Android or Linux 的休眠与唤醒

最新推荐文章于 2024-05-01 11:10:29 发布

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本文详细介绍Linux系统中休眠/唤醒的工作原理及其在Android系统中的应用。文章讲解了Linux休眠的三个主要步骤，包括用户态进程和内核态任务的冻结、设备的休眠回调函数调用以及核心设备和CPU进入休眠状态的过程。此外，还介绍了Android系统如何通过wakelock机制管理电源，以及早期休眠和后期恢复的概念。

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Linux休眠/唤醒简介

休眠/唤醒在嵌入式Linux中是非常重要的部分,嵌入式设备尽可能的进入休眠状态来延长电池的续航时间。这篇文章就详细介绍一下linux中休眠/唤醒是如何工作的,还有Android中如何把这部分和Linux的机制联系起来的.

在Linux中,休眠主要分三个主要的步骤:
1）冻结用户态进程和内核态任务
2）调用注册的设备的suspend的回调函数，顺序是按照注册顺序
3）休眠核心设备和使CPU进入休眠态冻结进程是内核把进程列表中所有的进程的状态都设置为停止,并且保存所有进程的上下文。当这些进程被解冻的时候，他们是不知道自己被冻结过的,只是简单的继续执行。

如何让Linux进入休眠呢?用户可以通过读写sys文件/sys/power/state是实现控制系统进入休眠.比如

# echo standby >/sys/power/state

命令系统进入休眠.也可以使用

# cat/sys/power/state来得到内核支持哪几种休眠方式.

Linux Suspend 的流程

准备, 冻结进程

当进入到suspend_prepare()中以后,它会给suspend分配一个虚拟终端来输出信息,然后广播一个系统要进入suspend的Notify,关闭掉用户态的helper进程,然后一次调用suspend_freeze_processes()冻结所有的进程,这里会保存所有进程当前的状态,也许有一些进程会拒绝进入冻结状态,当有这样的进程存在的时候,会导致冻结失败,此函数就会放弃冻结进程,并且解冻刚才冻结的所有进程。

让外设进入休眠

现在,所有的进程(也包括workqueue/kthread)都已经停止了,内核态人物有可能在停止的时候握有一些信号量,所以如果这时候在外设里面去解锁这个信号量有可能会发生死锁,所以在外设的suspend()函数里面作lock/unlock锁要非常小心,这里建议设计的时候就不要在suspend()里面等待锁.而且因为suspend的时候,有一些Log是无法输出的,所以一旦出现问题,非常难调试。

然后kernel在这里会尝试释放一些内存。

最后会调用suspend_devices_and_enter()来把所有的外设休眠,在这个函数中,如果平台注册了suspend_pos(通常是在板级定义中定义和注册),这里就会调用suspend_ops->begin(),然后driver/base/power/main.c中的device_suspend()->dpm_suspend()会被调用,他们会依次调用驱动的suspend()回调来休眠掉所有的设备。

suspend_ops是板级的电源管理操作,通常注册在文件arch/xxx/mach-xxx/pm.c中。

当所有的设备休眠以后suspend_enter()调用suspend_ops->prepare()会被调用，执行device_prepare这个函数通常会作一些准备工作来让板机进入休眠.接下来Linux,在多核的CPU中的非启动CPU会被关掉,通过注释看到是避免这些其他的CPU造成racecondion,接下来的以后只有一个CPU在运行了。

核心设备的停止

接下来suspend_enter()会被调用,这个函数会关闭archirq,调用device_power_down(),它会调用suspend_late()函数,这个函数是系统真正进入休眠最后调用的函数,通常会在这个函数中作最后的检查.如果检查没问题,接下来休眠所有的系统设备和总线,并且调用suspend_pos->enter()来使CPU进入省电状态，这时候,就已经休眠了，代码的执行也就停在这里了。

Linux Resume流程

如果在休眠中系统被中断或者其他事件唤醒,接下来的代码就会开始执行,这个唤醒的顺序是和休眠的循序相反的,所以系统设备和总线会首先唤醒，使能系统中断,使能休眠时候停止掉的非启动CPU,以及调用suspend_ops->finish(),而且在suspend_devices_and_enter()函数中也会继续唤醒每个设备,使能虚拟终端,最后调用suspend_ops->end().

在返回到enter_state()函数中的,当suspend_devices_and_enter()返回以后,外设已经唤醒了,但是进程和任务都还是冻结状态,这里会调用suspend_finish()来解冻这些进程和任务,而且发出Notify来表示系统已经从suspend状态退出,唤醒终端.

