更快速地启动 Linux

在我拥有或使用过的所有电脑中，启动最快的是 20 世纪 80 年代的电脑；当你的手从电源开关移到键盘时，BASIC 解释器已经准备好接收你的命令。现代计算机启动时间从笔记本电脑的 15 秒到小型家用服务器的几分钟不等。为什么启动时间会有如此大的差异？

20 世纪 80 年代的微型计算机可以直接启动到 BASIC 提示符，它有一个非常简单的 CPU，一旦通电就立即开始从内存地址获取和执行指令。由于这些系统在 ROM 中内置了 BASIC，因此没有加载时间——你可以非常快速地进入 BASIC 提示符。同一时代更复杂的系统，如 IBM PC 或 Macintosh，启动时间较长（约 30 秒），但这主要是因为需要从软盘读取操作系统 (OS)。在能够加载操作系统之前，固件中只花费了区区几秒钟。

现代服务器通常在固件中花费数分钟而不是数秒，然后才开始从磁盘启动操作系统。这主要是由于现代系统复杂性的增加。CPU 不再能够简单地上电并开始全速执行指令；我们已经习惯了 CPU 频率调节、节省大量功耗的空闲状态以及多个 CPU 核心。事实上，在现代 CPU 内部，有数量惊人的更简单的 CPU，它们有助于启动主 CPU 核心并提供运行时服务，例如在 CPU 过热时限制频率。在大多数 CPU 架构上，CPU 内部这些核心上运行的代码以不透明的二进制 blob 形式提供。

在 OpenPOWER 系统上，CPU 内部每个核心上执行的每条指令都是开源软件。在配备 OpenBMC 的机器上（例如 IBM 的 AC922 系统和 Raptor 的 TALOS II 和 Blackbird 系统），这也扩展到基板管理控制器上运行的代码。这意味着我们可以深入了解从插入电源线到显示熟悉的登录 提示符之间的时间为什么如此之长。

如果你是 Linux 内核开发团队的一员，你可能会启动很多内核。如果你是固件开发团队的一员，你可能会启动很多不同的固件镜像，然后启动操作系统以确保你的固件仍然有效。如果我们能够缩短硬件的启动时间，这些团队的工作效率就会更高，最终用户在设置系统或重启以安装固件或操作系统更新时可能会感激不尽。

多年来，Linux 发行版的启动时间已经得到了许多改进。现代 init 系统可以很好地处理并发和按需操作。在现代系统中，一旦内核开始执行，只需几秒钟即可到达登录 提示符。这几秒钟不是优化启动时间的地方；我们必须更早地进行优化：在到达操作系统之前。

在 OpenPOWER 系统上，固件通过启动存储在固件闪存芯片中的 Linux 内核来加载操作系统，该内核运行一个名为 Petitboot 的用户空间程序，以查找包含用户想要启动的操作系统的磁盘，并使用 kexec() 启动它。这种代码重用利用了为加快 Linux 启动速度所做的努力。即便如此，我们还是在内核配置和用户空间中找到了一些可以改进的地方，并且可以轻松地节省几秒钟的启动时间。通过这些优化，启动 Petitboot 环境只占启动时间的个位数百分比，因此我们不得不在其他地方寻找更多改进。

在 Petitboot 环境启动之前，还有一个先前的固件 Skiboot，再之前是 Hostboot。在 Hostboot 之前是 Self-Boot Engine，它是芯片上的一个单独核心，它使单个 CPU 核心启动并从 Level 3 缓存中执行指令。这些组件是我们可以在缩短启动时间方面取得最大进展的地方，因为它们占据了绝大部分启动时间。也许这些组件中的一些优化不足，或者没有尽可能多地并行执行？

另一种攻击方向是重启时间而不是启动时间。在重启时，我们真的需要重新初始化所有硬件吗？

像任何现代系统一样，改进启动（和重启）时间的解决方案都是并行执行更多操作、处理遗留问题以及（可以说）作弊的混合体。 

Stewart Smith 将于 1 月 21 日至 25 日在新西兰基督城的 linux.conf.au 上展示“更快速地启动”。