Android電源管理基礎知識整理

前言

1. 待機、睡眠與休眠的區別？
2. Android開發者官網當中提到「idle states」，該如何理解，這個狀態會對設備及咱們的程序形成何種影響？
3. 進入Doze模式中的idle狀態，咱們的程序還能運行嗎？
4. 手機睡眠以後，爲什麼咱們寫Alarm程序、來電顯示程序依舊會生效？

若是你也有以上疑問，那麼本文會對你解開疑惑有必定的幫助

ACPI簡介

要理解第一個問題，得先從ACPI（高級配置與電源接口）提及，ACPI是一種規範（包含軟件與硬件），用來供操做系統應用程序管理全部電源接口。

ACPI將計算機系統的狀態劃分爲四個全局狀態（G0-G3），共7個狀態，其中G0對應S0;G1將低功耗狀態細分爲四個狀態，對應S1-S4;G二、G3表明關機狀態分別對應S五、S6。

ACPI State	Description
S0	正常工做狀態
S1	CPU與RAM供電正常，但CPU不執行指令
S2	比S1更深的一個睡眠層次，這種模式一般不採用
S3	掛起到內存
S4	掛起到硬盤
S5	Soft Off，CPU、外設等斷電，但電源依舊會爲部分極低耗設備供電
S6	Mechanical Off，所有斷電

這裏只須要對ACPI的七個狀態有個大體瞭解便可，下一節會有具體的例子來講明各個狀態。

Linux系統電源狀態

在Linux操做系統中，將電源劃分爲以下幾個狀態：

ACPI	State	Linux State Description
S0	On(on)	Working
S1	Standby(standby)	CPU and RAM are powered but not executed
S2	------	------
S3	Suspend to RAM（mem)	CPU is Off,RAM is powered and the running content is saved to RAM
S4	Suspend to Disk(disk)	All content is saved to Disk and power down
S5	Shutdown	Shutdown the system

On：正常工做狀態

STR(Suspend to RAM):

掛起到內存，俗稱待機、睡眠（Sleep），進入該狀態，系統的主要工做以下：

一、將系統當前的運行狀態等數據保存在內存中，此時仍須要向RAM供電，以保證後續快速恢復至工做狀態

二、凍結用戶態的進程和內核態的任務（進入內核態的進程或內核本身的task）

三、關閉外圍設備，如顯示屏、鼠標等,中斷喚醒外設不會關閉，如電源鍵

四、CPU中止工做

Standby也屬於睡眠的一種方式，屬於淺睡眠。該模式下CPU並未斷電，依舊能夠接收處理某些特定事件，視具體設備而定，恢復至正常工做狀態的速度也比STR更快，但也更爲耗電。舉個例子來講，以該方式進入睡眠時，後續經過點擊鍵盤也能將系統喚醒。而以mem進入的睡眠爲深度睡眠，只能經過中斷喚醒設備喚醒系統，如電源鍵(此時按電源鍵，不會通過正常的開機流程的BIOS、BOOTLOAD等)，此時按鍵盤是沒法喚醒系統的。

STD(Suspend to Disk):

掛起到硬盤，俗稱休眠（Hibernation）將系統當前的運行狀態等數據保存到硬盤上，並自動關機。下次開機時便從硬盤上讀取以前保存的數據，恢復到休眠關機以前的狀態。

譬如在休眠關機時，桌面打開了一個應用，那麼下一次開機啓動時，該應用也處於打開狀態。而正常的關機-開機流程，該應用是不會打開的。

Linux內核代碼聲明以下,位於kernel/power/suspend.c

在新版內核中，進程freeze的功能被單獨抽離出來做爲一個電源狀態，該狀態僅僅是凍結進程，並不會使系統進入低功耗狀態（如切斷CPU時鐘源、關閉外設供電等）。

相關宏定義位於：linux/include/linux/suspend.h

其中狀態4就是STD，所謂的休眠狀態（Hibernation）

小結：

至此，咱們能夠知道，睡眠與休眠是2個不一樣的概念，睡眠屬於STR，而休眠屬於STD，切勿混爲一談。

網上也有不少關於「Android休眠」的文章，事實上，Android手機壓根兒就不支持休眠模式。

查看Linux支持的電源模式

#查看系統支持的電源模式
$ cat /sys/power/state
#休眠系統命令
$ sudo pm-hibernate

看來Ubuntu-17.0.4版本是不支持休眠功能了，state當中並無disk，執行休眠命令也提示找不到。

在公司測試Ubuntu-16.0.4是支持休眠的，休眠時會將當前RAM中的數據保持至swap分區，以供後續恢復。

查看Android支持的電源模式

這裏我使用的是模擬器查看的，真機也同樣，Android手機是不支持休眠模式的，休眠模式須要一塊與RAM大小一致存儲空間，這在移動設備上但是個不小的開銷。

Idle State

Android上的Idle狀態分爲二類：Cpu Idle和Device Idle

Cpu Idle

Linux系統運行的基礎是基於進程調度，實際上內核調度的線程（task），內核並不會區分線程與進程，都將他們當作一個線程（task）來處理；當全部的進程都沒事兒乾的時候，系統就會啓用idle進程，使系統進入低功耗狀態（如關閉一些服務、模塊功能，下降CPU工做頻率等），即idle狀態，以達到省電的目的。

idle狀態又能夠劃分爲不一樣的層級，以MTK的芯片爲例，一般劃分爲如下幾個狀態:

狀態	描述
soidle（screen on idle）	亮屏 Idle 模式，該模式下與正常工做狀態差異不大，惟一的區別就cpu處於空閒狀態
rgidle	淺度 Idle 模式，cpu處於 WFI（wait for interrupt），屏幕熄滅，同時關閉一些不須要的服務及模塊，注意此狀態cpu的時鐘源與RTC模塊是工做正常的，此時是能夠經過TimerTask的定時觸發激活系統的，TimerTask依賴於CPU的RTC模塊，而Alarm則依賴於PMIC的RTC模塊
dpidle(deep idle)	深度idle模式，該模式下cpu的時鐘源和hrtimer（高精度定時器模塊（RTC））被關閉，全部進程（包括系統進程）被凍結，即進入上文所述的睡眠狀態

idle進程是由原始進程（pid=0）在初始化init進程（pid=1）以後演變而來，能夠說是init進程的祖先，關於其詳細介紹可參考以下連接：

Linux Idle基礎

CPUIDLE 之低功耗定時器

Device Idle

Device Idle屬於Doze模式中概念，即指當手機屏幕熄屏、不充電、靜置不動,有網友分析了源碼，指出6.0手機須要靜置1時4分30秒才能進入Doze模式。

Doze模式的限制
網絡接入被暫停
系統忽略wake locks
標準的AlarmManager	alarms（包括setExact()和setWindow()）被延緩到下一個maintenance window
若是你須要在Doze狀態下啓動設置的alarms，使用setAndAllowWhileIdle()或者setExactAndAllowWhileIdle()。當有setAlarmClock()的alarms啓動時，系統會短暫退出Doze模式
系統不會掃描Wi-Fi
系統不容許sync adapters運行
系統不容許JobScheduler運行

結合上文分析的cpu idle不難發現Doze模式中的idle狀態在概念屬於淺idle狀態，只是關閉了一些特定服務和模塊，並不是當即進入睡眠，固然這個過程中依舊有可能知足睡眠條件而進入睡眠狀態，至於如何進入請參考下文【睡眠觸發入口】一節。

Android Doze模式源碼分析

Android電源管理框架

Android採用linux內核，因此電源狀態總體上是與linux操做系統相同，下圖是Android的電源管理框架：

WakeLock

喚醒鎖，一種鎖機制，用於阻止系統進入睡眠狀態，只要有應用獲取到改鎖，那麼系統就沒法進入睡眠狀態。

該機制起初是早期Android爲Linux內核打得一個補丁，並想合入到linux內核，但被Linux社區拒絕，後續Linux內核引入本身的Wakelock機制,Android系統也使用的是linux的Wakelock機制，因此該機制並不是Android特有的機制。

Android系統提供了兩種類型的鎖，每個類型又可分爲超時鎖與普通鎖，超時鎖，超時會自動釋放，而普通鎖則必須要手動釋放：

類型	描述
WAKE_LOCK_SUSPEND	阻止系統進入睡眠狀態（STR）
WAKE_LOCK_IDLE	阻止系統從idle進程進入那些具備較大中斷時延、禁用了較多中斷源的低功耗狀態（睡眠除外），持有該類型的鎖，不影響系統進入睡眠狀態。自Android API-17（對應android linux內核版本3.4）移除了該類型的喚醒鎖。

中斷時延：計算機接收到中斷信號到操做系統做出響應，並完成轉入中斷服務程序(ISR)的時間。

內核當中關於WakeLock的主要源碼位於：

kernel_common/include/linux/wakelock.h

kernel_common/kernel/power/wakelock.c

Android Linux內核3.0版本

Android Linux內核3.4版本

應用層提供的鎖類型以下，這些鎖都須要手動釋放：

FLAG	CPU	屏幕	鍵盤
PARTIAL_WAKE_LOCK	開啓	關閉	關閉
SCREEN_DIM_WAKE_LOCK	開啓	變暗	關閉
SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK	開啓	變亮	關閉
FULL_WAKE_LOCK	開啓	變亮	變亮

鎖的釋放

Linux3.4內核中摒棄了以前的wakelock機制，引入wakeup source機制來進行睡眠管理，爲了保證上層接口不變，Android的Linux內核便將wakeup source包裝成wakelock，WakeLock的數據結構以下：

wakelock數據結構

當咱們應用層釋放鎖以後，它並不會立刻消失。wakelock分爲激活和非激活狀態，非激活狀態300S以內，無人在申請wakelock，那麼它將從紅黑二叉樹，LRU鏈表當中刪除，如此即可複用鎖，節省系統開銷。

