復(fù)函數(shù)執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 恢復(fù)和掛起操作流程圖

內(nèi)核加載器載入并解壓縮內(nèi)核，內(nèi)核執(zhí)行完一些架構(gòu)初始化操作之后，跳轉(zhuǎn)至快速啟動(dòng)入口檢查鏡像文件是否存在，若不存在執(zhí)行正常啟動(dòng)流程。若存在則載入鏡像文件恢復(fù)系統(tǒng)，恢復(fù)過程是掛起過程的對(duì)偶操作。

完成準(zhǔn)備工作，接下來是掛起／恢復(fù)流程中最重要的步驟——鏡像創(chuàng)建。

2.2 快速啟動(dòng)鏡像文件

SDK快速啟動(dòng)方法主要依賴掛起過程中產(chǎn)生的鏡像，在保存狀態(tài)階段需要將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)按照一定格式組織成鏡像文件，鏡像文件的格式如圖2所示。

圖2 鏡像組織結(jié)構(gòu)

鏡像頭存儲(chǔ)了鏡像大小、版本號(hào)等等，用來管理整個(gè)鏡像文件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在鏡像元數(shù)據(jù)中，包括：鏡像文件起始內(nèi)存地址、鏡像文件起始?jí)K號(hào)和位圖索引等等。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鏡像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

swsusp_info是鏡像頭，鏡像文件中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。swsusp_header表示整個(gè)鏡像文件的開始，其中最重要的結(jié)構(gòu)式指向位圖索引的image。內(nèi)核寫鏡像時(shí)，先初始化swsusp_info，swsusp_header，接著循環(huán)申請(qǐng)內(nèi)存存儲(chǔ)鏡像內(nèi)容、寫入外存、修改swap_map_page直到整個(gè)鏡像寫入完成，最后在swsusp_info中記錄大小和版本號(hào)等信息。

讀鏡像是根據(jù)用戶設(shè)置的位置，去外存上先讀出swsusp_info和swsusp_header得到索引位圖，根據(jù)位圖依次讀出鏡像塊，并恢復(fù)到內(nèi)存。

3 SDK快速啟動(dòng)方法問題描述

3.1 延長(zhǎng)關(guān)機(jī)時(shí)間

SDK快速啟動(dòng)修改了原本的Linux關(guān)機(jī)流程，在執(zhí)行正常關(guān)機(jī)流程中添加了產(chǎn)生和保存鏡像操作?？焖賳?dòng)關(guān)機(jī)流程和正常的關(guān)機(jī)流程對(duì)比如圖4所示。

圖4 關(guān)機(jī)流程對(duì)比圖

SDK快速啟動(dòng)在正常關(guān)機(jī)流程上增加的邏輯有：掛起喚醒設(shè)備、讀寫磁盤等這些相對(duì)耗時(shí)的操作。通過研究SDK方法延長(zhǎng)了40%的關(guān)機(jī)時(shí)間［4］。目前嵌入式設(shè)備常常出現(xiàn)電量耗盡關(guān)機(jī)的使用場(chǎng)景，此種情況下系統(tǒng)來不及保存鏡像指示快速啟動(dòng)失敗。綜上，該問題亟待解決。

3.2 鏡像加載時(shí)間過長(zhǎng)

基于休眠的快速啟動(dòng)技術(shù)的啟動(dòng)時(shí)間可形式化表示為如下：

其中tb表示內(nèi)核加載器進(jìn)行像CPU、時(shí)鐘等基本初始化的時(shí)間，是讀取休眠鏡像前的準(zhǔn)備工作；td表示從外存讀取休眠鏡像的時(shí)間；tr表示執(zhí)行恢復(fù)系統(tǒng)函數(shù)根據(jù)鏡像恢復(fù)系統(tǒng)的時(shí)間，主要包括恢復(fù)處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備狀態(tài)、進(jìn)程狀態(tài)的時(shí)間。

由式（2）看出休眠鏡像讀取時(shí)間和休眠鏡像大小成正比，2.2節(jié)介紹了休眠鏡像的組織結(jié)構(gòu)，內(nèi)存數(shù)據(jù)分為內(nèi)核空間和用戶空間。內(nèi)核空間主要有內(nèi)核代碼、內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、高速緩存、文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)等組成。用戶空間保存了各個(gè)用戶進(jìn)程的地址空間。保存了內(nèi)存全部頁面，包括高速緩存和用戶進(jìn)程數(shù)據(jù)等這些并不重要的頁面，致使休眠鏡像臃腫過大。

