Android睡眠唤醒机制--Kernel态

一、简介

      Android系统中定义了几种低功耗状态：earlysuspend、suspend、hibernation.
      1) earlysuspend: 是一种低功耗的状态,某些设备可以选择进入某种功耗较低的状态,比如 LCD可以降低亮度或灭掉; 
      2) suspend: 是指除电源管理以外的其他外围模块以及cpu均不工作,只有内存保持自刷新的状态;  
      3) hibernation是指所有内存镜像都被写入磁盘中,然后系统关机,恢复后系统将能恢复到“关机”之前的状态。是最彻底的低功耗模式，它把所有内存镜像都写入磁盘中，然后系统关机。该文件还在sysfs文件系统中创建了多个entry，分别是/sys/power/disk，/sys/power/resume和/sys/power/image_size，这样用户可以直接通过 sysfs 来控制系统进出hibernation状态。这块代码跟标准Linux内核没有什么区别。
     

       在打过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late resume 进行介绍。

二、用户接口

      电源管理内核层给应用层提供的接口就是sysfs 文件系统，所有的相关接口都通过sysfs实现。Android上层frameworks也是基于sysfs做了包装，最终提供给Android Java应用程序的是java类的形式。
Android系统会在sysfs里面创建以entry：
     /sys/power/state
     /sys/power/wake_lock
     /sys/power/wake_unlock

     echo mem > /sys/power/state或echo standby > /sys/power/state: 命令系统进入earlysuspend状态，那些注册了early suspend handler的驱动将依次进入各自的earlysuspend 状态。

     echo on > /sys/power/state: 将退出early suspend状态

     echo disk > /sys/power/state: 命令系统进入hibernation状态

    echo lockname > /sys/power/wake_lock: 加锁“lockname”
    echo lockname > /sys/power/wake_unlock: 解锁“lockname”
    上述是分别加锁和解锁的命令，一旦系统中所有wakelock被解锁，系统就会进入suspend状态，可见Linux中原本使系统suspend 的操作（echo mem > /sys/power/state 等）在Android被替换成使系统进入early suspend；而wake lock 机制成为用户命令系统进入suspend状态的唯一途径。

三、Android 休眠(suspend)

1. 相关文件
     • kernel/kernel/power/main.c
     • kernel/kernel/power/earlysuspend.c
     • kernel/kernel/power/wakelock.c

 

2. 特性介绍
    1) Early Suspend
       Early suspend 是android 引进的一种机制，这种机制在上游备受争议，这里不做评论。 这个机制作用是在关闭显示的时候，一些和显示有关的设备，比如LCD背光、重力感应器、 触摸屏都会关掉，但是系统可能还是在运行状态(这时候还有wake lock)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) Late Resume
         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Early Suspend时休眠的设备。

     3) Wake Lock
         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，超时的锁会在超时以后自动解锁。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. Android Suspend
      main.c文件是整个框架的入口。用户可以通过读写sys文件/sys/power/state实现控制系统进入低功耗状态。用户对于/sys/power/state的读写会调用到main.c中的state_store()，用户可以写入const char * const pm_states[] 中定义的字符串， 比如“on”，“mem”，“standby”，“disk”。 
      state_store()首先判断用户写入的是否是“disk”字符串，如果是则调用hibernate()函数命令系统进入hibernation状态。如果是其他字符串则调用request_suspend_state()（如果定义 CONFIG_EARLYSUSPEND）或者调用enter_state()（如果未定义CONFIG_EARLYSUSPEND）。  request_suspend_state()函数是android相对标准linux改动的地方，它实现在earlysuspend.c中。在标准linux内核中，用户通过 sysfs 写入“mem”和“standby”时，会直接调用enter_state()进入suspend模式，但在android中则会调用request_suspend_state()函数进入early suspend状态。request_suspend_state()函数代码如下：    

void request_suspend_state(suspend_state_t new_state)
{
    unsigned long irqflags;
    int old_sleep;

