docs/keep_data_small.txt

   1                 Keeping data small
   2
   3 When many applets are compiled into busybox, all rw data and
   4 bss for each applet are concatenated. Including those from libc,
   5 if static busybox is built. When busybox is started, _all_ this data
   6 is allocated, not just that one part for selected applet.
   7
   8 What "allocated" exactly means, depends on arch.
   9 On NOMMU it's probably bites the most, actually using real
  10 RAM for rwdata and bss. On i386, bss is lazily allocated
  11 by COWed zero pages. Not sure about rwdata - also COW?
  12
  13 In order to keep busybox NOMMU and small-mem systems friendly
  14 we should avoid large global data in our applets, and should
  15 minimize usage of libc functions which implicitly use
  16 such structures.
  17
  18 Small experiment to measure "parasitic" bbox memory consumption:
  19 here we start 1000 "busybox sleep 10" in parallel.
  20 busybox binary is practically allyesconfig static one,
  21 built against uclibc. Run on x86-64 machine with 64-bit kernel:
  22
  23 bash-3.2# nmeter '%t %c %m %p %[pn]'
  24 23:17:28 .......... 168M    0  147
  25 23:17:29 .......... 168M    0  147
  26 23:17:30 U......... 168M    1  147
  27 23:17:31 SU........ 181M  244  391
  28 23:17:32 SSSSUUU... 223M  757 1147
  29 23:17:33 UUU....... 223M    0 1147
  30 23:17:34 U......... 223M    1 1147
  31 23:17:35 .......... 223M    0 1147
  32 23:17:36 .......... 223M    0 1147
  33 23:17:37 S......... 223M    0 1147
  34 23:17:38 .......... 223M    1 1147
  35 23:17:39 .......... 223M    0 1147
  36 23:17:40 .......... 223M    0 1147
  37 23:17:41 .......... 210M    0  906
  38 23:17:42 .......... 168M    1  147
  39 23:17:43 .......... 168M    0  147
  40
  41 This requires 55M of memory. Thus 1 trivial busybox applet
  42 takes 55k of memory on 64-bit x86 kernel.
  43
  44 On 32-bit kernel we need ~26k per applet.
  45
  46 Script:
  47
  48 i=1000; while test $i != 0; do
  49         echo -n .
  50         busybox sleep 30 &
  51         i=$((i - 1))
  52 done
  53 echo
  54 wait
  55
  56 (Data from NOMMU arches are sought. Provide 'size busybox' output too)
  57
  58
  59                 Example 1
  60
  61 One example how to reduce global data usage is in
  62 archival/libarchive/decompress_gunzip.c:
  63
  64 /* This is somewhat complex-looking arrangement, but it allows
  65  * to place decompressor state either in bss or in
  66  * malloc'ed space simply by changing #defines below.
  67  * Sizes on i386:
  68  * text    data     bss     dec     hex
  69  * 5256       0     108    5364    14f4 - bss
  70  * 4915       0       0    4915    1333 - malloc
  71  */
  72 #define STATE_IN_BSS 0
  73 #define STATE_IN_MALLOC 1
  74
  75 (see the rest of the file to get the idea)
  76
  77 This example completely eliminates globals in that module.
  78 Required memory is allocated in unpack_gz_stream() [its main module]
  79 and then passed down to all subroutines which need to access 'globals'
  80 as a parameter.
  81
  82
  83                 Example 2
  84
  85 In case you don't want to pass this additional parameter everywhere,
  86 take a look at archival/gzip.c. Here all global data is replaced by
  87 single global pointer (ptr_to_globals) to allocated storage.
  88
  89 In order to not duplicate ptr_to_globals in every applet, you can
  90 reuse single common one. It is defined in libbb/ptr_to_globals.c
  91 as struct globals *const ptr_to_globals, but the struct globals is
  92 NOT defined in libbb.h. You first define your own struct:
  93
  94 struct globals { int a; char buf[1000]; };
  95
  96 and then declare that ptr_to_globals is a pointer to it:
  97
  98 #define G (*ptr_to_globals)
  99
 100 ptr_to_globals is declared as constant pointer.
 101 This helps gcc understand that it won't change, resulting in noticeably
 102 smaller code. In order to assign it, use SET_PTR_TO_GLOBALS macro:
 103
 104         SET_PTR_TO_GLOBALS(xzalloc(sizeof(G)));
 105
 106 Typically it is done in <applet>_main(). Another variation is
 107 to use stack:
 108
 109 int <applet>_main(...)
 110 {
 111 #undef G
 112         struct globals G;
 113         memset(&G, 0, sizeof(G));
 114         SET_PTR_TO_GLOBALS(&G);
 115
 116 Now you can reference "globals" by G.a, G.buf and so on, in any function.
 117
 118
 119                 bb_common_bufsiz1
 120
 121 There is one big common buffer in bss - bb_common_bufsiz1. It is a much
 122 earlier mechanism to reduce bss usage. Each applet can use it for
 123 its needs. Library functions are prohibited from using it.
 124
 125 'G.' trick can be done using bb_common_bufsiz1 instead of malloced buffer:
 126
 127 #define G (*(struct globals*)&bb_common_bufsiz1)
 128
 129 Be careful, though, and use it only if globals fit into bb_common_bufsiz1.
 130 Since bb_common_bufsiz1 is BUFSIZ + 1 bytes long and BUFSIZ can change
 131 from one libc to another, you have to add compile-time check for it:
 132
 133 if (sizeof(struct globals) > sizeof(bb_common_bufsiz1))
 134         BUG_<applet>_globals_too_big();
 135
 136
 137                 Drawbacks
 138
 139 You have to initialize it by hand. xzalloc() can be helpful in clearing
 140 allocated storage to 0, but anything more must be done by hand.
