Windows开机过程和测试方法探索

用户会经常抱怨自从安装自己的应用后，电脑开机变慢，到底是系统的原因还是应用的原因，为了了解这里的问题，探秘了下windows的开机过程和测试方法。

一、开机过程是怎样的

查看MSDN，微软将开机过程分为四个阶段：

1BIOS初始化阶段

按上电源后，BIOS先进行硬件自检（POST），当检测到合法的操作系统分区，则完成硬件自检。读取MBR(主引导记录 Master boot record),启动Bootmgr.exe(Windows Bootmgr),并调用WinLoad.exe(Windows operating system loader)，进入到osloader阶段。

其中Bootmgr.exe winload.exe是win7之后操作系统定义系统启动过程的组件。

2OSLoader阶段

WinLoad.exe加载必要的系统驱动，当windows内核可执行时，则完成系统驱动的加载。这个阶段的驱动都是BOOT_START类型的（驱动的starttype是0）

3MainPathBoot阶段

系统启动大部分工作集中在这个阶段。又将其细分为PreSMSS SMSSInit WinLogonInit Explorerinit 四个子阶段。

• PreSMSS

WinLoad.exe调用内核，初始化内核，启动 PnP 管理器检查设备，加载并初始化设备驱动程序

• SMSSInit

这个阶段是控制权从内核阶段移交给Smss.exe(session manager 进程)，主要初始化视频驱动并启动子系统的Smss.exe, Csrss.exe, Wininit.exe, Winlogon.exe。

• WinLogonInit

SCM启动自启动服务的工作在此阶段，登录界面出现，WinlogonInit结束后，桌面进程（Explorer）启动。

• Explorerinit

创建桌面窗口管理器，初始化桌面，桌面首次出现，服务和应用程序都在这个阶段启动，是 CPU密集型阶段。

4PostBoot阶段

用户可以与桌面进行交互，但系统仍然可能在启动服务，如托盘图标或应用程序在后台的代码等。这个阶段终止于系统合理的idle时间。其中Xbootmgr 它会每隔 100ms 去检测系统，如果系统 80%以上的时间是空闲的，则认为系统启动完成，并且该阶段会累积10秒的空闲时间才会结束(这就是为什么开机到完成时间需要调整减 10s)。

二、如何获取开机过程的数据

使用微软提供Xbootmgr来trace获取开机过程的数据。

1安装工具

直接到微软MSDN去查找WPT，下载和安装。

2环境的准备

不同的环境会影响开机时间，其中受影响主要以下几个方面：

• bootprefetcher（开机预取）

见后面的预取说明，建议机器硬件配置是2G以上内存的，开启预取

• networkconnections（网络的连接）

建议断网测试，屏蔽网络连接

• log-onprocess（登录过程）

建议使用admin账号，不要用域账号，自动登录

• user interactions（用户的交互）

trace数据过程中不要进行操作

3基准版本

为了对比开机过程，基准系统是很重要，所以测试影响开机启动时间时，先跑干净环境，获取基准数据。如下图：微软不同硬件配置开机时间。线下自己验证基准系统的时间是20S

配置同下面表中第三个。

4使用并抓取开机过程数据

1）使用UI界面抓取，如下图，选择boot，勾选事件，点击start即可

2）使用命令行

xbootmgr-trace boot -numRuns 3 -resultPath %systemdrive%\traces -postBootDelay 180-traceFlags latency+dispatcher -stackWalk Profile+CSwitch+ReadyThread–prepsystem

• 其中-numRuns 测试次数，-resultPath 结果etl保存路径；
• –postBootDelay每次测试时间间隔（微软建议时间间隔是180S）；
• -prepsystem使用预取功能（重启6次后，完成开机的预取之后的数据才稳定）。
• 预取功能是优化预读文件，提高系统开关机速度。默认win7之后的OS预取都是开启的，查看注册表system下EnableSuperfetch 和EnablePrefetcher ，如果设置为"0"，不使用预读功能；设置为"1"，系统将只预读应用程序； 设置为"2"，系统将只预读Windows系统文件；设置为"3"，系统将预读Windows系统文件和应用程序(默认值)。这些预取文件保存在C:\Windows\Prefetch。
• 对比使用预取和未使用数据有差别