#ifdef CONFIG_PLAT_RK
    if (system_state != SYSTEM_RUNNING)
        return;
#endif

    spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
    old_sleep = state & SUSPEND_REQUESTED;
    if (debug_mask & DEBUG_USER_STATE) {
        struct timespec ts;
        struct rtc_time tm;
        getnstimeofday(&ts);
        rtc_time_to_tm(ts.tv_sec, &tm);
        pr_info("request_suspend_state: %s (%d->%d) at %lld "
            "(%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d.%09lu UTC)
",
            new_state != PM_SUSPEND_ON ? "sleep" : "wakeup",
            requested_suspend_state, new_state,
            ktime_to_ns(ktime_get()),
            tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,
            tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec, ts.tv_nsec);
    }
    if (!old_sleep && new_state != PM_SUSPEND_ON) {
        state |= SUSPEND_REQUESTED;
                  //进入Early suspend处理，执行函数early_suspend
        queue_work(suspend_work_queue, &early_suspend_work);
    } else if (old_sleep && new_state == PM_SUSPEND_ON) {
        state &= ~SUSPEND_REQUESTED;
        wake_lock(&main_wake_lock);
                  //进入Late resume处理,执行函数late_resume
        queue_work(suspend_work_queue, &late_resume_work);
    }
    requested_suspend_state = new_state;
    spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
}

4. Early Suspend
       在early_suspend()函数中，首先会检查现在请求的状态还是否是suspend， 来防止suspend的请求会在这个时候取消掉(因为这个时候用户进程还在运行)，如果需要退出，就简单的退出了。如果没有， 这个函数就会把early_suspend_handlers中注册的一系列的回调(通过register_early_suspend注册)都调用一次，然后同步文件系统， 然后放弃掉main_wake_lock， 这个wake lock是一个没有超时的锁，如果这个锁不释放，那么系统就无法进入休眠。

   注：fbearlysuspend.c和consoleearlysuspend.c这两个文件实现了针对lcd framebuffer的earlysuspend支持和console的earlysuspend支持。实际上这两个文件就是利用上面earlysuspend.c提供的接口注册了针对framebuffer和console的early suspend handler，并提供相应的handler函数。

static void early_suspend(struct work_struct *work)
{
    struct early_suspend *pos;
    unsigned long irqflags;
    int abort = 0;

#ifdef CONFIG_PLAT_RK
    if (system_state != SYSTEM_RUNNING)
        return;
#endif

    mutex_lock(&early_suspend_lock);
    spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
    if (state == SUSPEND_REQUESTED)
        state |= SUSPENDED;
    else
        abort = 1;
    spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);

    if (abort) {
        if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
            pr_info("early_suspend: abort, state %d
", state);
        mutex_unlock(&early_suspend_lock);
        goto abort;
    }

    if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
        pr_info("early_suspend: call handlers
");
    list_for_each_entry(pos, &early_suspend_handlers, link) {
        if (pos->suspend != NULL) {
            if (debug_mask & DEBUG_VERBOSE)
                pr_info("early_suspend: calling %pf
", pos->suspend);
            pos->suspend(pos);
        }
    }
    mutex_unlock(&early_suspend_lock);

#ifdef CONFIG_SUSPEND_SYNC_WORKQUEUE
    suspend_sys_sync_queue();
#else
    if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
        pr_info("early_suspend: sync
");

    sys_sync();
#endif
abort:
    spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
    if (state == SUSPEND_REQUESTED_AND_SUSPENDED)
        wake_unlock(&main_wake_lock);
    spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);
}

5. Late Resume

      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late resume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，如果按键不是唤醒键(能够唤醒系统的按键) 那么WindowManager会主动放弃wakeLock来使系统再次进入休眠，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Early Suspend的设备。

static void late_resume(struct work_struct *work)
{
    struct early_suspend *pos;
    unsigned long irqflags;
    int abort = 0;

