优化启动时间

本文档提供了有关改进特定 Android 设备的启动时间的合作伙伴指南。启动时间是系统性能的重要组成部分，因为用户必须等待启动完成后才能使用设备。对于较常进行冷启动的汽车等设备而言，较短的启动时间至关重要（没有人喜欢在等待几十秒后才能输入导航目的地）。

Android 8.0 支持一系列组件的多项改进，因而可以缩短启动时间。下表对这些性能改进（在 Google Pixel 和 Pixel XL 设备上测得）进行了总结。

组件 改进
引导加载程序
  • 通过移除 UART 日志节省了 1.6 秒
  • 通过从 GZIP 更改为 LZ4 节省了 0.4 秒
设备内核
  • 通过移除不使用的内核配置和减少驱动程序大小节省了 0.3 秒
  • 通过 dm-verity 预提取优化节省了 0.3 秒
  • 通过移除驱动程序中不必要的等待/测试，节省了 0.15 秒
  • 通过移除 CONFIG_CC_OPTIMIZE_FOR_SIZE，节省了 0.12 秒
I/O 调整
  • 正常启动时间节省了 2 秒
  • 首次启动时间节省了 25 秒
init.*.rc
  • 通过并行运行 init 命令节省了 1.5 秒
  • 通过及早启动 zygote 节省了 0.25 秒
  • 通过 cpuset 调整节省了 0.22 秒
启动动画
  • 在未触发 fsck 的情况下，启动动画的开始时间提前了 2 秒，而触发 fsck 时启动动画则大得多
  • 通过立即关闭启动动画在 Pixel XL 上节省了 5 秒
SELinux 政策 通过 genfscon 节省了 0.2 秒

优化引导加载程序

请遵循以下做法优化引导加载程序以缩短启动时间：

  • 对于日志记录：
    • 停止向 UART 写入日志，因为如果日志记录很多，可能需要很长时间来处理。（在 Google Pixel 设备上，我们发现这会使引导加载程序的速度减慢 1.5 秒）。
    • 仅记录错误情况，并考虑将其他信息存储到具有单独检索机制的内存中。
  • 对于内核解压缩，请考虑为当代硬件使用 LZ4 而非 GZIP（例如补丁）。请注意，不同的内核压缩选项具有不同的加载和解压缩时间，对于特定硬件，某些选项可能比其他选项更适合。
  • 检查进入去抖动/特殊模式过程中是否有不必要的等待时间，并最大限度地减少此类时间。
  • 将在引导加载程序中花费的启动时间以命令行的形式传递到内核。
  • 检查 CPU 时钟并考虑内核加载和初始化 I/O 并行进行（需要多核支持）。

优化 I/O 效率

提高 I/O 效率对缩短启动时间来说至关重要，对任何不必要内容的读取都应推迟到启动之后再进行（在 Google Pixel 上，启动时大约要读取 1.2GB 的数据）。

调整文件系统

当从头开始读取某个文件或依序读取块时，预读的 Linux 内核便会启动，这就需要调整专门用于启动的 I/O 调度程序参数（与普通应用的工作负载特性不同）。

支持无缝 (A/B) 更新的设备在首次启动时会极大地受益于文件系统调整（例如，Google Pixel 的启动时间缩短了 20 秒）。例如，我们为 Google Pixel 调整了以下参数： 

on late-fs
  # boot time fs tune
    # boot time fs tune
    write /sys/block/sda/queue/iostats 0
    write /sys/block/sda/queue/scheduler cfq
    write /sys/block/sda/queue/iosched/slice_idle 0
    write /sys/block/sda/queue/read_ahead_kb 2048
    write /sys/block/sda/queue/nr_requests 256
    write /sys/block/dm-0/queue/read_ahead_kb 2048
    write /sys/block/dm-1/queue/read_ahead_kb 2048

on property:sys.boot_completed=1
    # end boot time fs tune
    write /sys/block/sda/queue/read_ahead_kb 512
    ...

其他

  • 使用内核配置 DM_VERITY_HASH_PREFETCH_MIN_SIZE（默认大小为 128）来启用 dm-verity 哈希预提取大小。
  • 为了提升文件系统稳定性及取消每次启动时的强制检查，请在 BoardConfig.mk 中设置 TARGET_USES_MKE2FS，以使用新的 ext4 生成工具。

分析 I/O

如需了解启动过程中的 I/O 活动，请使用内核 ftrace 数据（systrace 也使用这些数据）： 

trace_event=block,ext4 in BOARD_KERNEL_CMDLINE

如需针对每个文件细分文件访问权限，请对内核进行以下更改（仅限开发版内核；请勿在正式版内核中应用这些更改）： 

diff --git a/fs/open.c b/fs/open.c
index 1651f35..a808093 100644
--- a/fs/open.c
+++ b/fs/open.c
@@ -981,6 +981,25 @@
 }
 EXPORT_SYMBOL(file_open_root);
 
