嵌入式Linux系统的性能优化研究

嵌入式系统的启动速度因设备的性能和代码的质量而异，但总体而言，从消费者的角度考虑，系统的启动速度肯定是越快越好。因此，对嵌入式系统进行性能优化，加快设备的启动时间为项目后期必须进行的一项工作。需要注意的是：嵌入式Linux设备的优化不是一蹴而就的，而是一个不断优化，不断改进的过程。 现将自己掌握的嵌入式设备的性能优化策略进行总结，如有不对的地方，还望批评指正。

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启动快慢的标准

设备启动的快慢目前还没有一个统一的标准。在项目中一般按照客户的标准。

性能的评测

对于开发人员来说，评价设备的性能一般是通过在代码中增加log的方式。这种方式具有以下几点优点：

1. 精确度高。 通常能够精确到毫秒。有特殊需求的情况下，可以精确到毫秒，比如使用gettimeofday函数。
2. 灵活性强。 可以测出代码中任意部分的代码运行所耗费的时间。

导致性能低下的原因

在嵌入式设备中，导入设备启动时间过长，性能低下的原因一般包括如下几个方面：

1. 硬件的原因 硬件的原因一般指的是设备的CPU及Flash性能。如果代码的运算量很大，碍于CPU和Flash的性能，会导致CPU过于繁忙。有些设备碍于成本的原因，Flash太小，很多东西都需要压缩存放，那么在设备启动过程中，解压也需要一定的时间。
2. 程序的原因 代码需要进行大量的IO操作，比如读写文件，内存访问等等，CPU更多的时候处于等待状态。而有些代码，由于编写的原因，导师各个进程之间相互等待，CPU利用率低下，制约了设备的性能。

优化的原则

优化并不能盲目的优化，盲目追求性能，还要统筹考虑。一般要遵循以下原则：

1. 等效性原则

   优化前后的代码实现的功能要完全一致

2. 有效性原则

   优化后的代码一定要比原先的代码运行速度快活着占用存储空间小，或者二者兼有，否则就是毫无意义的优化

3. 经济性原则

   很多代码性能低下的部分原因也是由于硬件性能的限制，比如将文件压缩存放以节约存储成本。优化要在现有的条件下考虑，不要以更换存储空间的大小来换取解压的时间。优化要付出较小的代价，很多程序员在做优化的时候，抱怨设备的性能有限，要求提高设备的性能，这样只能是本末倒置。

优化的方法

此处提出的优化的方法主要是从代码的角度考虑，不包括升级硬件。

shell 脚本优化

绝大多数的嵌入式设备都会使用busybox作为实现Linux命令的工具，因此BusyBox提供了一个比较完善的环境，可以适用于任何小的嵌入式系统。

BusyBox 是一个集成了一百多个最常用linux命令和工具的软件。BusyBox 包含了一些简单的工具，例如ls、cat和echo等等，还包含了一些更大、更复杂的工具，例grep、find、mount以及telnet。有些人将BusyBox称为Linux工具里的瑞士军刀。简单的说BusyBox就好像是个大工具箱，它集成压缩了Linux的许多工具和命令，也包含了Android系统的自带的shell。

BusyBox包含三种类型的命令： APPLET 即为人所熟知的applets，它由BusyBox创建一个子进程，然后调用exec执行相应的功能，在执行完毕后，返回控制给父进程。 APPLET_NOEXEC 系统将调用fork创建子进程，然后执行BusyBox中相应的功能，在执行完毕后，返回控制给父进程。 APPLET_NOFORK 它相当于builts-in，只是执行BusyBox的内部函数，不必创建子进程，所以其效率极高。 众所周知，在Linux中调用fork，exec是很耗费时间的，所以我们应该尽可能的使用APPLET_NOFORK命令，其次是APPLET_NOEXEC，最后是APPLET。 在BusyBox1.9中，属于APPLET_NOFORK的功能有： basename,cat,dirname,echo,false,hostid,length,logname,mkdir,pwd,rm,rmdir,deq,sleep,sync,touch,true,usleep,whoami,yes 属于APPLET_NOEXEC的功能有： awk,chgrp,chmod,chown,cp,cut,dd,find,hexdump,ln,soort,test,xargs...... 所以优化shell脚本的策略一般有： 1. 去掉无用的脚本 2. 尽可能的使用BusyBox内部的命令 3. 尽量不要使用管道pipe 4. 减少管道中的命令数目 5. 尽量不要使用·

