資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：本文主要介紹應用程序加載如何做到毫秒級耗時。圖不同視角看左邊是從匯編器和鏈接器的視角來看這個文件，開頭的描述了體系結構和操作系統(tǒng)等基本信息，并指出和在文件中的什么位置，在匯編和鏈接過程中沒有用到，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領域的、高可伸縮的物聯(lián)網操作系統(tǒng)，AliOS Thing v3.2[1]以后的版本提供了內核和應用程序分離的功能，內核和應用分別運行在不同的虛擬地址空間，即使應用程序出現(xiàn)問題也不會影響到內核的運行。內核和應用程序的隔離，不僅可以達到安全的目的，還可以有效降低應用開發(fā)的成本，并且應用程序以標準的ELF (Executable and Linkable Format)[2]文件存在，系統(tǒng)需要運行哪一個應用程序，只需要加載該應用程序的ELF文件即可。
本文主要介紹AliOS Things應用程序加載如何做到“毫秒級”耗時。
圖1-1 AliOS Things
????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，ELF文件是由Section Header Table描述的一系列Section的集合，而執(zhí)行一個ELF文件時，在加載器Loader看來它是由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看這個文件，開頭的ELF Header描述了體系結構和操作系統(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在匯編和鏈接過程中沒有用到，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看這個文件，開頭是ELF Header，Program Header Table中保存了所有Segment的描述信息，Section Header Table在加載過程中沒有用到，所以是可有可無的。注意Section Header Table和Program Header Table并不是一定要位于文件開頭和結尾的，其位置由ELF Header指出，上圖這么畫只是為了清晰。
????我們在匯編程序中用.section聲明的Section會成為目標文件中的Section，此外匯編器還會自動添加一些Section（比如符號表)，Segment是指在程序運行時加載到內存的具有相同屬性的區(qū)域，由一個或多個Section組成，比如有兩個Section都要求加載到內存后可讀可寫，就屬于同一個Segment。有些Section只對匯編器和鏈接器有意義，在運行時用不到，也不需要加載到內存，那么就不屬于任何Segment。目標文件需要鏈接器做進一步處理，所以一定有Section Header Table；可執(zhí)行文件需要加載運行，所以一定有Program Header Table；而共享庫既要加載運行，又要在加載時做動態(tài)鏈接，所以既有Section Header Table又有Program Header Table。
圖3-1 AliOS Things?ELF
????目前的AliOS Things應用程序ELF文件暫不支持類似于.so文件的動態(tài)加載和地址重定位，ELF文件一旦編譯生成之后，該ELF加載之后運行的虛擬地址就固定（由鏈接腳本確定）下來了，如圖3-1中的Program Header中的LOAD對應的虛擬地址起始地址是0x10000000，相較于整個ELF文件的偏移量是0x010000。
以前的傳統(tǒng)加載方式，分成四個步驟，如圖4-1所示:
.text,ARM.exidx,.ctors,.rodata,.ARM.extab,.ARM.extab.text.u,.data,.got,.FSymTab部分搬運到 虛擬地址范圍app_text_start ~ app_text_end對應的存儲區(qū)，同時把虛擬地址范圍app_zero_start ~ app_zero_end對應的存儲區(qū)全部清零。圖4-1 傳統(tǒng)加載方式示意
通過上述步驟可以發(fā)現(xiàn)如下2個問題：
上述2個方面也是我們新的加載器（分段快速加載引擎）重點優(yōu)化的兩個方面；
圖5-1?AliOS Things分段加載引擎
圖5-2?AliOS Things示意圖
????基于IP Camera客戶的應用程序測試發(fā)現(xiàn)，整個虛擬地址空間只需要映射1/4部分程序就可以正常運行，整個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)這些信息設置好缺頁中斷即可運行，應用程序完全運行起來，只需要加載和映射大概1/4內容，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應用程序的加載速度提高6倍以上，內存開銷降低2.8倍。
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