Ｌｉｎｕｘ文件系統裁剪優化研究

摘要：本文對Linux裁剪進行了基本的闡述和說明，對文件系統的裁剪提出了具體的思路，取消預先分配策略和使用B+樹的查找算法來提高文件系統的性能。

關鍵詞：VFS；Ext2；B+樹

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)31-1000-01

A Research on the optimization of Linux File System's Cutting

JIANG Chun-mao， GAO Yuan， ZHANG Li-jun

(Department of Computer Science and Information Engieer， HarbinNormal University， Harbin 150050， China)

Abstract: This paper expatiate embed-Linux on a basic and the file system's cutting express the concrete ideas， abolition of pre-allocation strategy and the use of B+tree to find algorithms to improve file system performance.

Key words: VFS; Ext2; B+tree

1 引言

隨著嵌入式技術的日益發展，Linux作為嵌入式操作系統越來越廣泛的使用著，由于Linux是開發源代碼，內核功能強大，穩定，支持多任務等與生俱來的特點，使用Linux作為嵌入式OS的PDA，手機等設備越來越多了，針對特定的硬件設備，我們要將Linux進行裁剪，移植，Linux自身具備一整套工具鏈，容易建立交叉開發環境和運行環境，在目前常用的嵌入式開發技術中，基于Linux的移植技術已經得到了長足的進展。

Linux的文件系統廣泛使用Ext2，Ext3等文件格式，在使用的過程中由于限于硬件環境，或多或少的不相適應，因此出現了很多嵌入式的文件系統，但是，Linux通用的文件系統還是具有通用性，精巧性等特點，因此對于它們的優化也是很重要的問題。

2 Linux裁剪的基本思路

Linux的裁剪目前主要手段集中在基于源代碼分析上，有采用圖調用的方式來輔助進行，但是從根本上來講還是要從代碼本身下手，通過內核配置工具生成描述內核功能選項的配置文件，然后再根據該配置文件編譯生成定制的內核目標文件，即通過內核代碼中的條件編譯，裁剪掉內核中不必要的功能部分從而獲得面向特定應用需求、體積較小的嵌入式Linux內核。

目前的裁剪主要在內核裁剪，函數庫裁剪，文件系統裁剪幾個方面進行，下面做簡要的闡述：

1）內核的裁剪

對內核的裁剪主要集中在利用Linux本身的配置工具，使用make xconfig或者make menuconfig來進行選擇，選擇以后進行編譯，編譯內核需要3個步驟，分別是創建內核依賴關系，創建內核映像文件和創建內核模塊。用以下幾條命令對內核進行編譯，之后生成我們所需要的映像文件。

make dep

make bzImage

make modules

make modules_install

通過這種方式，可以對于特定硬件不需要的功能進行刪除，達到體積較小，操作比較簡單，但是缺點也很明顯，粒度過大，精度較小。況且未必所有的硬件都支持，在這種情況下，就需要對Linux的底層進行分析和裁剪，這些工作都需要對Linux系統的功能模塊和底層硬件比較熟悉。

2）函數庫的裁剪

由于Linux是由C的大量函數庫組成，存在一些共享庫可能根本就沒有被調用，也存在一些庫中的函數從未被使用過，然后對此進行處理是一件非常煩瑣的事情，一般可以采用源代碼分析，確定函數間的調用關系，確定程序和函數之間的關系，對于那些從未使用過的進行剪掉。我們也可以在編譯目標應用程序的時候，使用靜態連接的方法，這樣效果較好，但是隨之帶來的是重復的連接占據內存空間太大。另外，在編寫應用程序時可以調用任意需要的庫函數，應用程序編寫好后，根據應用程序的需求，分析庫中應該提供的函數，然后形成新的鏈接腳本，最終重新編譯鏈接庫文件源代碼，將所有沒有調用到的庫函數從庫中刪除。當然目前有很多成品的替代庫，如uclbic等可以直接為我們使用。

3）文件系統的裁剪

目前Linux在嵌入式設備上有很多成型的文件系統，比如JFFS2，tmpfs等，對于通用Linux的Ext2，Ext3等文件系統一般也可以使用在嵌入式設備上。JFFS2系統在文件系統接近滿的時候速度變慢。Linux采用VFS（虛擬文件系統），這樣可以支持多個不同的文件系統，VFS是一組標準抽象的文件操作構成，可以使用系統調用的形式加載。因此，可以對VFS的數據結構和系統調用兩個方面進行簡化，比如可以對struct super_lock ，inode進行簡化，使得VFS更加簡單。當然，busybox提供了一個很好的工具集，為文件系統的裁剪提供了簡單的方式。

3 Linux文件系統裁剪的優化

在文件系統的格式的各個要素中，主要關心的參數是：磁盤塊的大小，塊的分片，索引節點的個數和保留空間大小。磁盤塊無論過大或者過小都不好，過小，一個文件將占用過多塊，讀取時間變長，過大，空間利用率降低。具體的應用不同，磁盤塊的大小選擇不同，有時候1k的大小其值恰好，有時，4k的大小利用率更高。而索引節點的個數和磁盤塊的大小又密切相關的，磁盤塊過多，將導致索引項目占空間增加。

另外，也可以對文件系統進行不完全解壓來實現系統性能的折中。

Linux廣泛采用Ext2作為它的文件系統，但是針對嵌入式的設備需要進行一些改造，數據塊的預分配機制能有效的減少文件擴展所造成的文件系統碎片，并且提高分配效率。在存儲資源足夠的情況下，可以采用預先分配的機制。對于PDA這類設備，取消預分配的機制可能會提高系統性能，降低文件操作時間。

■

由此圖可以看出，有預先分配和取消預先分配時間上差別不大，但是從空間角度來看，取消預先分配卻節省了很多的空間。

B+樹是一種平衡多路查找樹，能夠很好的應用到文件系統中，在B+樹中，每一個非終端結點的結構中I節點號，即關鍵字用來進行查詢。首先從根節點出發，根據根節點指針找到其所指的節點，然后根據此節點的關鍵字判斷是否與指定值相等，依次遞推。利用B+樹改造文件系統的索引方法，根據B+樹的特點，可以從最小關鍵字順序查找，也可以從根節點隨機查找。

4 總結

Linux的裁剪是一個理論和實踐并重的課題，在理論上，建立一個通用的裁剪模型，多目標的裁剪研究。在實踐上，Linux在嵌入式設備上的開發和應用前景廣闊。本文給出了Linux裁剪的一般方法和文件系統裁剪的研究，今后還要對Linux嵌入式緩沖機制等進行深入的研究。

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