优化进程启动速度

进程的启动过程如下： 1 搜索其所依赖的动态库 2 加载动态库 3 初始化动态库 4 初始化进程 5 将程序的控制权移交给main函数 要加快的进程的启动速度，可以从以下几方面入手： 1 减少加载的动态库的数量 a) 使用dlopen，将启动时不需要的动态库延后加载 b) 将一些动态库改为静态库 优点： - 减少了加载动态库的数量 - 在与其他动态库合并之后，动态库内部的函数之间不必再进行动态链接、符号查找，从而提高速度 缺点： - 该动态库如果被多个动态库或进程所依赖的话，那么该动态库将被复制多份合并到新的动态库中，导致整体的文件大小增加，占用更多的Flash。 - 失去了动态库原有的代码段内存共享，因此可能会导致内存使用上的增加 2 优化加载动态库时的搜索路径 a) 设置LD_HWCAP_MASK，禁掉一些不用的硬件特性 b) 将所有的动态库都放在一个目录下，并且将目录放在LD_LIBRARY_PATH的开始 c) 不能放在一个目录的，在进程中加入-rpath选项，指定搜索路径 如果做了之前的工作仍然无法满足进程启动速度的要求，那就从进程的调度上下功夫，可以：

• 进程改为线程
  • 可以把原来的进程分割为两个部分： 常驻内存部分：其为daemon进程，主要负责加载进程所需要的动态库，侦听用户信号，创建和销毁用户逻辑线程 完成用户逻辑部分： 由daemon部分创建线程，按用户需求完成用户逻辑
  • 这样就节省掉了加载动态库、初始化动态库和全局变量部分，可以缩短进程的响应时间，来满足用户的需求
  • 还可以再引申一下，将原来的多个daemon进程的常驻内存部分进行合并，根据用户逻辑需求，创建不同的进程。

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  • 优点： 创建线程时，不需要重新加载动态库，故缩短了进程的响应时间 多个业务逻辑共享动态库时，避免了系统为每个业务逻辑创建动态库的数据段，从而节省了大量的内存。
  • 缺点： 由原来的进程改为线程，工作量比较大，代码修改上存在一定的风险 多个业务逻辑线程之间共享动态库时，有可能会带来全局变量的冲突 由于还是存在daemon进程部分，所以其堆栈内存不会被释放，多个业务逻辑线程所存在内存泄露会纠缠在一起，从而使问题更加复杂。
• preload进程
  • 在进程的main函数中插入一行语句： pause();
  • 这样，当进程启动时，加载完动态库后，就会停在这里，不会运行用户逻辑。
  • 当我们需要相应用户时，向该进程发送一个信号，这样用户就会继续前进，处理用户逻辑，这样就节省了进程加载动态库的过程。 这里需要一个信号处理函数：
  • 当用户逻辑执行完成后，就退出进程，同时再启动该进程，这是进程会在加载完动态库后，停留在那里

void sigCont( int unused) { return; } int main(int argc, char** argv) { signal(SIGCONT,sigCont); pause(); }

• 提前加载，延后退出 当进程启动需要较长时间时，很多程序员仅仅想到了将其提前加载（在开机时启动），却没有想到起退出条件，而导致进程中又多了一个daemon进程。 因此提前加载，延后退出需要更加精确的控制进程的生命周期。
• 调整CPU频率
  • 嵌入式设备中，CPU一般有几个工作频率
  • CPU频率越高，运行速度越快，耗电量越高
  • 可以再启动前调高CPU频率，在完成后再调低CPU频率
  • 这种方法以耗电量增加为代价，在某些场合下不适用

优化代码

• if表达式 从左到右对表达式求值，当结果确定后也就不在需要计算其他的表达式，也就是常说的“短路”机制，因此对于if语句可以做以下优化：
  • 删除冗余条件
  • 删除肯定不成立的条件
  • 利用短路机制，将计算速度最快的表达式放在左边
• 循环语句的优化
  • 将不变的代码移到循环之外
  • 将分支语句提到循环的外面
  • 通过循环分支的展开，可以降低循环次数，从而减少分支语句对循环的影响
  • 用减1指令替代循环加1指令

＃将分支语句提到循环的外面的例子 for (i=nloop; i>0; i--) { if(n == 1) j += 2; else j += 1; } ＃改为： if (n == 1) { for (i=nloop; i>0; i--) { j += 2; } } else { for (i=nloop; i>0; i--) { j += 1; } } ############################################################################################################# # 展开循环语句的例子 #方式1 for (n = 0; n < 1024*1024; n++) { n++; } #方式2 for (n = 0; n < 1024*512; n++) { n++; n++; } #方式3 for (n = 0; n < 1024*256; n++) { n++; n++; n++; n++; } #以上三种方法，方式三所用的时间最短，效率最高