#ifdef CONFIG_PLAT_RK
    if (system_state != SYSTEM_RUNNING)
        return;
#endif

    mutex_lock(&early_suspend_lock);
    spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);
    if (state == SUSPENDED)
        state &= ~SUSPENDED;
    else
        abort = 1;
    spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);

    if (abort) {
        if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
            pr_info("late_resume: abort, state %d
", state);
        goto abort;
    }
    if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
        pr_info("late_resume: call handlers
");
    list_for_each_entry_reverse(pos, &early_suspend_handlers, link) {
        if (pos->resume != NULL) {
            if (debug_mask & DEBUG_VERBOSE)
                pr_info("late_resume: calling %pf
", pos->resume);

            pos->resume(pos);
        }
    }
    if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
        pr_info("late_resume: done
");
abort:
    mutex_unlock(&early_suspend_lock);
}

6. Wake Lock
    wake_lock防止正在运行的系统进入suspend或其它低功耗状态。

     Android改动较大的另一处是增加了wakelock机制。实现在wakelock.c和userwakelock.c中。wakelock可以阻止处于正常运行（active）或者空闲（idle）状态的系统进入睡眠等低功耗状态。直到所持有的wakelock全部被释放，系统才能进入睡眠等低功耗的状态。

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

    1) wake lock 有加锁和解锁两种状态，加锁的方式有两种：
    • 第一种是永久的锁住，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。

    2) 锁有两种类型：
    • WAKE_LOCK_SUSPEND：这种锁会防止系统进入睡眠(suspend)。
    • WAKE_LOCK_IDLE：这种锁不会影响系统的休眠，用于阻止系统在持有锁的过程中进入低功耗状态。即直到wake_lock被释放，系统才会从idle状态进入低功耗状态，此低功耗状态将使中断延迟或禁用一组中断。

    3) 在wake lock中， 会有3个地方让系统直接开始suspend()， 分别是:
    • 在wake_unlock()中， 如果发现解锁以后没有任何其他的wake lock了，就开始休眠
    • 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wake lock，如果没有，就在这里让系统进入睡眠。
    • 在wake_lock() 中，对一个wake lock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。 

7. Suspend

    当wake_lock 运行 suspend()以后， 在wakelock.c的suspend()函数会被调用，这个函数首先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的休眠流程...

static void suspend(struct work_struct *work)
{
    int ret;
    int entry_event_num;
    struct timespec ts_entry, ts_exit;

    if (has_wake_lock(WAKE_LOCK_SUSPEND)) {
        if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
            pr_info("suspend: abort suspend
");
        return;
    }

    entry_event_num = current_event_num;
#ifdef CONFIG_SUSPEND_SYNC_WORKQUEUE
    suspend_sys_sync_queue();
#else
    sys_sync();
#endif
    if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
        pr_info("suspend: enter suspend
");
    getnstimeofday(&ts_entry);
    ret = pm_suspend(requested_suspend_state);
    getnstimeofday(&ts_exit);

    if (debug_mask & DEBUG_EXIT_SUSPEND) {
        struct rtc_time tm;
        rtc_time_to_tm(ts_exit.tv_sec, &tm);
        pr_info("suspend: exit suspend, ret = %d "
            "(%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d.%09lu UTC)
", ret,
            tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,
            tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec, ts_exit.tv_nsec);
    }

    if (ts_exit.tv_sec - ts_entry.tv_sec <= 1) {
        ++suspend_short_count;

        if (suspend_short_count == SUSPEND_BACKOFF_THRESHOLD) {
            suspend_backoff();
            suspend_short_count = 0;
        }
    } else {
        suspend_short_count = 0;
    }

    if (current_event_num == entry_event_num) {
        if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)
            pr_info("suspend: pm_suspend returned with no event
");
        wake_lock_timeout(&unknown_wakeup, HZ / 2);
    }
}

8. Android于标准Linux休眠的区别

      pm_suspend() 虽然用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wake lock，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wake lock，这有可能是某种快速申请wake lock，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kernel cmd里面增加 "no_console_suspend" 来看到suspend和resume过程中的log输出。