三、分析开机过程

1将抓取的etl转成xml格式

可明确看到各个阶段的耗时

xperf -i boot_1.etl -o Summary.xml -a boot

1）其中-i对应etl的名字，-o输出xml的名字

2打开对应的xml，大致分析各个阶段的耗时

1）所有时间单位是msec(毫秒)

2）字段解析

• bootDoneViaExplorer：开机到桌面的时间
• bootDoneViaPostBoot：开机完成的时间，需要减去10S（见上面的说明）
• osLoaderDuration：osLoader阶段的耗时
• <interval>下是各个阶段的耗时，例如preSMSS的durantion是3672ms。其中TraceTail是开机完成后，trace数据的时间，一般忽略。
• 如果觉得哪个阶段的耗时增加，可展开对应的节点。
• 大家可能疑问这里为什么没有BIOS初始化阶段，主要由于这个阶段xbootmgr是从osloader阶段获取相应的etw事件，所以bios阶段时间无法获取。

3分阶段分析开机过程的时间消耗是否合理

1）osLoader阶段影响点：

这个阶段可能导致的性能瓶颈是驱动签名的验证。驱动有两个签名的方式（catalog signing 和 embeddedsigning），而catalogsiging的方式，经过验证delay osLoader阶段1到3S，所以建议这个阶段的系统驱动都是embedded signing。验证方法如下：

• xperf -i trace.etl -o trace.txt-a dumper

findstr /C:"I-DCStart" trace.txt 如下就是在osloader阶段的驱动

• 使用微软的签名工具验证signtool verify /v driver.sys

2）PreSMSS阶段影响点

这个阶段主要影响点是PNP设备，因实际的产品没有新增PNP，无案例。可参考看PNP各个阶段的耗时

3）SMSSInit阶段的影响点

此阶段受视频驱动的影响，所以将视频驱动更新到最新版本。可提高开机速度。实际产品也没有涉及到这个点，无案例。

4）WinLogonInit阶段的影响点

此阶段CPU和IO都是需求很大，主要查看自启动服务的耗时是否影响。其中totalTransitionTimeDelta服务的延时时间

5）Explorerinit和PostBoot阶段的影响点

此阶段会受自启动有应用和服务的影响，可配合WPA工具查看

• 用wpa工具打开etl，如下图。配合BootPhases可查看各个阶段启动的exe和服务的耗时、CPU、IO等。具体见以后案例

四、开机性能测试建议

1方法

1）一般判断应用是否影响到开机时间，可先跑无应用系统与有应用的系统

2）对比两者数据的差别，判断出问题的阶段

3）针对有问题的阶段配合WPA工具查看具体驱动或服务是否合理，开机完成后

应用程序自启动的逻辑是否影响到开机后的操作。

2微软开机性能tips,结合日常设计驱动、服务、应用程序注意点

1）服务

【开发设计原则】：

除非有必要，尽量不要设计开机启动服务，服务尽量按需启动或触发启动;

服务不要设计加载顺序;

服务运行时尽可能及时报告当前状态;

服务启动代码避免用托管代码（CLR）;

【性能点】：

是否开机启动服务，评估开机服务会增加多少开机时间

2）驱动

【开发设计原则】：

驱动尽量用WDF编写;

开机启动驱动签名是Embedded_sign；

除非有必要，尽量不要设计开机启动驱动；

非内核驱动，初始化IRPs，返回STATUS_PENDING；

驱动的配置信息放在注册表的system下，会比放在software下节省开机时间

控制驱动文件的大小

【性能点】：

是否是开机驱动，会增加多少开机时间

3）应用程序

【开发设计原则】：

自启动应用，应减少对开机资源的消耗（规范其启动后对于DISK和CPU的占用）；

应用程序的启动代码避免用托管代码（CLR）；

自启动注册表不要用RunOnce；

【性能点】：

是否开机启动应用，开机启动应用增加多少开机时间

参考的文档：http://www.microsoft.com/whdc/system/pnppwr/powermgmt/OnOffTrans.mspx