Android电源管理-休眠简要分析

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休眠唤醒

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本文深入探讨Android系统的电源管理机制，包括Linux内核定义的电源状态、Android特有的EarlySuspend及LateResume机制、WakeLock唤醒锁的工作原理等。通过分析源代码，详细介绍了Android如何在不同层级实现对电源状态的控制。

Android电源管理-休眠简要分析

工作需要，需要对这一块深入学习。故在此做一点分析记录，存疑解惑。

一、开篇

1.Linux 描述的电源状态

- On（on） S0 - Working

- Standby （standby） S1 - CPU and RAM are powered but not executed

- Suspend to RAM（mem) S3 - RAM is powered and the running content is saved to RAM

- Suspend to Disk，Hibernation（disk） S4 - All content is saved to Disk and power down

S3 aka STR(suspend to ram),挂起到内存，简称待机。计算机将目前的运行状态等数据存放在内存，关闭硬盘、外设等设备，进入等待状态。此时内存仍然需要电力维持其数据，但整机耗电很少。恢复时计算机从内存读出数据，回到挂起前的状态，恢复速度较快。对 DDR的耗电情况进行优化是S3性能的关键，大多数手持设备都是用S3待机。

S4 aka STD(suspend to disk),挂起到硬盘，简称休眠。把运行状态等数据存放在硬盘上某个文件或者某个特定的区域，关闭硬盘、外设等设备，进入关机状态。此时计算机完全关闭，不耗电。恢复时计算机从休眠文件/分区中读出数据，回到休眠前的状态，恢复速度较慢。电子书项目中，见过一款索尼的电子书，没有定义关机状态，只定义了S4,从而提高开机速度。

以上摘录自：http://cache.baiducontent.com/c?m=9f65cb4a8c8507ed4fece763104

6893b4c4380147d8c8c4668d4e419ce3b4c413037bfa6663f405a8e906b6075fc

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5d627e44de8df4aa0fcad7384afa28d880311dd52756d87849c5b704f9634b6&p

=c933cc16d9c116f51ebd9b7d0a13cd&newp=8366c54ad5c444e411b3c22d0214cf2

31610db2151d6db10349dcd1e&user=baidu&fm=sc&query=pm_autosleep_init&qid=&p1=1

在阅读下面的内容之前，强烈建议阅读下。

Android在Linux内核原有的睡眠唤醒机制上面新增了三个，如下：

     • Wake Lock 唤醒锁机制；
     • Early Suspend 预挂起机制；
     • Late Resume 迟唤醒机制；

我们来看一张Android睡眠唤醒机制的框架图：

• Android特有的earlysuspend： request_suspend_state(state)
• Linux标准的suspend： enter_state(state)

二、相关代码涉及文件

• Frameworks

// 供给上层应用程序调用的接口
frameworks/base/core/java/android/os/PowerManager.java

// 具体实现PowerManager类中的接口
frameworks/base/services/java/com/android/server/PowerManagerService.java

// 被PowerManagerService类调用

frameworks/base/core/java/android/os/ Power.java

• JNI

// 实现Power类中的JNI接口
frameworks/base/core/jni/android_os_Power.cpp

• HAL

// 进行sysfs用户接口的操作
hardware/libhardware_legacy/power/power.c

• Kernel

      kernel/kernel/power/main.c
      kernel/kernel/power/earlysuspend.c
      kernel/kernel/power/suspend.c
      kernel/kernel/power/wakelock.c
      kernel/kernel/power/userwakelock.c

　　在应用程序框架层中，PowerManager类是面向上层应用程序的接口类，提供了Wake Lock机制（同时也是睡眠唤醒子系统）的基本接口（唤醒锁的获取和释放）。上层应用程序通过调用这些接口，实现对系统电源状态的监控。

• PowerManager类通过IBinder这种Android中特有的通信模式，与PowerManagerService 类进行通信。

• PowerManagerService 是PowerManager 类中定义的接口的具体实现，并进一步调用Power 类来与下一层进行通信。PowerManagerService 类是WakeLock 机制在应用程序框架层的核心，他们对应用程调用PowerManager类接口时所传递的参数进行初步的分析和对应的设置，并管理一个唤醒锁队列，然后配合其他模块（例如WatchDog、BatteryService、ShutdownThread 等）的状态信息，做出决策，调用Power类的对应接口，最终通过JNI 接口，调用到硬件抽象层中的函数，对sysfs 的用户接口进行操作，从而触发内核态实现的功能。

