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内核的“瘦身”艺术：从臃肿BSP到精悍映像的雕刻之路

news 2025/11/4 14:17:07

在嵌入式Linux的领域里，我们常常从芯片厂商或方案商那里拿到一份BSP（板级支持包）。它能让系统跑起来，但往往“臃肿不堪”。一个通用的内核映像，动不动就几十MB大小，对于Flash只有128MB甚至64MB的消费电子产品来说，简直是资源浪费的“重罪”。

这种臃肿不仅仅是占用存储空间那么简单。

一个“肥胖”的内核，意味着更长的解压时间、更高的内存占用（包括代码段和数据段），以及启动时执行冗长初始化调用序列所带来的时间损耗。在某些对启动时间有严苛要求的产品上——比如智能家居设备或工业控制器——这种臃肿是完全不可接受的。

今天，我们就来深入探讨内核“雕刻”的艺术。我们将拿起手术刀（menuconfig），深入内核的配置文件，将那些无用的“脂肪”——多余的驱动、调试代码、文件系统和网络协议——一层层剥离。

这不仅仅是一份配置清单，更是一套完整的方法论。

准备工作：搭建你的“手术台”和“测量仪”

在动刀之前，我们必须建立一个可重复、可测量的环境。没有准确的测量，优化就无从谈起。

建立基线环境

你需要一个能100%复现的编译环境。这通常意味着固定的交叉编译工具链和目标板架构。

# 示例：为ARM 32位架构编译
export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-

第一步是获取一个“能跑”的配置。这通常来自BSP提供商或通用的defconfig。

# 使用供应商提供的默认配置
make vendor_board_defconfig

现在编译它，并记录下尺寸。

make -j8 zImage modules

编译完成后，我们关注两个关键文件：

arch/arm/boot/zImage：这是压缩后的内核映像，是你最终要烧录到Flash的文件。
vmlinux：这是未压缩的、包含所有符号的ELF文件，是我们分析尺寸的“金矿”。

关键测量工具：size命令

不要只看zImage的大小——压缩算法（如Gzip vs XZ）会扭曲你的认知。你必须看vmlinux，它反映了内核真正的代码量。

$ size vmlinuxtext    data     bss     dec     hex filename
20971520 4194304 2097152 27262976 1a00000 vmlinux

text：代码段，这是我们裁剪的主要目标。
data：已初始化的数据段。
bss：未初始化的数据段。

把这个text段的大小（这里是20MB）记录下来，这就是我们的“基准体重”。

更精细的分析工具

我们怎么知道具体是哪些函数占用了空间？

nm（GNU Binutils的一部分）是个好帮手：

# 按尺寸倒序列出vmlinux中的所有符号（函数和数据）
$ nm -S --size-sort vmlinux | tail -n 20

这能告诉你最大的“罪魁祸首”是哪些函数。你常会在这里看到庞大的驱动probe函数，或者复杂的协议栈实现。

更现代的工具是bloaty（来自Google），它能提供更精美的报告，显示空间被哪些编译单元或符号占用：

$ bloaty vmlinux -d symbols | head -n 20

迭代优化循环

现在，我们的工作流程很清晰了：

运行make menuconfig（或nconfig、xconfig等）。
只改动一小撮相关的配置。
保存配置。
运行make -j8 zImage（不需要每次都编译模块，除非改了模块相关配置）。
测量size vmlinux，看看text段减少了多少。
至关重要的一步：把新内核烧录到板子上，确保它还能正常启动！

