Android Native Runtime成長計畫

Kito Cheng ( 程皇嘉 ) <kito@0xlab.org>

Developer, 0xlabApril 14, 2012 / OSDC.tw

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Latest update: Apr 17, 2012

Android Native Runtime 成長計畫：探討 0xlab 若干低階 Android 優化的開源項目

(4) 具備 S/L 大法的時間魔法陣

(1) 可解讀 GNU-stylehash 的帥氣墨鏡

(3) 針對 JNI 量測效能的機械錶 (2) 強化版 8-bit

prelink map

Android Native Runetime 成長計畫

可解讀 GNU-stylehash 的帥氣墨鏡

GNU-style Hash

• 在 ELF 程式載入時期，加速 ELF 符號查詢的機制

載入相關動態函式庫

執行檔讀入記憶體

更新符號位址(Relocation)

開始執行 !

在更新符號時，需要大量的符號查詢操作

printf, sin, cos, ...

libc / libm / libdvm...

ELF 程式載入範例

prog

libc libfoo

prog參照到 libc 與 libfoo的符號

ELF 程式載入範例

prog

libc libfoo

strtoumaxstatfswcsncmpdlmalloptprintf...strtoulgetutent

foobar...ox1ab

libc 及 libfoo 各自提供這些符號 (函數 /變數 )

prog參照到 libc 與 libfoo的符號

ELF 程式載入範例

prog

libc libfoo

strtoumaxstatfswcsncmpdlmalloptprintf...strtoulgetutent

foobar...ox1ab

libc 及 libfoo 各自提供這些符號 (函數 /變數 )

prog參照到 libc 與 libfoo的符號

假設 prog 只使用到 printf, foo, bar 等 3 個函數

ELF 程式載入範例

prog

libc libfoo

strtoumaxstatfswcsncmpdlmalloptprintf...strtoulgetutent

foobar...ox1ab

假設 prog 只使用到 printf, foo, bar 等 3 個函數

雖只用到 3 個符號 ,但在這個例子需要查詢

5 次符號

查詢符號次數複雜度 : O(n*m)n : 相依的函數庫數目m : 符號數

GNU-style Hash

• 原本 ELF已採用 hash 來加速查詢，但不盡理想

name 2sym collision # 3sym collision # 3+sym collision #sysv 1749 5libiberty 42dcache 37djb2 29sdbm 39djb3 31rot 337 39 61sax 34fnv 40oat 30

ELF 預設的 hash 方法

GNU-style hash 的方法

Experiment by Jakub Jelinek http://cygwin.com/ml/libc-alpha/2006-06/msg00098.html

GNU-style Hash

• 並使用 bloom filter 進一步加速整體查詢

Bit array

H = {x, y, z} = hash functions

v

號稱 (Jakub Jelinek ) 可加速 50% 的載入時間

GNU-style Hash 在 Android 的相容問題

• 某些 Android 程式自帶(修改自原本 bionic linker的) dynamic linker ，所以不支援– 如： Unity 3D, Mozilla/Android (B2G)

• 因此要採用向後相容方案, 新舊的 hash table 都要在 linker 指定 ,-Wl,--hash-style=both– 但 gold linker 有 bug, 所以最好用 bfd 的 linkerhttp://sourceware.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=13597

強化版 8-bitprelink map

Android太貪吃，所以 prelink map拿掉了

No prelink in Android 4.0

• The speedup that it afforded in the early days of Android is now nullified by the speed of hardware, as well as by the presence of Zygote

• The space savings that come with prelinking are no longer important either.

• Prelinking reduces the effectiveness of Address-Space-Layout Randomization.

• Since it is not part of the gcc suite, the prelinker needs to be maintained separately.

No prelink in Android 4.0 ：官方說法

Android Git loghttps://github.com/android/platform_build/commit/b375e71d306f2fd356b9b356b636e568c4581fa1

• 硬體進步跟 Zygote 機制的導入， prelink 加速效果不顯著

• 只省一丁點空間, 現在記憶體大又便宜• prelink 之後， Address-Space-Layout

Randomization 效果會變弱

• 並非 GNU toolchain 相關專案， Android 要維護很麻煩

No prelink in Android 4.0 ：官方說法

白話版本

Prelink in Android 4.0

• 在較低等級的硬體環境中， prelink 對開機時間仍有影響

• 事實上，在 Android 4.0 已移除的 prelink 機制可撿回來用

程式啟動流程與 prelink

載入相關動態函式庫

執行檔讀入記憶體

更新符號位址(Relocation)

開始執行 !

