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我們的程序造成何種影響？
3. 進入Doze模式中的idle狀態，我們的程序還能運行嗎？
4. 手機睡眠之后，為何我們寫Alarm程序、來電顯示程序依舊會生效？

如果你也有以上疑問，那么本文會對你解開疑惑有一定的幫助

ACPI簡介

要理解第一個問題，得先從ACPI（高級配置與電源接口）說起，ACPI是一種規范（包含軟件與硬件），用來供操作系統應用程序管理所有電源接口。

ACPI將計算機系統的狀態划分為四個全局狀態（G0-G3），共7個狀態，其中G0對應S0;G1將低功耗狀態細分為四個狀態，對應S1-S4;G2、G3代表關機狀態分別對應S5、S6。

ACPI State	Description
S0	正常工作狀態
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，這種模式通常不采用
S3	掛起到內存
S4	掛起到硬盤
S5	Soft Off，CPU、外設等斷電，但電源依舊會為部分極低耗設備供電
S6	Mechanical Off，全部斷電

這里只需要對ACPI的七個狀態有個大致了解即可，下一節會有具體的例子來說明各個狀態。

Linux系統電源狀態

在Linux操作系統中，將電源划分為如下幾個狀態：

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：正常工作狀態

STR(Suspend to RAM):

掛起到內存，俗稱待機、睡眠（Sleep），進入該狀態，系統的主要工作如下：

1、將系統當前的運行狀態等數據保存在內存中，此時仍需要向RAM供電，以保證后續快速恢復至工作狀態

2、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自己的task）

3、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

4、CPU停止工作

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，依舊可以接收處理某些特定事件，視具體設備而定，恢復至正常工作狀態的速度也比STR更快，但也更為耗電。舉個例子來說，以該方式進入睡眠時，后續通過點擊鍵盤也能將系統喚醒。而以mem進入的睡眠為深度睡眠，只能通過中斷喚醒設備喚醒系統，如電源鍵(此時按電源鍵，不會經過正常的開機流程的BIOS、BOOTLOAD等)，此時按鍵盤是無法喚醒系統的。

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之前保存的數據，恢復到休眠關機之前的狀態。

譬如在休眠關機時，桌面打開了一個應用，那么下一次開機啟動時，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內核代碼聲明如下,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作為一個電源狀態，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時鍾源、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，我們可以知道，睡眠與休眠是2個不同的概念，睡眠屬於STR，而休眠屬於STD，切勿混為一談。

網上也有很多關於“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當中並沒有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，以供后續恢復。

查看Android支持的電源模式

這里我使用的是模擬器查看的，真機也一樣，Android手機是不支持休眠模式的，休眠模式需要一塊與RAM大小一致存儲空間，這在移動設備上可是個不小的開銷。

Idle State

Android上的Idle狀態分為二類：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，都將他們當做一個線程（task）來處理；當所有的進程都沒事兒干的時候，系統就會啟用idle進程，使系統進入低功耗狀態（如關閉一些服務、模塊功能，降低CPU工作頻率等），即idle狀態，以達到省電的目的。

idle狀態又可以划分為不同的層級，以MTK的芯片為例，通常划分為以下幾個狀態:

狀態	描述
soidle（screen on idle）	亮屏 Idle 模式，該模式下與正常工作狀態差別不大，唯一的區別就cpu處於空閑狀態
rgidle	淺度 Idle 模式，cpu處於 WFI（wait for interrupt），屏幕熄滅，同時關閉一些不需要的服務及模塊，注意此狀態cpu的時鍾源與RTC模塊是工作正常的，此時是可以通過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的時鍾源和hrtimer（高精度定時器模塊（RTC））被關閉，所有進程（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）之后演變而來，可以說是init進程的祖先，關於其詳細介紹可參考如下鏈接：

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手機需要靜置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

標准的AlarmManager

如果你需要在Doze狀態下啟動設置的alarms，使用setAndAllowWhileIdle()或者setExactAndAllowWhileIdle()。當有setAlarmClock()的alarms啟動時，系統會短暫退出Doze模式

系統不會掃描Wi-Fi

系統不允許sync adapters運行

系統不允許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，並非立即進入睡眠，當然這個過程當中依舊有可能滿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采用linux內核，所以電源狀態整體上是與linux操作系統相同，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，那么系統就無法進入睡眠狀態。

該機制起初是早期Android為Linux內核打得一個補丁，並想合入到linux內核，但被Linux社區拒絕，后續Linux內核引入自己的Wakelock機制,Android系統也使用的是linux的Wakelock機制，所以該機制並非Android特有的機制。

Android系統提供了兩種類型的鎖，每一個類型又可分為超時鎖與普通鎖，超時鎖，超時會自動釋放，而普通鎖則必需要手動釋放：

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進程進入那些具有較大中斷時延、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作系統作出響應，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如下，這些鎖都需要手動釋放：

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

鎖的釋放

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

wakelock數據結構

當我們應用層釋放鎖之后，它並不會馬上消失。wakelock分為激活和非激活狀態，非激活狀態300S之內，無人在申請wakelock，那么它將從紅黑二叉樹，LRU鏈表當中刪除，如此便可復用鎖，節省系統開銷。

睡眠觸發入口

在wakelock中，有3個地方可以讓系統從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他激活的wakelock，若不存在則執行Linux的標准suspend流程進入睡眠狀態
在超時鎖的超時回調函數，判斷是否存在其他激活的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，失敗之后系統處於idle進程超過一定時間，則又嘗試進入睡眠，判斷標准同上，若存在wakelock則進入失敗

關於autosleep機制的內核源碼分析，可以參考如下文章：

Android autosleep機制

Early Suspend

預掛起機制是Android特有的掛起機制， 這個機制作用是關閉一些與顯示相關的外設，比如LCD背光、重力感應器、 觸摸屏，但是其他外設如WIFI、藍牙等模塊等並未關閉。
此時，系統依舊可以處理事件，如音樂播放軟件，息屏后依舊能播放音樂。
需要注意的是Early Suspend機制與WakeLock機制相互獨立，就算有應用持有wakelock鎖，系統依舊可以通過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，即后續版本只有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

一般情況下，當我們息屏后，系統將先通過Early Suspend機制進入Idle狀態，如果滿足進入睡眠的條件（沒有進程持有喚醒鎖）則會通過Linux的Suspend機制進入Sleep(睡眠)狀態。

內核源碼流程分析可參考如下文章：
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，為何我們定的Alarm會生效以及能接收到來電？

手機來電與Alarm為何能喚醒系統

原來Android在硬件架構上將處理器分為二類：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用於運行實時操作系統（RTOS），用於處理手機通信，耗電量低。

當AP進入睡眠，有來電時，Modem（調制解調器）將喚醒AP；而我們平時所用的Alarm在硬件上則是依賴PMIC（電源管理芯片）中的RTC模塊，所以即使AP斷電進入睡眠，我們定的鬧鍾依舊會生效。

若想更深入的了解，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）屬於不同模式，但現在大多操作系統都不支持待機模式了，我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！！！

2. 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我們的程序造成何種影響

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

3. 進入Doze模式中的idle狀態，我們的程序還能運行嗎？

Doze模式中的idle概念上屬於rgidle狀態，此時我們的程序是能運行的，只是不能訪問網絡等，但是在這個過程中，系統可能會滿足進入睡眠條件，凍結所有進程，這樣我們的程序就不會得到執行。
可以自己寫個死循環的線程(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，但是靜置在哪兒一段時間后，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作。

4. 手機睡眠之后，為何我們寫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為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，可以喚醒AP，使我們的Alarm程序依舊會得到執行