到这里,所有的休眠和唤醒就已经完毕了,系统继续运行了.

Android系统Suspend和resume的函数流程

Android 休眠(suspend)介绍

在一个打过android补丁的内核中,state_store()函数会走另外一条路,会进入到request_suspend_state()中,这个文件在earlysuspend.c中.这些功能都是android系统加的,后面会对earlysuspend和lateresume进行介绍。

涉及到的文件:

linux_source/kernel/power/main.c

linux_source/kernel/power/earlysuspend.c

linux_source/kernel/power/wakelock.c

特性介绍

1）EarlySuspend

Early suspend是android引进的一种机制,这个机制作用在关闭显示的时候,一些和显示有关的设备,比如LCD背光,重力感应器,触摸屏,这些设备都会关掉，但是系统可能还是在运行状态(这时候还有wakelock)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）LateResume

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EarlySuspend的时候休眠的设备.

当所有的唤醒已经结束以后,用户进程都已经开始运行了,唤醒通常会是以下的几种原因:

来电

如果是来电,那么Modem会通过发送命令给rild来让rild通知WindowManager有来电响应,这样就会远程调用PowerManagerService来写"on"到/sys/power/state来执行lateresume的设备,比如点亮屏幕等.

用户按键用户按键事件会送到WindowManager中,WindowManager会处理这些按键事件,按键分为几种情况,如果案件不是唤醒键(能够唤醒系统的按键)那么WindowManager会主动放弃wakeLock来使系统进入再次休眠,如果按键是唤醒键,那么WindowManger就会调用PowerManagerService中的接口来执行Late Resume.

Late Resume会依次唤醒前面调用了EarlySuspend的设备.

3）WakeLock

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,超时的锁会在时间过去以后自动解锁。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）AndroidSuspend

当用户写入mem或者standby到/sys/power/state中的时候,state_store()会被调用,然后Android会在这里调用request_suspend_state()而标准的Linux会在这里进入enter_state()这个函数.如果请求的是休眠,那么early_suspend这个workqueue就会被调用,并且进入early_suspend状态。调用request_suspend_state()后在suspend_work_queue工作线程上面注册一个early_suspend_work工作者，

然后又通过staticDECLARE_WORK(early_suspend_work, early_suspend);注册一个工作任务early_suspend。所以系统最终会调用early_suspend函数。

注册加入suspend和resume流程

platform_device_register()-->platform_device_add()-->device_add()-->device_pm_add()-->，最终加入到了dpm_list的链表中，在其中的dpm_suspend和dpm_suspend中通过遍历这个链表来进行查看哪个device中包含suspend和resume项。

系统唤醒和休眠

Kernel层[针对AndroidLinux2.6.28内核]:

其主要代码在下列位置:

Drivers/base /main.c

kernel/power /main.c

kernel/power/wakelock.c

kernel/power/earlysuspend.c

其对Kernel提供的接口函数有

EXPORT_SYMBOL(wake_lock_init);//初始化Suspendlock,在使用前必须做初始化

EXPORT_SYMBOL(wake_lock);//申请lock,必须调用相应的unlock来释放它

static DEFINE_TIMER(expire_timer,expire_wake_locks, 0, 0);//定时时间到，加入到suspend队列中；

EXPORT_SYMBOL(wake_unlock);//释放lock

EXPORT_SYMBOL_GPL(device_power_up);//打开特殊的设备

EXPORT_SYMBOL_GPL(device_power_down);//关闭特殊设备

EXPORT_SYMBOL_GPL(device_resume);//重新存储设备的状态；

EXPORT_SYMBOL_GPL(device_suspend);:保存系统状态，并结束掉系统中的设备；

EXPORT_SYMBOL(register_early_suspend);//注册earlysuspend的驱动

EXPORT_SYMBOL(unregister_early_suspend);//取消已经注册的earlysuspend的驱动

Android的suspent执行流程

函数的流程如下所示：

应用程序通过对/sys/power/state的写入操作可以使系统进行休眠的状态，会调用/kernel/power/main.c中的state_store函数。pm_states包括：

PM_SUSPEND_ON，PM_SUSPEND_STANDBY，PM_SUSPEND_MEM满足的状态。

1）当状态位PM_SUSPEND_ON的状态的时候，request_suspend_state()；当满足休眠的状态的时候，调用request_suspend_state在suspend_work_queue工作线程上创建early_suspend_work队列，queue_work(suspend_work_queue,&early_suspend_work)。

2）然后通过DECLARE_WORK(early_suspend_work,early_suspend);在early_suspend_work工作队列中添加工作任务调用early_suspend，所以early_suspend函数会被调用。