你永远不知道关掉的某个看似无用的CONFIG_选项，是不是被某个关键驱动隐性依赖。不要一次修改上百个配置，那等于自找麻烦。建议一次改一个“功能大类”（比如关闭所有NFS相关选项），然后立即测试。

menuconfig的“屠宰场”：通用设置与调试选项

打开make menuconfig，我们迎来了第一个战场。大部分“立竿见影”的优化成果都在这里。

General setup（通用设置）

这是个“杂物间”，藏着很多历史遗留和通用功能。

CONFIG_IKCONFIG和CONFIG_IKCONFIG_PROC：
- 这是什么？它把完整的内核配置文件编译进内核映像，然后可以通过/proc/config.gz读取。
- 为什么要关闭？它本身可能就占掉几十到上百KB的data段空间。对于发布产品，这是纯粹的浪费。
- 动作：果断关闭（设为N）。
CONFIG_NAMESPACES（命名空间）：
- 这是什么？PID、Network、Mount等命名空间，是Docker和容器化的基石。
- 为什么要关闭？你的嵌入式设备跑Docker吗？99%的情况是不需要的。这是一个极其庞大和复杂的子系统，引入的开销遍布内核各个角落。
- 动作：关闭（N）。User、PID、UTS等相关子选项会全部消失。
CONFIG_EMBEDDED（嵌入式系统）：
- 这是什么？这是一个“元选项”，选中它会触发其他配置的默认值向“更小”倾斜。
- 动作：选中（Y）。这像是一个“一键瘦身”的起点。
CONFIG_KPROBES、CONFIG_FTRACE、CONFIG_PROFILING：
- 这是什么？内核的动态探测、函数追踪、性能分析框架。
- 为什么要关闭？这些是给内核开发者调试性能问题用的，会往text段注入大量的“桩”和追踪代码。
- 动作：全部关闭（N）。

Kernel hacking（内核调试）——脂肪的重灾区

欢迎来到“脂肪中心”。这里的几乎所有选项，在生产环境中都应该被无情地关闭。

CONFIG_DEBUG_KERNEL：
- 这是什么？内核调试功能的总开关。
- 动作：关闭（N）。
CONFIG_DEBUG_INFO（调试信息）：
- 这是什么？它告诉GCC把DWARF调试信息编译到vmlinux里。
- 为什么要关闭？关掉它，你的vmlinux体积可能会瞬间减小70%-90%。虽然不影响压缩后的zImage大小，但会极大拖慢编译和链接速度。
- 动作：坚决关闭（N）。
CONFIG_PRINTK（内核打印）：
- 这是什么？printk()函数的支持。
- 为什么要调整？彻底关闭它，内核启动时将一片寂静，一旦失败你将一无所知。
- 妥协方案：保留CONFIG_PRINTK=y，但减小日志缓冲区CONFIG_LOG_BUF_SHIFT。默认可能是17（131072字节），对于嵌入式系统，14（16384字节）甚至12（4096字节）足矣。这能省下上百KB的data/bss段内存。
CONFIG_DEBUG_FS（调试文件系统）：
- 这是什么？挂载在/sys/kernel/debug的调试文件系统。
- 为什么要关闭？它本身的代码，以及所有驱动注册到debugfs的代码和字符串，都是纯粹的开销。
- 动作：关闭（N）。
CONFIG_SLUB_DEBUG、CONFIG_DEBUG_VM、CONFIG_DEBUG_MUTEXES、CONFIG_LOCKDEP：
- 这是什么？内存分配器调试、虚拟机调试、锁调试等。
- 动作：全部，一个不留，统统关闭（N）。这些是为内核开发者准备的盛宴，不是给你的产品准备的。
CONFIG_MAGIC_SYSRQ（魔术键）：
- 这是什么？Alt-SysRq-B重启等功能。
- 动作：关闭（N）。

仅仅是清理Kernel hacking这一部分，你的vmlinux的text段应该就有了10%-20%的缩减。

处理器与架构：打好“地基”

