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

如果你也有以上疑問，那麼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（高級配置與電源介面）說起，ACPI是一種規範（包含軟體與硬體），用來供操作系統應用程式管理所有電源介面。

ACPI將電腦系統的狀態劃分為四個全局狀態（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。

這裡只需要對ACPI的七個狀態有個大致瞭解即可，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，將電源劃分為如下幾個狀態：

On：正常工作狀態

STR(Suspend to RAM):

掛起到記憶體，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記憶體中，此時仍需要向RAM供電，以保證後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、滑鼠等,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，後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):

掛起到硬碟，俗稱休眠（Hibernation）將系統當前的運行狀態等數據保存到硬碟上，並自動關機。下次開機時便從硬碟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，那麼下一次開機啟動時，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時鐘源、關閉外設供電等）。

相關巨集定義位於：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，以供後續恢復。

查看Android支持的電源模式

這裡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乾的時候，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狀態又可以劃分為不同的層級，以MTK的晶元為例，通常劃分為以下幾個狀態:

idle進程是由原始進程（pid=0）在初始化init進程（pid=1）之後演變而來，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。

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採用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，那麼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，後續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：

中斷時延：電腦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式(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：

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，為了保證上層介面不變，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後，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，那麼它將從紅黑二叉樹，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，失敗之後系統處於idle進程超過一定時間，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，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， 這個機製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，如音樂播放軟體，息屏後依舊能播放音樂。
需要註意的是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。
註意：
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

一般情況下，當我們息屏後，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在硬體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（數據機）將喚醒AP；而我們平時所用的Alarm在硬體上則是依賴PMIC（電源管理晶元）中的RTC模塊，所以即使AP斷電進入睡眠，我們定的鬧鐘依舊會生效。

若想更深入的瞭解，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！！！

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我們的程式造成何種影響

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只是限制我們程式使用某些模塊，如Doze模式中不能訪問網路；而dpidle則會凍結所有進程，系統進入睡眠。

1. 進入Doze模式中的idle狀態，我們的程式還能運行嗎？

Doze模式中的idle概念上屬於rgidle狀態，此時我們的程式是能運行的，只是不能訪問網路等，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，這樣我們的程式就不會得到執行。
可以自己寫個死迴圈的線程(普通線程，非looper線程)，強制手機進入Doze的idle模式，你會發現你的程式依舊在執行，但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作。

1. 手機睡眠之後，為何我們寫Alarm程式、來電顯示程式依舊會生效？

Android在硬體架構上將處理器分為AP與BP，應用程式運行與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在硬體上依賴的是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程式依舊會得到執行