3）early_suspend函数中通过

list_for_each_entry(pos,&early_suspend_handlers, link) {

if (pos->suspend != NULL)

pos->suspend(pos)；

在链表中找注册的suspend函数，这个suspend是early的。early_suspend后面调用wake_unlock函数。语句：wake_unlock(&main_wake_lock);

4）wake_unlock()中调用mod_timer启动expire_timer定时器，当定时时间到了，则执行expire_wake_locks函数，将suspend_work加入到suspend_work_queue队列中，分析到这里就可以知道了early_suspend_work和suspend_work这两个队列的先后顺序了（先执行early，定义一段时间后才执行suspend_work），然后会在suspend_work队列中加入suspend的工作任务，所以wakelock.c中的suspend函数会被调用。

5）suspend调用了pm_suspend，通过判断当前的状态，选择enter_state()，在enter_state中，经过了suspend_prepare，suspend_test和suspend_device_and_enter()，在suspend_device_and_enter中调用dpm_suspend_start()，然后调用dpm_suspend()。

6）dpm_suspend中利用while循环在dpm_list链表查找所有devic，然后调用device_suspend来保存状态和结束系统的设备。到了这里，我们就又可以看见在初始化的时候所看到的队列dpm_list。

dpm_list链表的添加是在device_pm_add中完成，请看上一节中。

Wake Lock

我们接下来看一看wakelock的机制是怎么运行和起作用的,主要关注wakelock.c文件就可以了。

wake lock有加锁和解锁两种状态,加锁的方式有两种,一种是永久的锁住,这样的锁除非显示的放开,是不会解锁的,所以这种锁的使用是非常小心的.第二种是超时锁,这种锁会锁定系统唤醒一段时间,如果这个时间过去了,这个锁会自动解除.

锁有两种类型:

WAKE_LOCK_SUSPEND这种锁会防止系统进入睡眠

WAKE_LOCK_IDLE这种锁不会影响系统的休眠,作用我不是很清楚.

在wakelock中,会有3个地方让系统直接开始suspend(),分别是:

1）在wake_unlock()中,如果发现解锁以后没有任何其他的wakelock了,就开始休眠

2）在定时器都到时间以后,定时器的回调函数会查看是否有其他的wakelock,如果没有,就在这里让系统进入睡眠.

3）在wake_lock()中,对一个wakelock加锁以后,会再次检查一下有没有锁,我想这里的检查是没有必要的,更好的方法是使加锁的这个操作原子化,而不是繁冗的检查.而且这样的检查也有可能漏掉.

Android于标准Linux休眠的区别

pm_suspend()虽然会调用enter_state()来进入标准的Linux休眠流程，但是还是有一些区别:

当进入冻结进程的时候，android首先会检查有没有wakelock，如果没有,才会停止这些进程，因为在开始suspend和冻结进程期间有可能有人申请了wake lock,如果是这样,冻结进程会被中断.

在suspend_late()中,会最后检查一次有没有wakelock,这有可能是某种快速申请wakelock,并且快速释放这个锁的进程导致的,如果有这种情况,这里会返回错误,整个suspend就会全部放弃.如果pm_suspend()成功了,LOG的输出可以通过在kernelcmd里面增加"no_console_suspend"来看到suspend和resume过程中的log输出。

Android的电源管理主要是通过Wakelock来实现的，在最底层主要是通过如下队列来实现其管理：

LIST_HEAD(dpm_list);

系统正常开机后进入到AWAKE状态,，Backlight会从最亮慢慢调节到用户设定的亮度,系统screenoff timer(settings->sound & display-> Display settings ->Screen timeout)开始计时，在计时时间到之前，如果有任何的activity事件发生,如Touchclick, keyboard pressed等事件,则将Resetscreen off timer, 系统保持在AWAKE状态.如果有应用程序在这段时间内申请了Fullwake lock,那么系统也将保持在AWAKE状态,除非用户按下powerkey.在AWAKE状态下如果电池电量低或者是用AC供电screenoff timer时间到并且选中Keepscreen on while pluged in选项,backlight会被强制调节到DIM的状态。

如果Screenoff timer时间到并且没有Fullwake lock或者用户按了powerkey,那么系统状态将被切换到NOTIFICATION,并且调用所有已经注册的early_suspend_handlers函数,通常会把LCD和Backlight驱动注册成earlysuspend类型,如有需要也可以把别的驱动注册成earlysuspend,这样就会在第一阶段被关闭.接下来系统会判断是否有partialwake lock acquired, 如果有则等待其释放,在等待的过程中如果有useractivity事件发生,系统则马上回到AWAKE状态;如果没有partialwake lock acquired, 则系统会马上调用函数pm_suspend关闭其它相关的驱动,让CPU进入休眠状态。