4 基于休眠的快速啟動(dòng)優(yōu)化方法

本文提出的快速啟動(dòng)優(yōu)化方法：快照在開機(jī)之后產(chǎn)生，系統(tǒng)運(yùn)行過程中更新鏡像文件，在不延長(zhǎng)關(guān)機(jī)或者開機(jī)時(shí)間前提下，任意時(shí)刻外存上存儲(chǔ)了一個(gè)和關(guān)機(jī)前系統(tǒng)狀態(tài)盡可能相同的鏡像文件。

CIAB方法產(chǎn)生的鏡像文件中存儲(chǔ)的并不是關(guān)機(jī)之前系統(tǒng)狀態(tài)，使用此鏡像文件恢復(fù)系統(tǒng)將導(dǎo)致快速啟動(dòng)和正常啟動(dòng)進(jìn)入的系統(tǒng)的不一致問題。不一致問題有用戶掛載新文件系統(tǒng)導(dǎo)致的文件系統(tǒng)的不一致和用戶新修改了系統(tǒng)設(shè)置導(dǎo)致的設(shè)置不一致。

4.1 整體設(shè)計(jì)

CIAB方法不一致問題整體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 CIAB方法設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)和文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在鏡像圖5所示位置中，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)置，快速啟動(dòng)成功后創(chuàng)建守護(hù)進(jìn)程同步。對(duì)于文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行過程中創(chuàng)建守護(hù)進(jìn)程，定時(shí)同步鏡像保存文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)。

4.2 文件系統(tǒng)同步

正常啟動(dòng)過程中的掛載文件系統(tǒng)，實(shí)際上是讀取外存設(shè)備上的文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)至內(nèi)存，比如說超級(jí)塊、根索引節(jié)點(diǎn)等等，虛擬文件系統(tǒng)用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建file_system_type用以管理文件系統(tǒng)。內(nèi)核用鏈表結(jié)構(gòu)管理全部的file_system_type，表頭由file_systems變量指定，此鏈表是需要同步的數(shù)據(jù)。

CIAB方法創(chuàng)建休眠鏡像結(jié)束時(shí)，修改hibernate.c/hibernate函數(shù)正常退出模塊，再次調(diào)用內(nèi)核函數(shù)swap_write_pages在鏡像文件之后記錄file systems，塊號(hào)記錄在fastboot_block變量中。修改之后鏡像結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 修改之后的鏡像文件

創(chuàng)建守護(hù)進(jìn)程定時(shí)讀取file_systems鏈表，詳細(xì)流程如圖7所示。

圖7 同步文件系統(tǒng)流程圖

休眠鏡像創(chuàng)建完成后，申請(qǐng)內(nèi)存空間存儲(chǔ)file systems鏈表節(jié)點(diǎn)，調(diào)用函數(shù)把該頁寫入swap，此時(shí)鏡像內(nèi)容修改完成。接下來修改鏡像頭存儲(chǔ)的鏡像大小、鏡像元數(shù)據(jù)記錄的位圖信息，設(shè)置鏡像不壓縮標(biāo)志，最后文件系統(tǒng)同步進(jìn)程完成全部工作進(jìn)入睡眠。

只有在用戶掛載了新的文件系統(tǒng)的情況下，file systems鏈表才有變化，因此同步文件系統(tǒng)頻率不高。

4.3 系統(tǒng)設(shè)置同步

用戶在交互使用應(yīng)用過程中會(huì)根據(jù)自己的需要調(diào)整應(yīng)用的設(shè)置，這保證了不同的用戶能夠按照自己的需求定義不同的設(shè)置，快速啟動(dòng)鏡像文件并未保存用戶的最新設(shè)置，因此帶來系統(tǒng)設(shè)置不一致問題。這些交互設(shè)置包括桌面設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。

系統(tǒng)常用配置常存儲(chǔ)在/etc下，比如桌面壁紙和app icon設(shè)置存儲(chǔ)在/etc/desktop文件中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置位于/etc/networking等等。專用的嵌入式設(shè)備要求一些特殊配制，像智能車載電腦要求記錄用戶播放列表位置等。

