[Linux] 起動時間をできるだけ短縮してみる

ノートパソコンでもなくただのデスクトップなので起動時間が長いのもしょうがないかなーとか思っていたのですがやっぱり起動時間が長いとモチベーションが下がるのでちょうどArch LinuxからCachyOSに移行したのを機にいろいろ変えてみました

環境

• マザボ：MPG-Z590-GAMING-FORCE
• CPU：i5 11世代
• RAM：46GiB _(49199524)
• OS：CachyOS

デバイス名	マウントポイント	詳細
/dev/sda1	/boot	/dev/sdaはSSD
/dev/sda2	/
/dev/sdb2	/run/media/hayattgd/HDD	Windowsのときから使ってるデータ
/dev/sdc2	/run/media/hayattgd/Arch	前のArch Linuxが入ってる場所
/dev/sdc3	/home	前のLinuxの/homeと同じパーティション

前提知識

• カーネル - ソフトウェア(initも含む)とハードウェアの中間にあるもの
• init - systemdなど、システム起動で呼び出されるプロセスやその仕組みのこと

目標

• ログイン画面にできるだけ早く到達する
• ssh, libvirtなど起動に関係ないものは起動時に使えなくても構わない（起動直後には使わないため）
• ただ、sshなどを使いたいときには使えるようにする

本題

まずはとりあえずChatGPTに聞いてみました

1. SSDにOSをいれる
2. 軽いLinux ディストリビューションを選ぶ
3. systemd-analyzeで起動時間のボトルネックを調べる
4. 不要なサービスを止める
5. initをsystemd以外に変える (今更面倒くさいので却下)

ということを言われたのでその通りにしていきます

SSDにOSを移す

これは難しいというか時間がかかっただけでした。
USBからGpartedを起動して、コピーしたり移動したりいろいろ...
もともとSSDにはWindowsが入っていたので外部のストレージに移しておきました。
一応前使ってたArch Linuxでも~/.configなどの設定が変わらずに使えるように/homeはHDDのパーティションをマウントしました。
/や/bootはすべてSSDにパーティションを置いて早く起動できるようにしました。

軽いLinux ディストロ

これはぶっちゃけインストール後に色々変えればどうとでもなる話ですが

• CachyOS（カーネルがカスタマイズされてる）
• Void（systemdの代わりにrunit）
• Alpine Linux（systemdの代わりにopenrc）
• Artix Linux（いろいろなinitから選べる）

などはインストール時にすでに最適化されています。

systemd-analyzeで起動時間を調べる

$ systemd-analyze
Startup finished in 17.469s (firmware) + 6.790s (loader) + 11.084s (kernel) + 7.852s (userspace) = 43.196s 
graphical.target reached after 4.802s in userspace.

$ systemd-analyze critical-chain
graphical.target @4.802s
└─multi-user.target @4.802s
  └─libvirtd.service @4.722s +79ms
    └─network.target @4.719s
      └─NetworkManager.service @4.535s +184ms
        └─basic.target @4.532s
          └─dbus-broker.service @4.499s +31ms
            └─dbus.socket @4.490s
              └─sysinit.target @4.484s
                └─systemd-update-utmp.service @4.453s +31ms
                  └─systemd-tmpfiles-setup.service @4.364s +87ms
                    └─local-fs.target @4.359s
                      └─run-media-hayattgd-HDD.mount @1.538s +2.821s
                        └─dev-sdb2.device @955ms

ファームウェア17秒 + ローダー7秒 + カーネル11秒 + systemd8秒 = 約43秒で起動していて、/dev/sdb2のマウントに3秒ほど時間をかけていることがわかります。
SSDでもないただのHDDでNTFSをマウントしようとしているのでそりゃ時間かかるよなぁ...

userspace

userspaceはsystemdなどのinitのところで、ログイン画面までの時間です。

ディスクにアクセスされたときだけマウントする

ついでに前のArch Linuxが入っている/dev/sdc2も一緒に必要なとき(アクセスされたとき)だけマウントするようにします。

/etc/fstab

...
# /dev/sdc2
UUID=..   /run/media/hayattgd/Arch    ext4    noauto,x-systemd.automount,x-systemd.idle-timeout=600 ..