系统在Sleep状态时如果检测到任何一个Wakeupsource,则CPU会从Sleep状态被唤醒,并且调用相关的驱动的resume函数,接下来马上调用前期注册的earlysuspend驱动的resume函数,最后系统状态回到AWAKE状态.这里有个问题就是所有注册过earlysuspend的函数在进Suspend的第一阶段被调用可以理解,但是在resume的时候,Linux会先调用所有驱动的resume函数,而此时再调用前期注册的earlysuspend驱动的resume函数有什么意义呢?个人觉得android的这个earlysuspend和lateresume函数应该结合Linux下面的suspend和resume一起使用,而不是单独的使用一个队列来进行管理。

Android Framework层面

其主要代码文件如下：

frameworks/base/core/Java/android/os/PowerManager.java

frameworks/base/services/java/com/android/server/PowerManagerService.java

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

frameworks/base/core/jni/android_os_power.cpp

hardware/libhardware/power/power.c

其中PowerManagerService.java是核心,Power.java提供底层的函数接口,与JNI层进行交互,JNI层的代码主要在文件android_os_Power.cpp中,与Linuxkernel交互是通过Power.c来实现的,Andriod跟Kernel的交互主要是通过sys文件的方式来实现的,具体请参考Kernel层的介绍。

这一层的功能相对比较复杂,比如系统状态的切换,背光的调节及开关,WakeLock的申请和释放等等,但这一层跟硬件平台无关,而且由Google负责维护,问题相对会少一些,有兴趣的朋友可以自己查看相关的代码。

Android powermanagement应用层分析

Android提供了android.os.PowerManager类，该类用于控制设备的电源状态的切换。

该类对外有三个接口函数:

1、voidgoToSleep(long time);

强制设备进入Sleep状态

要注意权限问题。

2、newWakeLock(intflags, String tag);

取得相应层次的锁

flags参数说明:

PARTIAL_WAKE_LOCK: Screen off,keyboard light off

SCREEN_DIM_WAKE_LOCK: screen dim,keyboard light off

SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK: screenbright, keyboard light off

FULL_WAKE_LOCK: screen bright,keyboard bright

ACQUIRE_CAUSES_WAKEUP:一旦有请求锁时强制打开Screen和keyboardlight

ON_AFTER_RELEASE:在释放锁时resetactivity timer

如果申请了partialwakelock,那么即使按Power键,系统也不会进Sleep,如Music播放时

如果申请了其它的wakelocks,按Power键,系统还是会进Sleep。

3、voiduserActivity(long when, boolean noChangeLights);

User activity事件发生,设备会被切换到Fullon的状态,同时ResetScreen off timer。

1)在使用以上函数的应用程序中,必须在其Manifest.xml文件中加入下面的权限：

<uses-permissionandroid:name="android.permission.WAKE_LOCK" />

<uses-permissionandroid:name="android.permission.DEVICE_POWER" />

2)所有的锁必须成对的使用,如果申请了而没有及时释放会造成系统故障.如申请了partial

wakelock,而没有及时释放,那系统就永远进不了Sleep模式。

Android powermanagement Java层分析

其主要代码文件如下:
frameworks/base/core/java/android/os/PowerManager.java
frameworks/base/services/java/com/android/server/PowerManagerService.java
frameworks/base/core/java/android/os/Power.java
其中PowerManagerService.java是核心,PowerManager.java是提供给应用层调用的，
Power.java提供底层的函数接口,与JNI层进行交互。PowerManagerService.java类的作用
就是提供PowerManager的功能，以及整个电源管理状态机的运行。里面函数和类比较多，就从对外和对内分两块来说：

Android power management JNI层分析

其主要代码文件如下：
frameworks/base/core/jni/android_os_power.cpp
hardware/libhardware/power/power.c
JNI层的代码主要在文件android_os_Power.cpp中,与Linuxkernel交互是通过Power.c来实现
的,Andriod跟Kernel的交互主要是通过sys文件的方式来实现的。

