摘要:本文主要介绍应用程序加载如何做到毫秒级耗时。图不同视角看左边是从汇编器和链接器的视角来看这个文件,开头的描述了体系结构和操作系统等基本信息,并指出和在文件中的什么位置,在汇编和链接过程中没有用到,所以是可有可的,中保存了所有的描述信息。
AliOS Thing 是AliOS家族旗下面向IoT领域的、高可伸缩的物联网操作系统,AliOS Thing v3.2[1]以后的版本提供了内核和应用程序分离的功能,内核和应用分别运行在不同的虚拟地址空间,即使应用程序出现问题也不会影响到内核的运行。内核和应用程序的隔离,不仅可以达到安全的目的,还可以有效降低应用开发的成本,并且应用程序以标准的ELF (Executable and Linkable Format)[2]文件存在,系统需要运行哪一个应用程序,只需要加载该应用程序的ELF文件即可。
本文主要介绍AliOS Things应用程序加载如何做到“毫秒级”耗时。
图1-1 AliOS Things
ELF文件格式提供了两种不同的视角,在汇编器和链接器看来,ELF文件是由Section Header Table描述的一系列Section的集合,而执行一个ELF文件时,在加载器Loader看来它是由Program Header Table描述的一系列Segment的集合。
图2-1 不同视角看ELF
左边是从汇编器和链接器的视角来看这个文件,开头的ELF Header描述了体系结构和操作系统等基本信息,并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置,Program Header Table在汇编和链接过程中没有用到,所以是可有可的,Section Header Table中保存了所有Section的描述信息。右边是从加载器的视角来看这个文件,开头是ELF Header,Program Header Table中保存了所有Segment的描述信息,Section Header Table在加载过程中没有用到,所以是可有可无的。注意Section Header Table和Program Header Table并不是一定要位于文件开头和结尾的,其位置由ELF Header指出,上图这么画只是为了清晰。
我们在汇编程序中用.section
声明的Section会成为目标文件中的Section,此外汇编器还会自动添加一些Section(比如符号表),Segment是指在程序运行时加载到内存的具有相同属性的区域,由一个或多个Section组成,比如有两个Section都要求加载到内存后可读可写,就属于同一个Segment。有些Section只对汇编器和链接器有意义,在运行时用不到,也不需要加载到内存,那么就不属于任何Segment。目标文件需要链接器做进一步处理,所以一定有Section Header Table;可执行文件需要加载运行,所以一定有Program Header Table;而共享库既要加载运行,又要在加载时做动态链接,所以既有Section Header Table又有Program Header Table。
图3-1 AliOS Things ELF
目前的AliOS Things应用程序ELF文件暂不支持类似于.so
文件的动态加载和地址重定位,ELF文件一旦编译生成之后,该ELF加载之后运行的虚拟地址就固定(由链接脚本确定)下来了,如图3-1中的Program Header中的LOAD对应的虚拟地址起始地址是0x10000000
,相较于整个ELF文件的偏移量是0x010000
。
以前的传统加载方式,分成四个步骤,如图4-1所示:
.text
,ARM.exidx
,.ctors
,.rodata
,.ARM.extab
,.ARM.extab.text.u
,.data
,.got
,.FSymTab
部分搬运到 虚拟地址范围app_text_start ~ app_text_end对应的存储区,同时把虚拟地址范围app_zero_start ~ app_zero_end对应的存储区全部清零。图4-1 传统加载方式示意
通过上述步骤可以发现如下2个问题:
上述2个方面也是我们新的加载器(分段快速加载引擎)重点优化的两个方面;
图5-1 AliOS Things分段加载引擎
图5-2 AliOS Things示意图
基于IP Camera客户的应用程序测试发现,整个虚拟地址空间只需要映射1/4部分程序就可以正常运行,整个ELF文件只需要读取ELF Header和Program Header Table获取LOAD segment字段描述信息,根据这些信息设置好缺页中断即可运行,应用程序完全运行起来,只需要加载和映射大概1/4内容,借助于分段快速加载引擎(bengine_dload)加载2M Bytes大小的ELF文件的速度可以从500 ms优化到80 ms左右部分,内存开销从3.5 MB (2MB code + 1.5MB BSS)降低到1.25 MB (256KB code + 1MB bss)。分段快速加载引擎可以对应用程序的加载速度提高6倍以上,内存开销降低2.8倍。
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