这部分的配置如果出错，内核可能根本无法启动。但配置对了，也能省下不少空间。

Processor type and features（处理器类型与特性）

CONFIG_SMP（对称多处理）：
- 这是什么？多核支持。
- 抉择：你的CPU是单核（如Cortex-A7单核）还是多核？如果是单核，请务必关闭它（N）。SMP会引入庞大的锁开销和核间同步代码，关掉它text段会有显著下降。
CONFIG_HIGHMEM / CONFIG_NOHIGHMEM（高内存支持）：
- 这是什么？只在32位架构上出现。如果物理内存大于约896MB，就需要HIGHMEM。
- 抉择：如果你的产品只有256MB或512MB内存，请关闭CONFIG_HIGHMEM（N）。这能简化内存管理子系统的代码，减小text段。
CONFIG_CPU_FREQ（CPU频率调整）：
- 这是什么？cpufreq子系统，允许CPU在performance、ondemand等策略间切换。
- 抉择：你的产品需要动态调频吗？如果它是插电全速运行的设备，或者功耗敏感永远低速运行的设备，可能不需要动态调频。关闭CONFIG_CPU_FREQ=n，并移除所有cpufreq驱动，能省下不少空间。
CONFIG_CMA（连续内存分配器）：
- 这是什么？为多媒体或GPU预留大块物理连续内存。
- 抉择：如果你的设备没有摄像头、不播视频，很可能不需要CMA。关闭它（N）。
CONFIG_VFP（向量浮点支持）：
- 这是什么？ARM的浮点运算单元支持。
- 抉择：这个必须开启（Y）。如果关闭，用户空间的浮点运算会引发内核异常，然后用软件模拟浮点，那将是性能灾难。不要动它。

文件系统“大扫除”：只留你用的那一个

文件系统是内核text段的另一个“大户”。开发者图省事，往往把ext4、vfat、nfs、cifs等全选上。

File systems（文件系统）

基本原则：只保留你的根文件系统所用的那一个。

如果你的rootfs是ext4（对应CONFIG_EXT4_FS=y），那么CONFIG_BTRFS_FS=n、CONFIG_XFS_FS=n、CONFIG_JFS_FS=n、CONFIG_F2FS_FS=n等全部关闭（N）。
CONFIG_NETWORK_FILESYSTEMS（网络文件系统）：
- 这是什么？NFS、CIFS等。
- 抉择：你的设备需要在启动时挂载NFS根目录吗？这是开发时用的，发布产品100%不需要。CONFIG_NFS_FS=n、CONFIG_CIFS_FS=n，这将省下巨量的代码。
CONFIG_AUTOFS_FS（自动挂载）：
- 这是什么？自动挂载U盘、光盘的autofs。
- 抉择：嵌入式系统通常使用mdev或udev处理热插拔，autofs几乎不用。关闭（N）。
CONFIG_DNOTIFY：
- 这是什么？一个古老的文件变更通知机制。
- 抉择：现代系统都用CONFIG_INOTIFY_USER。关闭（N）。
CONFIG_MISC_FILESYSTEMS（杂项文件系统）：
- CONFIG_SQUASHFS：这个很有用。如果你的rootfs是只读的，SquashFS（压缩的只读文件系统）是最好的选择，能极大压缩rootfs体积。
- CONFIG_CRAMFS：古老的压缩文件系统，不如SquashFS。关闭（N）。
DOS/FAT/NT Filesystems：
- 抉择：你的设备需要支持U盘（通常是FAT32）吗？如果需要，保留CONFIG_VFAT_FS=y（它依赖CONFIG_FAT_FS）。如果设备是个“黑盒”，完全没有USB口，大胆关闭它们（N）。

清理完文件系统，你的text段应该又会迎来一次“跳水”。

网络栈的“净化”：你的设备真的需要IPv6吗？

网络协议栈是vmlinux里最庞大、最复杂的组件之一。

Networking support -> Networking options

CONFIG_INET：这是IPv4的总开关。关了它，设备就断网了，所以必须保留（Y）。
CONFIG_IPV6（IPv6支持）：
- 这是什么？IPv6协议栈。
- 抉择：这是一个巨大的优化点。你的嵌入式设备（如智能插座、温控器）跑在纯IPv4局域网里吗？很可能不需要IPv6。
- 动作：关闭（N）。这会一次性干掉IPv6、NDISC、ADDRCONF以及所有IPv6相关的netfilter模块，收益巨大。
CONFIG_NETFILTER（防火墙）：
- 这是什么？iptables/nftables的内核支持。
- 抉择：你的设备是“路由器”吗？需要做NAT转发、包过滤吗？如果只是终端设备，很可能不需要复杂防火墙。
- 动作：关闭（N）。CONFIG_NETFILTER会引入大量hook到网络包处理路径中，即使没有规则，这些hook也存在。关掉它能减小text段，甚至提升网络性能。