CIAB方法解決系統(tǒng)設(shè)置不一致問題詳細(xì)流程如圖8所示。

Bootloader載入鏡像文件，內(nèi)核執(zhí)行完基本初始化操作，調(diào)用函數(shù)hibernate.c/load_image_and_restore按照鏡像文件恢復(fù)系統(tǒng)。讀取/etc/desktop/config、/etc/networking/config和/etc/fastboot_config.xm l，根據(jù)配置文件修改系統(tǒng)，同步完成后顯示用戶登錄界面，之后掛起系統(tǒng)創(chuàng)建下次啟動(dòng)使用的鏡像文件。

圖8 同步系統(tǒng)設(shè)置流程圖

5 測(cè)試與分析

本文研究基于快照的嵌入式Linux的快速啟動(dòng)，在ARM體系結(jié)構(gòu)下，選用FriendlyARM mini2440硬件平臺(tái)、Ubuntu for ARM操作系統(tǒng)加上qq、小企鵝、紙牌游戲、照相機(jī)和瀏覽器等軟件。使用printk得到優(yōu)化前后的啟動(dòng)時(shí)間和關(guān)機(jī)時(shí)間，分別對(duì)SDK方法、CIAB方法、NRC方法、ORK方法和ICO方法進(jìn)行對(duì)比。

圖9 快速啟動(dòng)開關(guān)機(jī)時(shí)間對(duì)比圖

從圖9看出，各個(gè)快速啟動(dòng)方法和正常開機(jī)時(shí)間相比節(jié)省都超過60%，其中ICO方法啟動(dòng)結(jié)束之后需要掃描外存同步系統(tǒng)數(shù)據(jù)，和SDK等快速啟動(dòng)方法相比，花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)，隨著用戶的使用，掃描硬盤耗時(shí)必將越來越高。NRC方法不保存干凈內(nèi)存頁面、ORK只保存內(nèi)核空間內(nèi)存頁面和本文提出的CIAB方法開機(jī)之后內(nèi)存處于干凈狀態(tài)下創(chuàng)建鏡像，均優(yōu)化了鏡像大小，相較于SDK方法啟動(dòng)時(shí)間略有縮短。

關(guān)機(jī)時(shí)間對(duì)比圖中，SDK、NRC和ORK方法關(guān)機(jī)之前創(chuàng)建休眠文件，關(guān)機(jī)時(shí)間比正常關(guān)機(jī)延長(zhǎng)了65%左右。SDK方法休眠鏡像保存全部?jī)?nèi)存頁面，花費(fèi)的關(guān)機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)。NRC方法通過關(guān)機(jī)之前申請(qǐng)大量?jī)?nèi)存迫使內(nèi)核回收干凈頁面來減少鏡像存儲(chǔ)內(nèi)存頁面數(shù)量，而ORK方法通過虛擬地址選擇，ORK比NRC關(guān)機(jī)時(shí)間更短。CIAB和ICO方法并為修改原本的關(guān)機(jī)邏輯，關(guān)機(jī)時(shí)間和正常關(guān)機(jī)相同。

綜上，CIAB方法開機(jī)之后大量用戶進(jìn)程運(yùn)行之前創(chuàng)建鏡像，和各個(gè)基于休眠的快速啟動(dòng)方案相比，在縮短關(guān)機(jī)時(shí)間和減小鏡像文件大小方面優(yōu)化顯著。

6 結(jié)語

本文通過分析Linux掛起/恢復(fù)技術(shù)，利用現(xiàn)有的SDK快速啟動(dòng)方法，提出一種CIAB快速啟動(dòng)優(yōu)化方法，這種方法在縮短SDK關(guān)機(jī)時(shí)間方面優(yōu)化顯著。這對(duì)研究嵌入式Linux啟動(dòng)過程和加快嵌入式Linux啟動(dòng)速度方面有重要的研究和借鑒意義。然而由于鏡像文件中僅僅保存了內(nèi)存中的基本系統(tǒng)數(shù)據(jù)，下一步工作將著力于解決CIAB方法會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)結(jié)束后系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)問題。