Linux电源管理_autosleep－－（五）

1. 前言

Autosleep也是从Android wakelocks补丁集中演化而来的（Linux电源管理(9)_wakelocks），用于取代Android wakelocks中的自动休眠功能。它基于wakeup source实现，从代码逻辑上讲，autosleep是一个简单的功能，但背后却埋藏着一个值得深思的话题：

计算机的休眠（通常是STR、Standby、Hibernate等suspend操作），应当在什么时候、由谁触发？

蜗蜗在“Linux电源管理(2)_Generic PM之基本概念和软件架构”中有提过，在传统的操作场景下，如PC、笔记本电脑，这个问题很好回答：由用户、在其不想或不再使用时。

但在移动互联时代，用户随时随地都可能使用设备，上面的回答就不再成立，怎么办？这时，Android提出了“Opportunistic suspend（这个词汇太传神了，很难用简洁的中文去翻译，就不翻译了）”的理论，通俗的讲，就是“逮到机会就睡”。而autosleep功能，无论是基于Android wakelocks的autosleep，还是基于wakeup source的autosleep，都是为了实现“Opportunistic suspend”。

相比较“对多样的系统组件单独控制”的电源管理方案（如Linux kernel的Dynamic PM），“Opportunistic suspend”是非常简单的，只要检测到系统没有事情在做（逮到机会），就suspend整个系统。这对系统的开发人员（特别是driver开发者）来说，很容易实现，几乎不需要特别处理。

但困难的是，“系统没有事情在做”的判断依据是什么？能判断准确吗？会不会浪费过多的资源在"susend->resume-supsend…”的无聊动作上？如果只有一个设备在做事情，其它设备岂不是也得陪着耗电？等等…

所以，实现“Opportunistic suspend”机制的autosleep功能，是充满争议的。说实话，也是不优雅的。但它可以解燃眉之急，因而虽然受非议，却在Android设备中广泛使用。

其实Android中很多机制都是这样的（如wakelocks，如binder，等等），可以这样比方：Android是设计中的现实主义，Linux kernel是设计中的理想主义，当理想和现实冲突时，怎么调和？不只是Linux kernel，其它的诸如设计、工作和生活，都会遇到类似的冲突，怎么对待？没有答案，但有一个原则：不要偏执，不要试图追求非黑即白的真理！

我们应该庆幸有Android这样的开源软件，让我们可以对比，可以思考。偏题有点远，言归正传吧，去看看autosleep的实现。

2. 功能总结和实现原理

经过前言的瞎聊，Autosleep的功能很已经很直白了，“系统没有事情在做”的时候，就将系统切换到低功耗状态。

根据使用场景，低功耗状态可以是Freeze、Standby、Suspend to RAM（STR）和Suspend to disk（STD）中的任意一种。而怎么判断系统没有事情在做呢？依赖wakeup events framework。只要系统没有正在处理和新增的wakeup events，就尝试suspend，如果suspend的过程中有events产生，再resume就是了。

由于suspend/resume的操作如此频繁，解决同步问题就越发重要，这也要依赖wakeup events framework及其wakeup count功能。

3. 在电源管理中的位置

autosleep的实现位于kernel/power/autosleep.c中，基于wakeup count和suspend & hibernate功能，并通过PM core的main模块向用户空间提供sysfs文件（/sys/power/autosleep）

注1：我们在“Linux电源管理(8)_Wakeup count功能”中，讨论过wakeup count功能，本文的autosleep，就是使用wakeup count的一个实例。

4. 代码分析

4.1 /sys/power/autosleep

/sys/power/autosleep是在kernel/power/main.c中实现的，如下：

   1: #ifdef CONFIG_PM_AUTOSLEEP

   2: static ssize_t autosleep_show(struct kobject *kobj,

   3:                               struct kobj_attribute *attr,

   4:                               char *buf)

   5: {

   6:         suspend_state_t state = pm_autosleep_state();

   7:  

   8:         if (state == PM_SUSPEND_ON)

   9:                 return sprintf(buf, "off\n");

  10:  

  11: #ifdef CONFIG_SUSPEND

  12:         if (state < PM_SUSPEND_MAX)

  13:                 return sprintf(buf, "%s\n", valid_state(state) ?