 141
 142 All global variables are prefixed by 'G.' now. If this makes code
 143 less readable, use #defines:
 144
 145 #define dev_fd (G.dev_fd)
 146 #define sector (G.sector)
 147
 148
 149                 Finding non-shared duplicated strings
 150
 151 strings busybox | sort | uniq -c | sort -nr
 152
 153
 154                 gcc's data alignment problem
 155
 156 The following attribute added in vi.c:
 157
 158 static int tabstop;
 159 static struct termios term_orig __attribute__ ((aligned (4)));
 160 static struct termios term_vi __attribute__ ((aligned (4)));
 161
 162 reduces bss size by 32 bytes, because gcc sometimes aligns structures to
 163 ridiculously large values. asm output diff for above example:
 164
 165  tabstop:
 166         .zero   4
 167         .section        .bss.term_orig,"aw",@nobits
 168 -       .align 32
 169 +       .align 4
 170         .type   term_orig, @object
 171         .size   term_orig, 60
 172  term_orig:
 173         .zero   60
 174         .section        .bss.term_vi,"aw",@nobits
 175 -       .align 32
 176 +       .align 4
 177         .type   term_vi, @object
 178         .size   term_vi, 60
 179
 180 gcc doesn't seem to have options for altering this behaviour.
 181
 182 gcc 3.4.3 and 4.1.1 tested:
 183 char c = 1;
 184 // gcc aligns to 32 bytes if sizeof(struct) >= 32
 185 struct {
 186     int a,b,c,d;
 187     int i1,i2,i3;
 188 } s28 = { 1 };    // struct will be aligned to 4 bytes
 189 struct {
 190     int a,b,c,d;
 191     int i1,i2,i3,i4;
 192 } s32 = { 1 };    // struct will be aligned to 32 bytes
 193 // same for arrays
 194 char vc31[31] = { 1 }; // unaligned
 195 char vc32[32] = { 1 }; // aligned to 32 bytes
 196
 197 -fpack-struct=1 reduces alignment of s28 to 1 (but probably
 198 will break layout of many libc structs) but s32 and vc32
 199 are still aligned to 32 bytes.
 200
 201 I will try to cook up a patch to add a gcc option for disabling it.
 202 Meanwhile, this is where it can be disabled in gcc source:
 203
 204 gcc/config/i386/i386.c
 205 int
 206 ix86_data_alignment (tree type, int align)
 207 {
 208 #if 0
 209   if (AGGREGATE_TYPE_P (type)
 210        && TYPE_SIZE (type)
 211        && TREE_CODE (TYPE_SIZE (type)) == INTEGER_CST
 212        && (TREE_INT_CST_LOW (TYPE_SIZE (type)) >= 256
 213            || TREE_INT_CST_HIGH (TYPE_SIZE (type))) && align < 256)
 214     return 256;
 215 #endif
 216
 217 Result (non-static busybox built against glibc):
 218
 219 # size /usr/srcdevel/bbox/fix/busybox.t0/busybox busybox
 220    text    data     bss     dec     hex filename
 221  634416    2736   23856  661008   a1610 busybox
 222  632580    2672   22944  658196   a0b14 busybox_noalign
 223
 224
 225
 226                 Keeping code small
 227
 228 Use scripts/bloat-o-meter to check whether introduced changes
 229 didn't generate unnecessary bloat. This script needs unstripped binaries
 230 to generate a detailed report. To automate this, just use
 231 "make bloatcheck". It requires busybox_old binary to be present,
 232 use "make baseline" to generate it from unmodified source, or
 233 copy busybox_unstripped to busybox_old before modifying sources
 234 and rebuilding.
 235
 236 Set CONFIG_EXTRA_CFLAGS="-fno-inline-functions-called-once",
 237 produce "make bloatcheck", see the biggest auto-inlined functions.
 238 Now, set CONFIG_EXTRA_CFLAGS back to "", but add NOINLINE
 239 to some of these functions. In 1.16.x timeframe, the results were
 240 (annotated "make bloatcheck" output):
 241
 242 function             old     new   delta
 243 expand_vars_to_list    -    1712   +1712 win
 244 lzo1x_optimize         -    1429   +1429 win
 245 arith_apply            -    1326   +1326 win
 246 read_interfaces        -    1163   +1163 loss, leave w/o NOINLINE
 247 logdir_open            -    1148   +1148 win
 248 check_deps             -    1148   +1148 loss
 249 rewrite                -    1039   +1039 win
 250 run_pipe             358    1396   +1038 win
 251 write_status_file      -    1029   +1029 almost the same, leave w/o NOINLINE
 252 dump_identity          -     987    +987 win
 253 mainQSort3             -     921    +921 win
 254 parse_one_line         -     916    +916 loss
 255 summarize              -     897    +897 almost the same
 256 do_shm                 -     884    +884 win
 257 cpio_o                 -     863    +863 win
 258 subCommand             -     841    +841 loss
 259 receive                -     834    +834 loss
 260
 261 855 bytes saved in total.
 262
 263 scripts/mkdiff_obj_bloat may be useful to automate this process: run
 264 "scripts/mkdiff_obj_bloat NORMALLY_BUILT_TREE FORCED_NOINLINE_TREE"
 265 and select modules which shrank.