Android Kernel power management分析

1、其主要代码在下列位置:
drivers/android/power.c
其对Kernel提供的接口函数有
EXPORT_SYMBOL(android_init_suspend_lock);
//初始化Suspendlock,在使用前必须做初始化
EXPORT_SYMBOL(android_uninit_suspend_lock);
//释放suspendlock相关的资源
EXPORT_SYMBOL(android_lock_suspend);
//申请lock,必须调用相应的unlock来释放它
EXPORT_SYMBOL(android_lock_suspend_auto_expire);
//申请partialwakelock,定时时间到后会自动释放
EXPORT_SYMBOL(android_unlock_suspend);//释放lock
EXPORT_SYMBOL(android_power_wakeup);//唤醒系统到on
EXPORT_SYMBOL(android_register_early_suspend);//注册earlysuspend的驱动
EXPORT_SYMBOL(android_unregister_early_suspend);
//取消已经注册的earlysuspend的驱动提供给AndroidFramework层的proc文件如下：
"/sys/android_power/acquire_partial_wake_lock"//申请partialwake lock
"/sys/android_power/acquire_full_wake_lock"//申请fullwake lock
"/sys/android_power/release_wake_lock"//释放相应的wakelock
"/sys/android_power/request_state"//请求改变系统状态,进standby和回到wakeup两种状态
"/sys/android_power/state"//指示当前系统的状态
2、Android的电源管理主要是通过Wakelock来实现的,在最底层主要是通过如下三个队列来实现其管理:
staticLIST_HEAD(g_inactive_locks);
staticLIST_HEAD(g_active_partial_wake_locks);
staticLIST_HEAD(g_active_full_wake_locks);所有初始化后的lock都会被插入到g_inactive_locks的队列中,而当前活动的partialwakelock都会被插入到g_active_partial_wake_locks队列中,活动的fullwake lock被插入到

g_active_full_wake_locks队列中,所有的partialwake lock 和fullwake lock在过期后或unlock后都会被移到inactive的队列,等待下次的调用。
3、在Kernel层使用wakelock步骤如下:
1)调用函数android_init_suspend_lock初始化一个wakelock
2)调用相关申请lock的函数android_lock_suspend或Android_lock_suspend_auto_expire
请求lock,这里只能申请partialwake lock, 如果要申请Fullwakelock,则需要调用函数android_lock_partial_suspend_auto_expire(该函数没有EXPORT出来),这个命名有点奇怪,不要跟前面的android_lock_suspend_auto_expire搞混了。
3)如果是autoexpire的wakelock则可以忽略,不然则必须及时的把相关的wakelock释放掉,否则会造成系统长期运行在高功耗的状态。
4)在驱动卸载或不再使用Wakelock时请记住及时的调用android_uninit_suspend_lock释放资源。
4、系统的状态:
USER_AWAKE,//Full on status
USER_NOTIFICATION, //Early suspended driver butCPU keep on
USER_SLEEP // CPU enter sleep mode
五、Android电源管理流程
系统正常开机后进入到AWAKE状态,Backlight会从最亮慢慢调节到用户设定的亮度，系统screenoff timer(settings->sound & display-> Display settings ->Screen timeout)开始计时,在计时时间到之前,如果有任何的activity事件发生,如Touchclick,keyboard pressed等事件,则将Resetscreen off timer, 系统保持在AWAKE状态.如果有应用程序在这段时间内申请了Fullwake lock,那么系统也将保持在AWAKE状态,除非用户按下powerkey.。在AWAKE状态下如果电池电量低或者是用AC供电screenoff timer时间到并且选中Keepscreen on while pluged in选项,backlight会被强制调节到DIM的状态。如果Screenoff timer时间到并且没有Fullwake lock或者用户按了powerkey，那么系统状态将被切换到NOTIFICATION,并且调用所有已经注册的g_early_suspend_handlers函数,通常会把LCD和Backlight驱动注册成earlysuspend类型,如有需要也可以把别的驱动注册成earlysuspend,这样就会在第一阶段被关闭.接下来系统会判断是否有partialwake lock acquired, 如果有则等待其释放,在等待的过程中如果有useractivity事件发生,系统则马上回到AWAKE状态；如果没有partialwake lock acquired, 则系统会马上调用函数pm_suspend关闭其它相关的驱动,让CPU进入休眠状态.系统在Sleep状态时如果检测到任何一个Wakeupsource,则CPU会从Sleep状态被唤醒,并且调用相关的驱动的resume函数,接下来马上调用前期注册的earlysuspend驱动的resume函数,最后系统状态回到AWAKE状态.这里有个问题就是所有注册过earlysuspend的函数在进Suspend的第一阶段被调用可以理解,但是在resume的时候,Linux会先调用所有驱动的resume函数,而此时再调用前期注册的earlysuspend驱动的resume函数有什么意义呢?个人觉得android的这个earlysuspend和lateresume函数应该结合Linux下面的suspend和resume一起使用,而不是单独的使用一个队列来进行管理。