三、Kernel用户空间接口分析

1. sysfs的属性文件

电源管理内核层给应用层提供的接口就是sysfs 文件系统，所有的相关接口都通过sysfs实现。Android上层frameworks也是基于sysfs做了包装，最终提供给Android java应用程序的是java类的形式。
Android系统会在sysfs里面创建以entry：
     /sys/power/state
     /sys/power/wake_lock
     /sys/power/wake_unlock

echo mem > /sys/power/state或echo standby > /sys/power/state: 命令系统进入earlysuspend状态，那些注册了early suspend handler的驱动将依次进入各自的earlysuspend 状态。

echo on > /sys/power/state: 将退出early suspend状态

echo disk > /sys/power/state: 命令系统进入hibernation状态

    echo lockname > /sys/power/wake_lock: 加锁“lockname”
    echo lockname > /sys/power/wake_unlock: 解锁“lockname”
    上述是分别加锁和解锁的命令，一旦系统中所有wakelock被解锁，系统就会进入suspend状态，可见Linux中原本使系统 suspend 的操作（echo mem > /sys/power/state 等）在Android被替换成使系统进入early suspend；而wake lock 机制成为用户命令系统进入suspend状态的唯一途径。

Kernel与HAL接口是通过/sys/power下面的一系统文件来实现的，如：/sys/power/state.在用户空间接口中，定义了一组sysfs的属性文件，其中一个定义是：

1 power_attr(state)

这个宏的代码如下：

1 #define power_attr(_name) \
2 static struct kobj_attribute _name##_attr = {    \
3     .attr    = {                \
4         .name = __stringify(_name),    \
5         .mode = 0644,            \
6     },                    \
7     .show    = _name##_show,            \
8     .store    = _name##_store,

展开后的代码是：

1 #define power_attr(state) \
2 static struct kobj_attribute state_attr = {    \
3     .attr    = {                \
4         .name = "state",    \
5         .mode = 0644,            \
6     },                    \
7     .show    = state_show,            \
8     .store    = state_store,

2. 创建sysfs文件

 1 static int __init pm_init(void)
 2 {
 3     int error = pm_start_workqueue();
 4     if (error)
 5         return error;
 6     hibernate_image_size_init();
 7     hibernate_reserved_size_init();
 8     power_kobj = kobject_create_and_add("power", NULL);
 9     if (!power_kobj)
10         return -ENOMEM;
11     error = sysfs_create_group(power_kobj, &attr_group);　　//创建sys文件接口
12     if (error)
13         return error;
14     pm_print_times_init();
15     return pm_autosleep_init();　　//创建auto_sleep工作队列，也把用户态向autosleep 写入当作wakeup_source
16 }
17 
18 core_initcall(pm_init)　　//调用pm_init

pm_init函数执行后，会创建/sys/power目录，且目录下会建立一系列属性文件，其中一个是/sys/power/state文件。用户空间写该文件将会导致state_store被调用，读该文件将会导致state_show函数被调用。

2. 标准的Linux内核调用suspend流程

 1 static ssize_t state_store(struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr,
 2                const char *buf, size_t n)
 3 {
 4     suspend_state_t state;
 5     int error;
 6 
 7     error = pm_autosleep_lock();
 8     if (error)
 9         return error;
10 
11     if (pm_autosleep_state() > PM_SUSPEND_ON) {　　// autosleep是android内核为了跟主线内核兼容所引入的
12         error = -EBUSY;
13         goto out;
14     }
15 
16     state = decode_state(buf, n);
17     if (state < PM_SUSPEND_MAX)
18         error = pm_suspend(state);　　　　　　　　　　// 进入suspend 的模式
19     else if (state == PM_SUSPEND_MAX)
20         error = hibernate();　　　　　　　　　　　　　 // 进入冬眠模式
21     else
22         error = -EINVAL;
23 
24  out:
25     pm_autosleep_unlock();
26     return error ? error : n;

当底层接受到上层传递到的值进行一些列的操作，有很多的state 状态：

1 #define PM_SUSPEND_ON        ((__force suspend_state_t) 0)　　// S0
2 #define PM_SUSPEND_STANDBY    ((__force suspend_state_t) 1)　 // S1
3 #define PM_SUSPEND_MEM        ((__force suspend_state_t) 3)　 // S2
4 #define PM_SUSPEND_MAX        ((__force suspend_state_t) 4)   // S3

在state_store中，若定义了CONFIG_EARLYSUSPEND，则执行 request_suspend_state(state)以先进入earlysuspend，然后根据wake_lock的状态决定是否进入 suspend；否则直接执行enter_state(state)以进入suspend状态。我们来看下pm_suspend的原生代码：

 1 int pm_suspend(suspend_state_t state)
 2 {
 3     int error;
 4 
 5     if (state <= PM_SUSPEND_ON || state >= PM_SUSPEND_MAX)　　// state参数无效
 6         return -EINVAL;
 7 
 8     pm_suspend_marker("entry");
 9     error = enter_state(state);
10     if (error) {
11         suspend_stats.fail++;
12         dpm_save_failed_errno(error);
13     } else {
14         suspend_stats.success++;
15     }
16     pm_suspend_marker("exit");
17     return error;