  14:                                                 pm_states[state] : "error");

  15: #endif

  16: #ifdef CONFIG_HIBERNATION

  17:         return sprintf(buf, "disk\n");

  18: #else

  19:         return sprintf(buf, "error");

  20: #endif

  21: }

  22:  

  23: static ssize_t autosleep_store(struct kobject *kobj,

  24:                                struct kobj_attribute *attr,

  25:                                const char *buf, size_t n)

  26: {

  27:         suspend_state_t state = decode_state(buf, n);

  28:         int error;

  29:  

  30:         if (state == PM_SUSPEND_ON

  31:             && strcmp(buf, "off") && strcmp(buf, "off\n"))

  32:                 return -EINVAL;

  33:  

  34:         error = pm_autosleep_set_state(state);

  35:         return error ? error : n;

  36: }

  37:  

  38: power_attr(autosleep);

  39: #endif /* CONFIG_PM_AUTOSLEEP */

a）autosleep不是一个必须的功能，可以通过CONFIG_PM_AUTOSLEEP打开或关闭该功能。

b）autosleep文件和state文件类似：

     读取，返回“freeze”，“standby”，“mem”，“disk”， “off”，“error”等6个字符串中的一个，表示当前autosleep的状态，分别是auto freeze、auto standby、auto STR、auto STD、autosleep功能关闭和当前系统不支持该autosleep的错误指示；

     写入freeze”，“standby”，“mem”，“disk”， “off”等5个字符串中的一个，代表将autosleep切换到指定状态。

c）autosleep的读取，由pm_autosleep_state实现；autosleep的写入，由pm_autosleep_set_state实现。这两个接口为autosleep模块提供的核心接口，位于kernel/power/autosleep.c中。

4.2 pm_autosleep_init

开始之前，先介绍一下autosleep的初始化函数，该函数在kernel PM初始化时（.\kernel\power\main.c:pm_init）被调用，负责初始化autosleep所需的2个全局参数：

1）一个名称为“autosleep”的wakeup source（autosleep_ws），在autosleep执行关键操作时，阻止系统休眠（我们可以从中理解wakeup source的应用场景和使用方法）。

2）一个名称为“autosleep”的有序workqueue，用于触发实际的休眠动作（休眠应由经常或者线程触发）。这里我们要提出2个问题：什么是有序workqueue？为什么要使用有序workqueue？后面分析代码时会有答案。

如下：

   1: int __init pm_autosleep_init(void)

   2: {

   3:         autosleep_ws = wakeup_source_register("autosleep");

   4:         if (!autosleep_ws)

   5:                 return -ENOMEM;

   6:  

   7:         autosleep_wq = alloc_ordered_workqueue("autosleep", 0);

   8:         if (autosleep_wq)

   9:                 return 0;

  10:  

  11:         wakeup_source_unregister(autosleep_ws);

  12:         return -ENOMEM;

  13: }

4.3 pm_autosleep_set_state

pm_autosleep_set_state负责设置autosleep的状态，autosleep状态和“Linux电源管理(5)_Hibernate和Sleep功能介绍”所描述的电源管理状态一致，共有freeze、standby、STR、STD和off五种（具体依赖于系统实际支持的电源管理状态）。具体如下：

   1: int pm_autosleep_set_state(suspend_state_t state)

   2: {

   3:  

   4: #ifndef CONFIG_HIBERNATION

   5:         if (state >= PM_SUSPEND_MAX)

   6:                 return -EINVAL;

   7: #endif

   8:  

   9:         __pm_stay_awake(autosleep_ws);

  10:  

  11:         mutex_lock(&autosleep_lock);

  12:  

  13:         autosleep_state = state;

  14:  

  15:         __pm_relax(autosleep_ws);

  16:  

  17:         if (state > PM_SUSPEND_ON) {

  18:                 pm_wakep_autosleep_enabled(true);

  19:                 queue_up_suspend_work();

  20:         } else {

  21:                 pm_wakep_autosleep_enabled(false);

  22:         }

  23:  

  24:         mutex_unlock(&autosleep_lock);

  25:         return 0;

  26: }

a）判断state是否合法。

b）调用__pm_stay_awake，确保系统不会休眠。

c）将state保存在一个全局变量中（autosleep_state）。

d）调用__pm_relax，允许系统休眠。

e）根据state的状态off还是其它，调用wakeup events framework提供的接口pm_wakep_autosleep_enabled，使能或者禁止autosleep功能。

f）如果是使能状态，调用内部接口queue_up_suspend_work，将suspend work挂到autosleep workqueue中。

 

注2：由这里的实例可以看出，此时wakeup source不再是wakeup events的载体，而更像一个lock（呵呵，Android wakelocks的影子）。

注3：
该接口并没有对autosleep state的当前值做判断，也就意味着用户程序可以不停的调用该接口，设置autosleep state，如写“mem”，写“freeze”，写“disk”等等。那么suspend work将会多次queue到wrokqueue上。
而在多核CPU上，普通的workqueue是可以在多个CPU上并行执行多个work的。这恰恰是autosleep所不能接受的，因此autosleep workqueue就必须是orderd workqueue。所谓ordered workqueue，就是统一时刻最多执行一个work的worqueue（具体可参考include\linux\workqueue.h中的注释）。
那我们再问，为什么不判断一下状态内？首先，orderd workqueue可以节省资源。其次，这样已经够了，何必多费心思呢？简洁就是美。

pm_wakep_autosleep_enabled主要用于更新wakeup source中和autosleep有关的信息，代码和执行逻辑如下：

   1: #ifdef CONFIG_PM_AUTOSLEEP

   2: /**

   3:  * pm_wakep_autosleep_enabled - Modify autosleep_enabled for all wakeup sources.