• 寄存器的使用遵循ATPCS标准 ATPCS标准是嵌入式开发应尽量遵循的标准，主要内容如下：
  • 子程序间通过寄存器R0——R3来传递参数。

    被调用的子程序在返回前无需恢复寄存器R0——R3的内容

  • 在子程序中，使用寄存器R4——R11来保存局部变量。

    如果在子程序中使用了寄存器R4——R11的某些寄存器，子程序进入时必须保存这些寄存器的值，在返回前必须恢复这些寄存器的值，对于子程序中没有用到的寄存器则不必进行这些操作。

  • R12用作子程序间scratch寄存器，记作ip。

    在子程序间的连接代码段经常使用这些规则

  • R13用作数据栈指针，记作sp。

    在子程序间寄存器R13不能用作其他用途。

  • R14成为连接寄存器，记作lr。

    它用来保存子程序的返回地址。

  • R15是程序计数器，记作pc。
  • 子程序返回结果为一个32位整数时，可以通过寄存器R0返回；结果为一个64位整数时，可以通过寄存器R0和R1返回，以此类推。
• 函数参数优化
  • 函数的参数最好不超过4个
    • 4个以下的形参可以通过寄存器来传递，4个以上的参数，则需要通过栈来传递。
    • 同事如果参数小于4个，R0-R4中剩余的寄存器可以保存函数中的局部变量。
  • 减少局部变量的个数
    • 尽量限制函数内部循环所用的局部变量的数目，最多不超过12个，以便编译器能把变量分配到寄存器。
    • 如果没有局部变量保存到栈中，系统也将不必设置和恢复栈指针。
  • 当函数内部寄存器变量多于12个时，并不意味着只是将前面的12个临时变量分配寄存器，之后的临时变量都是通过栈内存来操作。
    • 当寄存器分配完内存后，遇到新的临时变量时，先查看已分配寄存器的局部变量是否有在后面的代码中不会被使用，则新的局部变量使用其所占用的寄存器。
    • 如果也纷纷寄存器的局部变量在后面的代码中都要使用，则要选择出一个临时变量，将其保存到栈中，之后将其使用的寄存器分配给局部变量。
• 文件操作的优化
  
  • 读写文件时，缓冲区的buffer为2048或4096时，速度最快。
  • 利用mmap读写文件
    mmap的基本流程是：
    - 创建一个与源文件相同的目标文件
    - 使用mmap，分别将源文件和目标文件映射到内存中
    - 使用memcpy，将文件读写操作转换成内存的拷贝操作
• 线程的优化
  • 线程的创建是要付出代价的，如果创建的线程只做很少的事情，而又频繁的创建和销毁线程，是得不偿失的
  • 使用异步IO，来取代多线程+同步IO的方式
  • 使用线程池取代线程的创建和销毁
• 内存操作的优化

  内存访问流程
  + CPU试图访问一块内存
  + CPU首先确认该内存是否已经被加载到cache中
  + 如果加载到cache中，则直接在cache中定位
  + 如果未加载到cache中，则通过CPU和内存直接的地址总线，向内存发送地址的高27位地址
  + 当内存收到高27位地址后，利用SDRAM的突发交换模式，将连续的32个字节传送给CPU的cache，填充一个缓存行
  + CPU可以通过地址的高27位来定位cache的缓存行，利用地址的低5位定位到缓存行中具体的字节

  • 尽量使用占用内存少的算法
  • 利用流水线内存存取与计算并行的特点，组合内存访问与计算
• 调整进程的优先级
  • linux支持两种进程:实时进程和普通进程
  • 实时进程的优先级是静态设定的，而且始终大于普通进程的优先级。对于实时进程来讲，其使用绝对优先级的概念，绝对优先级的取值范围是0——99,数字越大，优先级越高。
  • 普通进程的绝对优先级取值是0.在普通进程之间，其又具备静态优先级和动态优先级之分。静态优先级，我们可以通过程序来修改。同事系统在运行过程中，会在静态优先级基础上，不断动态计算出每个进程的动态优先级，拥有最高动态优先级的进程进程被调度器选中。一般来讲，静态优先级越高，进程所能分配的时间片越长。
  • 尽量不要把某些进程放到启动脚本中，尝试daemon进程在第一次使用时启动。