+static void _trace_do_sys_open(struct file *filp, int flags, int mode, long fd)
+{
+       char *buf;
+       char *fname;
+
+       buf = kzalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);
+       if (!buf)
+               return;
+       fname = d_path(&filp-<f_path, buf, PAGE_SIZE);
+
+       if (IS_ERR(fname))
+               goto out;
+
+       trace_printk("%s: open(\"%s\", %d, %d) fd = %ld, inode = %ld\n",
+                     current-<comm, fname, flags, mode, fd, filp-<f_inode-<i_ino);
+out:
+       kfree(buf);
+}
+
long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, umode_t mode)
 {
 	struct open_flags op;
@@ -1003,6 +1022,7 @@
 		} else {
 			fsnotify_open(f);
 			fd_install(fd, f);
+			_trace_do_sys_open(f, flags, mode, fd);

使用以下脚本来帮助分析启动性能。

  • system/extras/boottime_tools/bootanalyze/bootanalyze.py：负责衡量启动时间，并详细分析启动过程中的重要步骤。
  • system/extras/boottime_tools/io_analysis/check_file_read.py boot_trace：提供每个文件的访问信息。
  • system/extras/boottime_tools/io_analysis/check_io_trace_all.py boot_trace 提供系统级细分信息。

优化 init.*.rc

Init 是从内核到框架建立之前的衔接过程，设备通常会在不同的 init 阶段花费几秒钟时间。

并行运行任务

虽然当前的 Android init 差不多算是一种单线程进程，但您仍然可以并行执行一些任务。

  • 在 Shell 脚本服务中执行缓慢命令，然后通过等待特定属性，在稍后加入。Android 8.0 通过新的 wait_for_property 命令支持该用例。
  • 识别 init 中的缓慢操作。系统会记录 init 命令 exec/wait_for_prop 或任何所需时间较长的操作（在 Android 8.0 中，指所需时间超过 50 毫秒的任何命令）。例如： 
    init: Command 'wait_for_coldboot_done' action=wait_for_coldboot_done returned 0 took 585.012ms

    查看此日志可能会发现可以改进的机会。

  • 启动服务并及早启用关键路径中的外围设备。例如，有些 SOC 需要先启动安全相关服务，然后再启动 SurfaceFlinger。在 ServiceManager 返回“wait for service”（等待服务）时查看系统日志 - 这通常表明必须先启动依赖服务。
  • 移除 init.*.rc 中所有未使用的服务和命令。只要是早期阶段的 init 中没有使用的服务和命令，都应推迟到启动完成后再使用。

注意：“属性”服务是 init 进程的一部分，因此，在启动期间调用 setproperty 可能会导致较长时间的延迟（如果 init 忙于执行内置命令）。

使用调度程序调整

使用调度程序调整，以便及早启动设备。以下是取自 Google Pixel 的示例： 

on init
    # boottime stune
    write /dev/stune/schedtune.prefer_idle 1
    write /dev/stune/schedtune.boost 100
    on property:sys.boot_completed=1
    # reset stune
    write /dev/stune/schedtune.prefer_idle 0
    write /dev/stune/schedtune.boost 0

    # or just disable EAS during boot
    on init
    write /sys/kernel/debug/sched_features NO_ENERGY_AWARE
    on property:sys.boot_completed=1
    write /sys/kernel/debug/sched_features ENERGY_AWARE

部分服务在启动过程中可能需要进行优先级提升。例如： 

init.zygote64.rc:
service zygote /system/bin/app_process64 -Xzygote /system/bin --zygote --start-system-server
    class main
    priority -20
    user root
...

及早启动 zygote

采用文件级加密的设备可以在 zygote-start 触发器的早期阶段启动 zygote（默认情况下，zygote 会在 main 类中启动，比 zygote-start 晚得多）。这样做时，请确保允许 zygote 在所有 CPU 中运行（因为错误的 cpuset 设置可能会强制 zygote 在特定 CPU 中运行）。

停用节电设置

在设备启动期间，可以停用 UFS 和/或 CPU 调节器等组件的节电设置。

请注意：为了提高效率，应在充电器模式下启用节电设置。

on init
    # Disable UFS powersaving
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/clkscale_enable 0
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/clkgate_enable 0
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/hibern8_on_idle_enable 0
    write /sys/module/lpm_levels/parameters/sleep_disabled Y
on property:sys.boot_completed=1
    # Enable UFS powersaving
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/clkscale_enable 1
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/clkgate_enable 1
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/hibern8_on_idle_enable 1
    write /sys/module/lpm_levels/parameters/sleep_disabled N
on charger
    # Enable UFS powersaving
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/clkscale_enable 1
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/clkgate_enable 1
    write /sys/devices/soc/${ro.boot.bootdevice}/hibern8_on_idle_enable 1
    write /sys/class/typec/port0/port_type sink
    write /sys/module/lpm_levels/parameters/sleep_disabled N

推迟非关键初始化

非关键初始化（如 ZRAM）可以推迟到 boot_complete。 

on property:sys.boot_completed=1
   # Enable ZRAM on boot_complete
   swapon_all /vendor/etc/fstab.${ro.hardware}