   4:  * @enabled: Whether to set or to clear the autosleep_enabled flags.

   5:  */

   6: void pm_wakep_autosleep_enabled(bool set)

   7: {

   8:         struct wakeup_source *ws;

   9:         ktime_t now = ktime_get();

  10:  

  11:         rcu_read_lock();

  12:         list_for_each_entry_rcu(ws, &wakeup_sources, entry) {

  13:                 spin_lock_irq(&ws->lock);

  14:                 if (ws->autosleep_enabled != set) {

  15:                         ws->autosleep_enabled = set;

  16:                         if (ws->active) {

  17:                                 if (set)

  18:                                         ws->start_prevent_time = now;

  19:                                 else

  20:                                         update_prevent_sleep_time(ws, now);

  21:                         }

  22:                 }

  23:                 spin_unlock_irq(&ws->lock);

  24:         }

  25:         rcu_read_unlock();

  26: }

  27: #endif /* CONFIG_PM_AUTOSLEEP */

a）更新系统所有wakeup souce的autosleep_enabled标志（太浪费了！！）。

b）如果wakeup source处于active状态（意味着它会阻止autosleep），且当前autosleep为enable，将start_prevent_time设置为当前实现（开始阻止）。

c）如果wakeup source处于active状态，且autosleep为disable（说明这个wakeup source一直坚持到autosleep被禁止），调用update_prevent_sleep_time接口，更新wakeup source的prevent_sleep_time。

queue_up_suspend_work比较简单，就是把suspend_work挂到workqueue，等待被执行。而suspend_work的处理函数为try_to_suspend，如下：

   1: static DECLARE_WORK(suspend_work, try_to_suspend);

   2:  

   3: void queue_up_suspend_work(void)

   4: {

   5:         if (autosleep_state > PM_SUSPEND_ON)

   6:                 queue_work(autosleep_wq, &suspend_work);

   7: }

4.4 try_to_suspend

try_to_suspend是suspend的实际触发者，代码如下：

   1: static void try_to_suspend(struct work_struct *work)

   2: {

   3:         unsigned int initial_count, final_count;

   4:  

   5:         if (!pm_get_wakeup_count(&initial_count, true))

   6:                 goto out;

   7:  

   8:         mutex_lock(&autosleep_lock);

   9:  

  10:         if (!pm_save_wakeup_count(initial_count) ||

  11:                 system_state != SYSTEM_RUNNING) {

  12:                 mutex_unlock(&autosleep_lock);

  13:                 goto out;

  14:         }

  15:  

  16:         if (autosleep_state == PM_SUSPEND_ON) {

  17:                 mutex_unlock(&autosleep_lock);

  18:                 return;

  19:         }

  20:         if (autosleep_state >= PM_SUSPEND_MAX)

  21:                 hibernate();

  22:         else

  23:                 pm_suspend(autosleep_state);

  24:  

  25:         mutex_unlock(&autosleep_lock);

  26:  

  27:         if (!pm_get_wakeup_count(&final_count, false))

  28:                 goto out;

  29:  

  30:         /*

  31:          * If the wakeup occured for an unknown reason, wait to prevent the

  32:          * system from trying to suspend and waking up in a tight loop.

  33:          */

  34:         if (final_count == initial_count)

  35:                 schedule_timeout_uninterruptible(HZ / 2);

  36:  

  37:  out:

  38:         queue_up_suspend_work();

  39: }

该接口是wakeup count的一个例子，根据我们在“Linux电源管理(8)_Wakeup count功能”的分析，就是read wakeup count，write wakeup count，suspend，具体为：

a）调用pm_get_wakeup_count（block为true），获取wakeup count，保存在initial_count中。如果有wakeup events正在处理，阻塞等待。

b）将读取的count，写入。如果成功，且当前系统状态为running，根据autosleep状态，调用hibernate或者pm_suspend，suspend系统。

d）如果写count失败，说明读写的过程有events产生，退出，进行下一次尝试。

e）如果suspend的过程中，或者是suspend之后，产生了events，醒来，再读一次wakeup count（此时不再阻塞），保存在final_count中。

f）如果final_count和initial_count相同，发生怪事了，没有产生events，竟然醒了。可能有异常，不能再立即启动autosleep（恐怕陷入sleep->wakeup->sleep->wakeup的快速loop中），等待0.5s，再尝试autosleep。

4.5 pm_autosleep_state

该接口比较简单，获取autosleep_state的值返回即可。