睡眠觸發入口

在wakelock中，有3個地方可讓系統從early_suspend進入suspend狀態。

wake_unlock，系統每釋放一個鎖，就會檢查是否還存其餘激活的wakelock，若不存在則執行Linux的標準suspend流程進入睡眠狀態
在超時鎖的超時回調函數，判斷是否存在其餘激活的wakelock，若不存在，則進入睡眠狀態
autosleep機制，android 4.1引入該機制，亮屏時會向autosleep節點寫入off，熄屏則會寫入mem。Android一滅屏，就會嘗試進入睡眠，失敗以後系統處於idle進程超過必定時間，則又嘗試進入睡眠，判斷標準同上，若存在wakelock則進入失敗

關於autosleep機制的內核源碼分析，能夠參考以下文章：

Android autosleep機制

Early Suspend

預掛起機制是Android特有的掛起機制， 這個機制做用是關閉一些與顯示相關的外設，好比LCD背光、重力感應器、 觸摸屏，可是其餘外設如WIFI、藍牙等模塊等並未關閉。
此時，系統依舊能夠處理事件，如音樂播放軟件，息屏後依舊能播放音樂。
須要注意的是Early Suspend機制與WakeLock機制相互獨立，就算有應用持有wakelock鎖，系統依舊能夠經過Early Suspend機制關閉與顯示相關的外設。
注意：
Android 4.4起，也就是引入ART的版本，摒棄了early suspend機制，改用了fb event通知機制，即後續版本只有suspend、resume以及runtime suspend、runtime resume。

Late Resume

遲喚醒機制，用於喚醒預掛起的設備

睡眠狀態轉換

通常狀況下，當咱們息屏後，系統將先經過Early Suspend機制進入Idle狀態，若是知足進入睡眠的條件（沒有進程持有喚醒鎖）則會經過Linux的Suspend機制進入Sleep(睡眠)狀態。

內核源碼流程分析可參考以下文章：
源碼位於kernel_common/kernel/power/main.c：

Android中休眠與喚醒之wake_lock, early_suspend, late_resume

看到這兒，不知你是否疑問，既然系統睡眠了，CPU斷電不執行指令了，爲什麼咱們定的Alarm會生效以及能接收到來電？

手機來電與Alarm爲什麼能喚醒系統

原來Android在硬件架構上將處理器分爲二類：Application Processor（AP）和Baseband Processor（BP），AP是ARM架構的處理器，用於運行Linux+Android系統，耗電量高；BP用於運行實時操做系統（RTOS），用於處理手機通訊，耗電量低。

當AP進入睡眠，有來電時，Modem（調制解調器）將喚醒AP；而咱們平時所用的Alarm在硬件上則是依賴PMIC（電源管理芯片）中的RTC模塊，因此即便AP斷電進入睡眠，咱們定的鬧鐘依舊會生效。

若想更深刻的瞭解，則可參考Android RIL機制相關的文章。

總結

1. 待機、睡眠與休眠的區別

實際上待機（standby）與睡眠（mem）屬於不一樣模式，但如今大多操做系統都不支持待機模式了，咱們也習慣將待機等同於睡眠，睡眠屬於STR，休眠屬於STD，Android手機不支持休眠！！！

1. Android開發者官網當中提到「idle state」，該如何理解，這個狀態會對設備及咱們的程序形成何種影響

所謂的idle狀態，就是指系統進入某個低功耗狀態，以MTK爲例，常見的狀態有soidle、rgidle以及dpidle。rgidle只是限制咱們程序使用某些模塊，如Doze模式中不能訪問網絡；而dpidle則會凍結全部進程，系統進入睡眠。

1. 進入Doze模式中的idle狀態，咱們的程序還能運行嗎？

Doze模式中的idle概念上屬於rgidle狀態，此時咱們的程序是能運行的，只是不能訪問網絡等，可是在這個過程當中，系統可能會知足進入睡眠條件，凍結全部進程，這樣咱們的程序就不會獲得執行。
能夠本身寫個死循環的線程(普通線程，非looper線程)，強制手機進入Doze的idle模式，你會發現你的程序依舊在執行，可是靜置在哪兒一段時間後，你會發現你的線程被凍結，不會執行，當你點亮屏幕，你的線程又會繼續工做。

1. 手機睡眠以後，爲什麼咱們寫Alarm程序、來電顯示程序依舊會生效？

Android在硬件架構上將處理器分爲AP與BP，應用程序運行與AP之中，睡眠只是將AP斷電，BP（Modem）不會斷電，當有來電時，BP將會喚醒AP。

Alarm在硬件上依賴的是Modem中的PMIC的RTC模塊，而不是AP中的RTC模塊，當定時器觸發時，能夠喚醒AP，使咱們的Alarm程序依舊會獲得執行