Android睡眠唤醒机制--系统架构

一、简介

Android在Linux内核原有的睡眠唤醒模块上基础上，主要增加了下面三个机制：

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

其基本原理：当启动一个应用程序的时候，它可以申请一个wake_lock唤醒锁，每当申请成功之后都会在内核中注册一下（通知系统内核，现在已经有锁被申请，系统内核的wake_lock_store把它加入红黑树中），当应用程序在某种情况下释放wake_lock的时候，会注销之前所申请的wake_lock。特别要注意的是：只要是系统中有一个wake_lock的时候，系统此时都不能进行睡眠。但此时各个模块可以进行early_suspend。当系统中所有的wake_lock都被释放之后，系统就会进入真正的kernel的睡眠状态。在系统启动的时候会创建一个主唤醒锁main_wake_lock，该锁是内核初始化并持有的一个WAKE_LOCK_SUSPEND属性的非限时唤醒锁。因此，系统正常工作时，将始终因为该锁被内核持有而无法进入睡眠状态。也就是说在不添加新锁的情况下，只需将main_wake_lock 解锁，系统即可进入睡眠状态。

从Android最上层（Java的应用程序），经过Java、C++和C语言写的Framework层、JNI层、HAL层最后到达android的最底层（Kernel层）。

下图是Android睡眠唤醒模块框架：

二、相关代码

• 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、获得wakelock唤醒锁
比如在应用程序中，当获得wakelock唤醒锁的时候，它首先调用/android/frameworks/base/core/java/android/os/PowerManager类中的public void acquire（）办法，而此方法通过Binder将调用PowerManagerService类中的public void acquireWakeLock。

在用户态的调用流程如下：

PowerManager.acquire()->
PowerManager.acquireLocked()->
PowerManagerService.acquireWakeLock(int flags, IBinder lock, String tag, WorkSource ws)->
PowerManagerService.acquireWakeLockLocked(int flags, IBinder lock, int uid, int pid,
String tag, WorkSource ws)->
Power.acquireWakeLock(Power.PARTIAL_WAKE_LOCK,PARTIAL_NAME)->
android_os_Power.cpp::acquireWakeLock(JNIEnv *env, jobject clazz, jint lock, jstring idObj)->
power.c::acquire_wake_lock(int lock, const char* id)->
write(fd, id, strlen(id))

上述write实质上是文件sysfs: /sys/power/wake_lock，当write时，它将调用userwakelock.c::wake_lock_store()函数，其实现如下：

ssize_t wake_lock_store(
struct kobject *kobj, struct kobj_attribute *attr,
const char *buf, size_t n)
{
long timeout;
struct user_wake_lock *l;
mutex_lock(&tree_lock);
l = lookup_wake_lock_name(buf, 1, &timeout);
if (IS_ERR(l)) {
n = PTR_ERR(l);
goto bad_name;
}
if (debug_mask & DEBUG_ACCESS)
pr_info("wake_lock_store: %s, timeout %ld\n", l->name, timeout);
if (timeout)
wake_lock_timeout(&l->wake_lock, timeout);
else
wake_lock(&l->wake_lock);
bad_name:
mutex_unlock(&tree_lock);
return n;
}