在更新符號時，需要大量的符號查詢操作

printf, sin, cos, ...

libc / libm / libdvm...

prelink就是將此階段要查詢解析的符號，預先處理過

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

假設已存有一個建好的且經 prelink處理過後的 libc.so

prelink 實驗(Relocation)

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# arm-eabi-objdump libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDSOFFSET TYPE VALUE 000010e8 R_ARM_JUMP_SLOT printf000010ec R_ARM_JUMP_SLOT __cxa_finalize00000424 R_ARM_RELATIVE *ABS*0000100c R_ARM_RELATIVE *ABS*

objdump -R可檢視 Relocation Recordlibfoo.so 共有四個 Relocation 要做

prelink 實驗(Relocation)

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# arm-eabi-objdump libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDSOFFSET TYPE VALUE 000010e8 R_ARM_JUMP_SLOT printf000010ec R_ARM_JUMP_SLOT __cxa_finalize00000424 R_ARM_RELATIVE *ABS*0000100c R_ARM_RELATIVE *ABS*

一個 *ABS* 是 bar 的位址，另一個是系統用的

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --locals-only \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

接著對 libfoo.so 進行 prelink

apriori 位於 out/host/linux-x86/bin/prelink map 位於 build/core--locals-only(-l) 指定進行 local prelink

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --locals-only \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

build/tools/apriori/prelinkmap.c(183): library 'libfoo.so' not in prelink map

出現錯誤 ,抱怨在 prelink map 找不到 libfoo

Prelink Map

# core system librarieslibdl.so 0xAFF00000 # [<64K]libc.so 0xAFD00000 # [~2M]libstdc++.so 0xAFC00000 # [<64K]libm.so 0xAFB00000 # [~1M]liblog.so 0xAFA00000 # [<64K]libcutils.so 0xAF900000 # [~1M]libthread_db.so 0xAF800000 # [<64K]libz.so 0xAF700000 # [~1M]libevent.so 0xAF600000 # [???]libssl.so 0xAF400000 # [~2M]libcrypto.so 0xAF000000 # [~4M]libsysutils.so 0xAEF00000 # [~1M]

# bluetoothliba2dp.so 0xAEE00000 # [~1M]audio.so 0xAED00000 # [~1M]input.so 0xAEC00000 # [~1M]…liblept.so 0x9CA00000 # [~5M]

預先分配每個動態函式庫的基底位址 (Base Address)

要 prelink 的函式庫都要加入

Prelink Map

# core system librarieslibdl.so 0xAFF00000 # [<64K]libc.so 0xAFD00000 # [~2M]libstdc++.so 0xAFC00000 # [<64K]libm.so 0xAFB00000 # [~1M]liblog.so 0xAFA00000 # [<64K]libcutils.so 0xAF900000 # [~1M]libthread_db.so 0xAF800000 # [<64K]libz.so 0xAF700000 # [~1M]libevent.so 0xAF600000 # [???]libssl.so 0xAF400000 # [~2M]libcrypto.so 0xAF000000 # [~4M]libsysutils.so 0xAEF00000 # [~1M]

# bluetoothliba2dp.so 0xAEE00000 # [~1M]audio.so 0xAED00000 # [~1M]input.so 0xAEC00000 # [~1M]…liblept.so 0x9CA00000 # [~5M]libfoo 0x9C900000

預先分配每個動態函式庫的基底位址 (Base Address)

要 prelink 的函式庫都要加入

把 libfoo 加進來

prelink 實驗(Relocation)

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --locals-only \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

加入 prelink map 後，就可順利進行 prelink

# arm-eabi-objdump prelinked/libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDSOFFSET TYPE VALUE 000010e8 R_ARM_JUMP_SLOT printf000010ec R_ARM_JUMP_SLOT __cxa_finalize

發現只剩兩個 Relocation!

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# arm-eabi-objdump prelinked/libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDSOFFSET TYPE VALUE 000010e8 R_ARM_JUMP_SLOT printf000010ec R_ARM_JUMP_SLOT __cxa_finalize

發現只剩兩個 Relocation!

其中的祕密在於， libfoo.so 的 base address 在prelink map 中固定 , 而事實上處理 Relocation 僅需base address 加上 Offset即可

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --locals-only \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

回顧剛才的參數有個 --locals-only,通常有local ，就有相對的 global

# apriori \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

但直接移除該參數時， apriori 會抱怨參數錯誤

build/tools/apriori/main.c(195): There are command-line-option errors.

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

build/tools/apriori/main.c(195): There are command-line-option errors.