三、Android 休眠(suspend)

1. 相关文件
     • kernel/kernel/power/main.c
     • kernel/kernel/power/earlysuspend.c
     • kernel/kernel/power/wakelock.c

2. 特性介绍
1) Early Suspend
Early suspend 是android 引进的一种机制，这种机制在上游备受争议，这里不做评论。这个机制作用是在关闭显示的时候，一些和显示有关的设备，比如LCD背光、重力感应器、触摸屏都会关掉，但是系统可能还是在运行状态(这时候还有wake lock)进行任务的处理，例如在扫描 SD卡上的文件等。在嵌入式设备中，背光是一个很大的电源消耗，所以android会加入这样一种机制。

2) Late Resume
Late Resume 是和suspend 配套的一种机制，是在内核唤醒完毕开始执行的。主要就是唤醒在Early Suspend时休眠的设备。

3) Wake Lock
wake_lock 在Android的电源管理系统中扮演一个核心的角色。wake_lock是一种锁的机制，只要有人拿着这个锁，系统就无法进入休眠，可以被用户态程序和内核获得。这个锁可以是有超时的或者是没有超时的，超时的锁会在超时以后自动解锁。如果没有锁了或者超时了，内核就会启动休眠的那套机制来进入休眠。

3. Android Suspend
main.c文件是整个框架的入口。用户可以通过读写sys文件/sys/power/state实现控制系统进入低功耗状态。用户对于/sys /power/state的读写会调用到main.c中的state_store()，用户可以写入const char * const pm_states[] 中定义的字符串，比如“on”，“mem”，“standby”，“disk”。

1 const char *const pm_states[PM_SUSPEND_MAX] = {
2     [PM_SUSPEND_FREEZE]    = "freeze",
3     [PM_SUSPEND_STANDBY]    = "standby",
4     [PM_SUSPEND_MEM]    = "mem",
5 }

state_store()首先判断用户写入的是否是“disk”字符串，如果是则调用hibernate()函数命令系统进入hibernation状态。如果是其他字符串则调用request_suspend_state()（如果定义 CONFIG_EARLYSUSPEND）或者调用enter_state()（如果未定义CONFIG_EARLYSUSPEND）。 request_suspend_state()函数是android相对标准linux改动的地方，它实现在earlysuspend.c中。在标准 linux内核中，用户通过 sysfs 写入“mem”和“standby”时，会直接调用enter_state()进入suspend模式，但在android中则会调用request_suspend_state()函数进入early suspend状态。request_suspend_state()函数代码如下：

     
    
void request_suspend_state(suspend_state_t new_state)
{
   unsigned long irqflags;
   int old_sleep;

#ifdef CONFIG_PLAT_RK
   if (system_state != SYSTEM_RUNNING)
       return;
#endif

   spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
   old_sleep = state & SUSPEND_REQUESTED;
   if (debug_mask & DEBUG_USER_STATE) {
       struct timespec ts;
       struct rtc_time tm;
       getnstimeofday(&ts);
       rtc_time_to_tm(ts.tv_sec, &tm);
       pr_info("request_suspend_state: %s (%d->%d) at %lld "
           "(%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d.%09lu UTC)\n",
           new_state != PM_SUSPEND_ON ? "sleep" : "wakeup",
           requested_suspend_state, new_state,
           ktime_to_ns(ktime_get()),
           tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,
           tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec, ts.tv_nsec);
   }
   if (!old_sleep && new_state != PM_SUSPEND_ON) {
       state |= SUSPEND_REQUESTED;
                 //进入Early suspend处理，执行函数early_suspend
       queue_work(suspend_work_queue, &early_suspend_work);
   } else if (old_sleep && new_state == PM_SUSPEND_ON) {
       state &= ~SUSPEND_REQUESTED;
       wake_lock(&main_wake_lock);
                 //进入Late resume处理,执行函数late_resume
       queue_work(suspend_work_queue, &late_resume_work);
   }
   requested_suspend_state = new_state;
   spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
}
     
    

TAG：

1 const char * const OLD_PATHS[] = {
2     "/sys/android_power/acquire_partial_wake_lock",
3     "/sys/android_power/release_wake_lock",
4 };
5 
6 const char * const NEW_PATHS[] = {
7     "/sys/power/wake_lock",
8     "/sys/power/wake_unlock",
9 };

 1 static inline void
 2 initialize_fds(void)
 3 {
 4     // XXX: should be this:
 5     //pthread_once(&g_initialized, open_file_descriptors);
 6     // XXX: not this:
 7     if (g_initialized == 0) {
 8         if(open_file_descriptors(NEW_PATHS) < 0)
 9             open_file_descriptors(OLD_PATHS);
10         g_initialized = 1;
11     }