1. 根据name在红黑树中查找user_wake_lock，若找到则直接返回；否则为它分配内存、调用wake_lock_init初始化、然后增加到红黑树中。

2. 调用wake_lock或wake_lock_timeout，它将调用wake_lock_internal

static void wake_lock_internal(
struct wake_lock *lock, long timeout, int has_timeout)
{
int type;
unsigned long irqflags;
long expire_in;
spin_lock_irqsave(&list_lock, irqflags);
type = lock->flags & WAKE_LOCK_TYPE_MASK;
BUG_ON(type >= WAKE_LOCK_TYPE_COUNT);
BUG_ON(!(lock->flags & WAKE_LOCK_INITIALIZED));
#ifdef CONFIG_WAKELOCK_STAT
if (type == WAKE_LOCK_SUSPEND && wait_for_wakeup) {
if (debug_mask & DEBUG_WAKEUP)
pr_info("wakeup wake lock: %s\n", lock->name);
wait_for_wakeup = 0;
lock->stat.wakeup_count++;
}
if ((lock->flags & WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE) &&
(long)(lock->expires - jiffies) <= 0) {
wake_unlock_stat_locked(lock, 0);
lock->stat.last_time = ktime_get();
}
#endif
if (!(lock->flags & WAKE_LOCK_ACTIVE)) {
lock->flags |= WAKE_LOCK_ACTIVE;
#ifdef CONFIG_WAKELOCK_STAT
lock->stat.last_time = ktime_get();
#endif
}
list_del(&lock->link);
if (has_timeout) {
if (debug_mask & DEBUG_WAKE_LOCK)
pr_info("wake_lock: %s, type %d, timeout %ld.%03lu\n",
lock->name, type, timeout / HZ,
(timeout % HZ) * MSEC_PER_SEC / HZ);
lock->expires = jiffies + timeout;
lock->flags |= WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE;
list_add_tail(&lock->link, &active_wake_locks[type]);
} else {
if (debug_mask & DEBUG_WAKE_LOCK)
pr_info("wake_lock: %s, type %d\n", lock->name, type);
lock->expires = LONG_MAX;
lock->flags &= ~WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE;
list_add(&lock->link, &active_wake_locks[type]);
}
if (type == WAKE_LOCK_SUSPEND) {
current_event_num++;
#ifdef CONFIG_WAKELOCK_STAT
if (lock == &main_wake_lock)
update_sleep_wait_stats_locked(1);
else if (!wake_lock_active(&main_wake_lock))
update_sleep_wait_stats_locked(0);
#endif
if (has_timeout)
expire_in = has_wake_lock_locked(type);
else
expire_in = -1;
if (expire_in > 0) {
if (debug_mask & DEBUG_EXPIRE)
pr_info("wake_lock: %s, start expire timer, "
"%ld\n", lock->name, expire_in);
mod_timer(&expire_timer, jiffies + expire_in);
} else {
if (del_timer(&expire_timer))
if (debug_mask & DEBUG_EXPIRE)
pr_info("wake_lock: %s, stop expire timer\n",
lock->name);
if (expire_in == 0)
queue_work(suspend_work_queue, &suspend_work);
}
}
spin_unlock_irqrestore(&list_lock, irqflags);
}

wake_lock_internal()函数流程： 
    1) 判断锁的类型是否有效,即是否为WAKE_LOCK_SUSPEND或WAKE_LOCK_IDLE某一种 
    2) 如果定义了CONFIG_WAKELOCK_STAT, 则更新struct wake_lock里面的用于统计锁信息的成员变量 
    3) 将锁从inactive_locks链表上取下,加到active_wake_locks链表上。如果是超期锁则设置锁的flag|=WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE,否则取消WAKE_LOCK_AUTO_EXPIRE标志。如果锁是WAKE_LOCK_SUSPEND型的,则继续下面的步骤。 
    4) 对于WAKE_LOCK_SUSPEND型的锁如果它是超期锁,则调用has_wake_lock_locked函数检查所有处于活动状态的WAKE_LOCK_SUSPEND锁（即在active_wake_locks链表上的WAKE_LOCK_SUSPEND锁,或者说当前被加锁了的WAKE_LOCK_SUSPEND锁）,是否有超期锁已经过期,如果有则把过期超期锁从active_wake_locks上删除,挂到inactive_locks上。同时它还检查链表上有没有非超期锁,如果有则直接返回-1,否则它最终返回的是所有超期锁过期时间的最大值 
    5) 如果has_wake_lock_locked函数返回的是-1（表示当前活动锁有非超时锁）或者0（表示所有活动锁都是超时锁,且全已经超时）,则删除expire_timer,并排队一个suspend工作到suspend_work_queue工作队列,最终系统会suspend。suspend函数完成suspend系统的任务，它是suspend_work这个工作的处理函数，suspend_workk排队到suspend_work_queue工作队列中，最终系统会处理这个work，调用其handler即suspend函数。该函数首先sync文件系统，然后调用pm_suspend(request_suspend_state)，接下来pm_suspend()就会调用 enter_state()来进入 linux的suspend流程。
四、系统进入睡眠(suspend)
       当按了MID上的power键，经过一系统列的事务处理后，它会调用到PowerManager类中的goToSleep。在用户态的调用流程如下所示：

PowerManager.goToSleep(long time)->
PowerManagerService.goToSleep(long time)->
PowerManagerService.goToSleepWithReason(time, WindowManagerPolicy.OFF_BECAUSE_OF_USER)->
PowerManagerService.goToSleepLocked(long time, int reason)->
PowerManagerService.setPowerState(SCREEN_OFF, false, reason)->
PowerManagerService.sendNotificationLocked(false, WindowManagerPolicy.OFF_BECAUSE_OF_USER)
PowerManagerService.setScreenStateLocked(true)->
Power.setScreenState->
android_os_Power.cpp::setScreenState->
Power.c::set_screen_state(int on)->
write(g_fds[REQUEST_STATE], buf, len)

上面的write将把"mem"写入/sys/power/state中。接下来，在kernel态，state_store函数将被调用。

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

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。

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