# /dev/sdb2 LABEL=HDD
UUID=..   /run/media/hayattgd/HDD    ntfs    noauto,x-systemd.automount,x-systemd.idle-timeout=600 ..
...

• noauto : 自動的にマウントしない
• x-systemd.automount : アクセスされたときにマウントする
• x-systemd.idle-timeout : どのくらいアクセスされなかったらアンマウントするか秒数指定

これで再起動してみたんですが...なんか勝手に/dev/sdb2がマウントされちゃう現象が発生
=> 起動するサービスの中に/dev/sdb2が必要なサービスがあった(libvirtdで/dev/sdb2のディスクを指定していた)のが原因

なので無効化しておきます。

$ sudo systemctl disable libvirtd

サービスの遅延起動

このままだと目標からそれてしまう(libvirtdが簡単に使えない)ので、ログイン画面が出る前に行われる処理(default.target)より後に起動させます。(ついでにNetworkManagerも遅延起動)

/usr/local/bin/start-delayed-services.sh

#!/bin/bash
systemctl start libvirtd.service
systemctl start NetworkManager.service

/etc/systemd/system/start-delayed-services.service

[Unit]
Description=Start delayed services to speed up boot

[Service]
Type=oneshot
ExecStart=/usr/local/bin/start-delayed-services.sh

/etc/systemd/system/start-delayed-services.timer

[Unit]
Description=Actual timer file for delayed services

[Timer]
OnBootSec=30s
AccuracySec=1s

[Install]
WantedBy=timers.target

これで約３秒ほど起動時間が縮まりました！ちょうど/dev/sdb2のマウントにかかった時間と同じくらいです。

kernel

kernelはinitが呼び出されるまでの時間です。
ここが10秒くらいだったので、CachyOS Kernel Managerというものを使って自分のCPU向けに最適化してコンパイルしました。コンパイルの時間はだいぶ長かったですが約６秒ほど起動時間が縮まりました！

loader

loaderはGRUBやsystemd-boot、rEFIndなどでlinuxが呼び出されるまでの時間です。
いままではGRUBを使っていたのですが、systemd-bootの方が早いということだったので変えてみました。

$ sudo bootctl install

それでもともと約５秒だったものが３秒ほどになって、２秒縮まりました！
しかしsystemd-bootだと背景がなくなって黒い背景に白い文字という起動時間に全振りしたようなものなのでそこは要検討ですね...

firmware

firmwareはマザーボードがいろいろ起動処理をするのにかかる時間です。
ここは20秒とか結構大きい数値を叩き出してるのでどうにかしたいと思ったのですがやれることは少ないようです...
一応やったこととしては、

• マザーボードのBIOSにMSI Fast Bootという設定があったので有効化
• 使わないものをBIOSから無効化

結果

前：17.469s (firmware) + 6.790s (loader) + 11.084s (kernel) + 7.852s (userspace) = 43.196s
今：21.716s (firmware) + 2.774s (loader) + 3.958s (kernel) + 1.857s (userspace) = 30.306s

謎にfirmwareは増えていますがこれは結構起動するたびに変わるので、firmwareを除外して
6.790s (loader) + 11.084s (kernel) + 7.852s (userspace) = 25.726s
2.774s (loader) + 3.958s (kernel) + 1.857s (userspace) = 8.689s
25.726 - 8.689 = 17.037

つまり...

• 約17秒短縮できた
• 合計起動時間：約28.689秒になった

まとめ

1. 起動に関係するものはSSDに移す
2. systemd-analyzeで遅い原因を調べる
3. 起動に関係ないデータのマウントはアクセス時だけにする
4. ネットワークマネージャなどのサービスを遅延起動にする
5. カーネルを自分のCPU向けに最適化する
6. systemd-bootなどの軽いブートローダーを使う
7. BIOSにFast Bootなどの項目があれば有効化する

もう前の環境には戻れませんね