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資訊專欄INFORMATION COLUMN

震驚！這個(gè)操作系統(tǒng)的應(yīng)用加載只需要“毫秒級(jí)”耗時(shí)

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摘要：本文主要介紹應(yīng)用程序加載如何做到毫秒級(jí)耗時(shí)。圖不同視角看左邊是從匯編器和鏈接器的視角來(lái)看這個(gè)文件，開頭的描述了體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)等基本信息，并指出和在文件中的什么位置，在匯編和鏈接過(guò)程中沒(méi)有用到，所以是可有可的，中保存了所有的描述信息。

1、背景

AliOS Thing 是AliOS家族旗下面向IoT領(lǐng)域的、高可伸縮的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，AliOS Thing v3.2[1]以后的版本提供了內(nèi)核和應(yīng)用程序分離的功能，內(nèi)核和應(yīng)用分別運(yùn)行在不同的虛擬地址空間，即使應(yīng)用程序出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)影響到內(nèi)核的運(yùn)行。內(nèi)核和應(yīng)用程序的隔離，不僅可以達(dá)到安全的目的，還可以有效降低應(yīng)用開發(fā)的成本，并且應(yīng)用程序以標(biāo)準(zhǔn)的ELF (Executable and Linkable Format)[2]文件存在，系統(tǒng)需要運(yùn)行哪一個(gè)應(yīng)用程序，只需要加載該應(yīng)用程序的ELF文件即可。

本文主要介紹AliOS Things應(yīng)用程序加載如何做到“毫秒級(jí)”耗時(shí)。

圖1-1 AliOS Things

2、ELF 文件格式

????ELF文件格式提供了兩種不同的視角，在匯編器和鏈接器看來(lái)，ELF文件是由Section Header Table描述的一系列Section的集合，而執(zhí)行一個(gè)ELF文件時(shí)，在加載器Loader看來(lái)它是由Program Header Table描述的一系列Segment的集合。

圖2-1 不同視角看ELF

????左邊是從匯編器和鏈接器的視角來(lái)看這個(gè)文件，開頭的ELF Header描述了體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)等基本信息，并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置，Program Header Table在匯編和鏈接過(guò)程中沒(méi)有用到，所以是可有可的，Section Header Table中保存了所有Section的描述信息。右邊是從加載器的視角來(lái)看這個(gè)文件，開頭是ELF Header，Program Header Table中保存了所有Segment的描述信息，Section Header Table在加載過(guò)程中沒(méi)有用到，所以是可有可無(wú)的。注意Section Header Table和Program Header Table并不是一定要位于文件開頭和結(jié)尾的，其位置由ELF Header指出，上圖這么畫只是為了清晰。

????我們?cè)趨R編程序中用.section聲明的Section會(huì)成為目標(biāo)文件中的Section，此外匯編器還會(huì)自動(dòng)添加一些Section（比如符號(hào)表)，Segment是指在程序運(yùn)行時(shí)加載到內(nèi)存的具有相同屬性的區(qū)域，由一個(gè)或多個(gè)Section組成，比如有兩個(gè)Section都要求加載到內(nèi)存后可讀可寫，就屬于同一個(gè)Segment。有些Section只對(duì)匯編器和鏈接器有意義，在運(yùn)行時(shí)用不到，也不需要加載到內(nèi)存，那么就不屬于任何Segment。目標(biāo)文件需要鏈接器做進(jìn)一步處理，所以一定有Section Header Table；可執(zhí)行文件需要加載運(yùn)行，所以一定有Program Header Table；而共享庫(kù)既要加載運(yùn)行，又要在加載時(shí)做動(dòng)態(tài)鏈接，所以既有Section Header Table又有Program Header Table。

3、AliOS Things應(yīng)用程序ELF格式

圖3-1 AliOS Things?ELF

????目前的AliOS Things應(yīng)用程序ELF文件暫不支持類似于.so文件的動(dòng)態(tài)加載和地址重定位，ELF文件一旦編譯生成之后，該ELF加載之后運(yùn)行的虛擬地址就固定（由鏈接腳本確定）下來(lái)了，如圖3-1中的Program Header中的LOAD對(duì)應(yīng)的虛擬地址起始地址是0x10000000，相較于整個(gè)ELF文件的偏移量是0x010000。

4、ELF文件加載方式思考

以前的傳統(tǒng)加載方式，分成四個(gè)步驟，如圖4-1所示:

  1. 打開ELF文件，并把整個(gè)ELF讀取到內(nèi)存，然后解析ELF的格式，找到需要加載的LOAD Program Header;
  2. 一次申請(qǐng)所有的內(nèi)存，并完成該ELF虛擬地址空間映射到對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存，需要的內(nèi)存大小為app_text_end - app_text_start;
  3. 把ELF文件中.text,ARM.exidx,.ctors,.rodata,.ARM.extab,.ARM.extab.text.u,.data,.got,.FSymTab部分搬運(yùn)到 虛擬地址范圍app_text_start ~ app_text_end對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)把虛擬地址范圍app_zero_start ~ app_zero_end對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)全部清零。
  4. 創(chuàng)建進(jìn)程執(zhí)行該ELF的代碼；

圖4-1 傳統(tǒng)加載方式示意

通過(guò)上述步驟可以發(fā)現(xiàn)如下2個(gè)問(wèn)題：

  1. 無(wú)論是否需要把整個(gè)ELF文件都全部加載，加載器都首先把全部文件都讀取到內(nèi)存，導(dǎo)致加載的耗時(shí)較長(zhǎng)；真實(shí)的情況可能只需要加載ELF文件的一部分內(nèi)容應(yīng)用程序就可以運(yùn)行了；
  2. 無(wú)論整個(gè)虛擬地址空間（app_text_start ~ app_zero_end）是否都需要映射到物理內(nèi)存，整個(gè)虛擬都一次全部映射，導(dǎo)致不必要的內(nèi)存浪費(fèi)；地址空間，到內(nèi)存打開ELF文件，并把整個(gè)ELF讀取到內(nèi)存，然后解析ELF的格式，找到需要加載的LOAD Program Header;

上述2個(gè)方面也是我們新的加載器（分段快速加載引擎）重點(diǎn)優(yōu)化的兩個(gè)方面；

5、分段快速加載引擎

圖5-1?AliOS Things分段加載引擎

  • ELF預(yù)先讀取程序入口，后續(xù)按需缺頁(yè)中斷加載；
  • 虛擬地址空間預(yù)先映射一部分，后續(xù)按需缺頁(yè)中斷映射，預(yù)先映射的部分可以根據(jù)缺頁(yè)中斷統(tǒng)計(jì)信息調(diào)整，提高加載的速度；

圖5-2?AliOS Things示意圖

????基于IP Camera客戶的應(yīng)用程序測(cè)試發(fā)現(xiàn)，整個(gè)虛擬地址空間只需要映射1/4部分程序就可以正常運(yùn)行，整個(gè)ELF文件只需要讀取ELF Header和Program Header Table獲取LOAD segment字段描述信息，根據(jù)這些信息設(shè)置好缺頁(yè)中斷即可運(yùn)行，應(yīng)用程序完全運(yùn)行起來(lái)，只需要加載和映射大概1/4內(nèi)容，借助于分段快速加載引擎（bengine_dload）加載2M Bytes大小的ELF文件的速度可以從500 ms優(yōu)化到80 ms左右部分，內(nèi)存開銷從3.5 MB (2MB code + 1.5MB BSS)降低到1.25 MB (256KB code + 1MB bss)。分段快速加載引擎可以對(duì)應(yīng)用程序的加載速度提高6倍以上，內(nèi)存開銷降低2.8倍。

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