* 不明原因 *在 apriori的 global prelink的部份程式未完成，但有雛型

進行接下來的實驗前，得先從 0xdroid取用 0xlab的功能增補系列 patch，散落於以下三處：build/external/elfutils/external/elfcopy/

0xdroid git repository:http://gitorious.org/0xdroid

prelink 實驗(incremental global prelink)

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --inc-global-prelink \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ -L /system/lib \ libfoo.so \ –output prelinked/libfoo.so

參數加上 --inc-global-prelink-L <其他函數庫的路徑 >就會開始進行 Incremental Global Prelink

prelink 實驗(incremental global prelink)

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --inc-global-prelink \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ -L /system/lib \ libfoo.so –output prelinked/libfoo.so

# arm-eabi-objdump prelinked/libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDS (none)

Incremental Global Prelink 處理後，就沒有任何Relocation 需要處理了 !

名字有 incremental 的原因是，該實作事實上會先進行 local prelink再去處理 global prelink 的漸進方式，故命名之，而輸入的函式庫也可為經 local prelink 處理過者

prelink 實驗(incremental global prelink)

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --inc-global-prelink \ --prelinkmap prelink-linux-arm.map \ -L /system/lib \ libfoo.so –output prelinked/libfoo.so

# arm-eabi-objdump prelinked/libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDS (none)

在 global prelink 的過程中，會試著搜索外部的符號 , 若找得到且該函式庫也經 prelink 過，則其符號的位址也是已知 , 因此可以 prelink

透過一些觀察可發現，不在 prelink map 的函式庫，其實也可處理掉部份的 Relocation

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

(1)為了實驗目的，將 libfoo從 prelink map 中移除並加上 LOCAL_PRELINK_MODULE := false

# apriori --partial-global-prelink \ -L /system/lib \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

(2) 接著加上新的參數--partial-global-prelink來進行 partial global prelink

prelink 實驗

libfoo

libc

int bar() { return 100;}

int foo () { printf(“foo”); return bar();}

# apriori --partial-global-prelink \ -L /system/lib \ libfoo.so --output prelinked/libfoo.so

# arm-eabi-objdump prelinked/libfoo.so -R

libfoo.so: file format elf32-littlearm

DYNAMIC RELOCATION RECORDS00000424 R_ARM_RELATIVE *ABS*0000100c R_ARM_RELATIVE *ABS*

來自 libc 符號的 Relocation 都被 prelink 處理掉

原因是 libc 進行 prelink 後，符號的位址都已固定且已知，因此即使 libfoo沒有分配 base address ，也可處理掉部份的 prelink

此機制命名為 partial global prelink

prelink家族效能評比

針對 JNI 量測效能的機械錶

Aprof : Android Profiler

• 針對 JNI部份客製化

• 類似常見的 gprof工具– Sample based– Instrumentation based

Aprof : Android Profiler

Aprof : Android Profiler

• Sample based– 定期查看程式跑到哪

• Instrumentation based– 每次函數被呼叫時會紀錄

Aprof : Android Profiler % cumulative self self total time time time calls ms/call ms/call name 99.52 2170 2140 2178309 0 0 fib 0.00 2170 0 1 0 217 main 0.32 0 20 0 0 0 write 0.16 0 10 0 0 0 memcpy

Call graph (explanation follows)

-------------------------------------------------------------Image : fooCumulative time : 2170 msSelf time : 2140 ms Function % time cumulative self Count Call by fib 2170 2140 100.00 2170 0 1 main 100.00 2170 2140 2178308 fib main 2170 0 100.00 2170 0 1 __libc_init-------------------------------------------------------------Image : fooCumulative time : 2170 msSelf time : 30 ms write 0 20 memcpy 0 10

Aprof

具備 S/L 大法的時間魔法陣

Checkpoint

Checkpoint

保存使用狀態 !

Checkpoint

之後直接從上次保存的狀態回覆

現有 Checkpoint 機制

• CryoPID– http://cryopid.berlios.de/

• BLCR– https://ftg.lbl.gov/projects/CheckpointRestart/

• DMTCP– http://dmtcp.sourceforge.net/

DMTCP

• 支援大部分 OS功能– 檔案、網路、 shared memory, SysV IPC...

• 純 user-space checkpoint 實作

• 架構良好易於擴充且開發活耀 !– based on C++

DMTCP for Android

• 預計可有效減少開機時間• 但 Android 上有許多特殊的機制

– Logger, binder, ashmem, wakelock...

• 目前尚在進行中

(4) checkpoint

(1) GNU-stylehash in linker

(3) Aprof(2) partial global prelink

Android Native Runetime 成長計畫

http://0xlab.org