注意：CONFIG_NF_CONNTRACK（连接跟踪）常被某些驱动依赖。如果关不掉NETFILTER，至少试着关掉CONNTRACK。

CONFIG_WIRELESS（无线支持）：
- 这是什么？Wi-Fi和cfg80211框架。
- 抉择：你的设备用Wi-Fi吗？如果只用有线以太网，关闭（N）。cfg80211和mac80211是两个极其庞大的子系统。
CONFIG_UNIX（Unix域套接字）：
- 这是什么？本地进程间通信的socket。
- 抉择：这个几乎必须保留（Y）。太多用户空间程序（如syslog、dbus）依赖它。
CONFIG_INET_DIAG、CONFIG_UNIX_DIAG：
- 这是什么？ss命令所需的支持。
- 抉择：调试时有用，发布产品不需要。关闭（N）。

驱动程序：精兵简政的艺术

这是最耗时、最繁琐，但也最能体现“定制”价值的地方。原则是：了解你的硬件原理图。

Device Drivers

Generic Driver Options：
- CONFIG_UEVENT_HELPER_PATH：古老的机制，内核会fork/exec用户空间程序处理热插拔。
- 抉择：现代系统用netlink和udev/mdev。关闭（N），并清空路径字符串。
Block devices（块设备）：
- CONFIG_BLK_DEV_LOOP：Loopback设备，允许把文件挂载成块设备。
- 抉择：开发时有用，产品不需要。关闭（N）。
- CONFIG_BLK_DEV_RAM：RAM disk。
- 抉择：古老的initrd才用它，现在都用initramfs。关闭（N）。
SCSI device support（SCSI设备）：
- 抉择：你的设备用SATA硬盘吗？如果用的是eMMC/SD卡（属于MMC/SD/SDIO驱动）或SPI-NAND（MTD驱动），整个SCSI子系统都可以关闭（N）。这又是一个巨大的胜利。
Network device support：
- 抉择：只保留你的设备真正拥有的网卡驱动。
- 比如，你用DM9000（CONFIG_DM9000=y），那么所有Realtek、Intel、Marvell等驱动全部关闭（N）。
- CONFIG_PPP、CONFIG_SLIP：拨号上网，关闭（N）。
Input device support：
- 抉择：只保留你有的输入设备。
- CONFIG_KEYBOARD_...：你的设备有PS/2或AT键盘吗？没有就关闭（N）。
- CONFIG_MOUSE_...：有PS/2鼠标吗？没有就关闭（N）。
- CONFIG_INPUT_TOUCHSCREEN_...：如果有触摸屏，只保留你那个型号的驱动。
- CONFIG_INPUT_EVDEV：这个要保留（Y）。用户空间的libinput或tslib依赖它读取输入事件。
Graphics support（图形支持）：
- CONFIG_DRM / CONFIG_FBDEV：DRM是现代图形框架，FBDEV是古老的。
- 抉择：尽量只用一个。
- CONFIG_VGA_CONSOLE：关闭（N），这是x86的遗产。
- CONFIG_BOOT_LOGO：内核启动时的小企鹅logo。
- 抉择：它会把logo图片编译进内核的data段。关闭（N），能省下几十KB。
Sound card support：
- 抉择：没声卡？CONFIG_SOUND=n，这将干掉ALSA或OSS整个子系统。
USB support：
- 抉择：没USB口？CONFIG_USB_SUPPORT=n。
- 有USB口，但只作为Host（插U盘）？关闭CONFIG_USB_GADGET（N）。Gadget是作为Device的框架，非常庞大。
- 只作为Device？关闭CONFIG_USB_HOST_...（N）。
- 在Host模式下，只保留你支持的USB类驱动。需要支持USB打印机吗？需要USB转串口吗？按需索取。