优化启动动画

请按照以下提示来优化启动动画。

配置为及早启动

Android 8.0 支持在装载 userdata 分区之前及早启动动画。然而，即使 Android 8.0 中使用了新的 ext4 工具链，系统也会出于安全原因定期触发 fsck，导致启动 bootanimation 服务时出现延迟。

为了使 bootanimation 及早启动，请将 fstab 装载分为以下两个阶段：

  • 在早期阶段，仅装载不需要运行检查的分区（例如 system/ 和 vendor/），然后启动启动动画服务及其依赖项（例如 servicemanager 和 surfaceflinger）。
  • 在第二个阶段，装载需要运行检查的分区（例如 data/）。

启动动画将会更快速地启动（且启动时间恒定），不受 fsck 影响。

干净利落地结束

在收到退出信号后，bootanimation 会播放最后一部分，而这一部分的长度会延长启动时间。快速启动的系统不需要很长的动画，如果启动动画很长，在很大程度上就体现不出所做的任何改进。我们建议缩短循环播放和结尾的时间。

优化 SELinux

请按照以下提示优化 SELinux 以缩短启动时间。

  • 使用简洁的正则表达式 (regex)。在为 file_contexts 中的 sys/devices 匹配 SELinux 政策时，格式糟糕的正则表达式可能会导致大量开销。例如，正则表达式 /sys/devices/.*abc.*(/.*)? 错误地强制扫描包含“abc”的所有 /sys/devices 子目录，导致 /sys/devices/abc 和 /sys/devices/xyz/abc 都成为匹配项。如果将此正则表达式修正为 /sys/devices/[^/]*abc[^/]*(/.*)?，只有 /sys/devices/abc 会成为匹配项。
  • 将标签移动到 genfscon。这一现有的 SELinux 功能会将文件匹配前缀传递到 SELinux 二进制文件的内核中，而内核会将这些前缀应用于内核生成的文件系统。这也有助于修复错误标记的内核创建的文件，从而防止用户空间进程之间可能出现的竞态条件（试图在重新标记之前访问这些文件）。

工具和方法

请使用以下工具来帮助您收集用于优化目标的数据。

bootchart

bootchart 可为整个系统提供所有进程的 CPU 和 I/O 负载细分。该工具不需要重建系统映像，可以用作进入 systrace 之前的快速健全性检查。

如需启用 bootchart，请运行以下命令： 

adb shell 'touch /data/bootchart/enabled'
adb reboot

在设备启动后，提取启动图表： 

$ANDROID_BUILD_TOP/system/core/init/grab-bootchart.sh

完成后，请删除 /data/bootchart/enabled 以防止每次都收集日期数据。

如果 bootchart 不起作用，并且您看到说明 bootchart.png 不存在的错误消息，请执行以下操作：
  1. 运行以下命令： 
          sudo apt install python-is-python3
      cd ~/Documents
      git clone https://github.com/xrmx/bootchart.git
      cd bootchart/pybootchartgui
      mv main.py.in main.py
  2. 更新 $ANDROID_BUILD_TOP/system/core/init/grab-bootchart.sh 以指向 pybootchartgui 的本地副本（位于 ~/Documents/bootchart/pybootchartgui.py）

Systrace

systrace 允许在启动期间收集内核和 Android 跟踪记录。systrace 的可视化可以帮助分析启动过程中的具体问题。（不过，如果要查看整个启动过程中的平均数量或累计数量，直接查看内核跟踪记录更为方便。）

如需在启动过程中启用 systrace，请执行以下操作：

  • 在 frameworks/native/cmds/atrace/atrace.rc 中，更改以下行： 
      write /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on 0
  write /sys/kernel/tracing/tracing_on 0

    改后：

      #    write /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on 0
  #    write /sys/kernel/tracing/tracing_on 0

    • 这将启用跟踪功能（默认处于停用状态）。

  • 在 device.mk 文件中，添加以下行： 
    PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES +=    debug.atrace.tags.enableflags=802922
PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES +=    persist.traced.enable=0
  • 在设备 BoardConfig.mk 文件中，添加以下行： 
    BOARD_KERNEL_CMDLINE := ... trace_buf_size=64M trace_event=sched_wakeup,sched_switch,sched_blocked_reason,sched_cpu_hotplug

    • 如果是详细的 I/O 分析，还要添加块以及 ext4 和 f2fs。

  • 在设备专属 init.rc 文件中，添加以下行： 
    on property:sys.boot_completed=1          // This stops tracing on boot complete
write /d/tracing/tracing_on 0
write /d/tracing/events/ext4/enable 0
write /d/tracing/events/f2fs/enable 0
write /d/tracing/events/block/enable 0

  • 在设备启动后，提取跟踪记录：

    adb root && adb shell atrace --async_stop -z -c -o /data/local/tmp/boot_trace
adb pull /data/local/tmp/boot_trace
$ANDROID_BUILD_TOP/external/chromium-trace/systrace.py --from-file=boot_trace