[轉] Android睡眠喚醒機制--Kernel態

一、簡介

      Android系統中定義了幾種低功耗狀態：earlysuspend、suspend、hibernation.
      1) earlysuspend: 是一種低功耗的狀態,某些設備可以選擇進入某種功耗較低的狀態,比如 LCD可以降低亮度或滅掉; 
      2) suspend: 是指除電源管理以外的其他外圍模塊以及cpu均不工作,只有內存保持自刷新的狀態;  
      3) hibernation是指所有內存鏡像都被寫入磁盤中,然後系統關機,恢復後系統將能恢復到「關機」之前的狀態。是最徹底的低功耗模式，它把所有內存鏡像都寫入磁盤中，然後系統關機。該文件還在sysfs文件系統中創建了多個entry，分別是/sys/power/disk，/sys/power/resume和/sys/power/image_size，這樣用戶可以直接通過 sysfs 來控制系統進出hibernation狀態。這塊代碼跟標準Linux內核沒有什麼區別。
     

       在打過android補丁的內核中， state_store()函數會走另外一條路，會進入到request_suspend_state()中， 這個文件在earlysuspend.c中. 這些功能都是android系統加的，後面會對earlysuspend和late resume 進行介紹。

二、用戶接口

      電源管理內核層給應用層提供的接口就是sysfs 文件系統，所有的相關接口都通過sysfs實現。Android上層frameworks也是基於sysfs做了包裝，最終提供給Android java應用程序的是java類的形式。
Android系統會在sysfs裡面創建以entry：
     /sys/power/state
     /sys/power/wake_lock
     /sys/power/wake_unlock

     echo mem > /sys/power/state或echo standby > /sys/power/state: 命令系統進入earlysuspend狀態，那些註冊了early suspend handler的驅動將依次進入各自的earlysuspend 狀態。

     echo on > /sys/power/state: 將退出early suspend狀態

     echo disk > /sys/power/state: 命令系統進入hibernation狀態

    echo lockname > /sys/power/wake_lock: 加鎖「lockname」
    echo lockname > /sys/power/wake_unlock: 解鎖「lockname」
    上述是分別加鎖和解鎖的命令，一旦系統中所有wakelock被解鎖，系統就會進入suspend狀態，可見Linux中原本使系統suspend 的操作（echo mem > /sys/power/state 等）在Android被替換成使系統進入early suspend；而wake lock 機製成為用戶命令系統進入suspend狀態的唯一途徑。

三、Android 休眠(suspend)

1. 相關文件     • kernel/kernel/power/main.c
     • kernel/kernel/power/earlysuspend.c
     • kernel/kernel/power/wakelock.c

2. 特性介紹
    1) Early Suspend       Early suspend 是android 引進的一種機制，這種機制在上游備受爭議，這裡不做評論。 這個機製作用是在關閉顯示的時候，一些和顯示有關的設備，比如LCD背光、重力感應器、 觸摸屏都會關掉，但是系統可能還是在運行狀態(這時候還有wake lock)進行任務的處理，例如在掃瞄 SD卡上的文件等。 在嵌入式設備中，背光是一個很大的電源消耗，所以android會加入這樣一種機制。

     2) Late Resume         Late Resume 是和suspend 配套的一種機制，是在內核喚醒完畢開始執行的。主要就是喚醒在Early Suspend時休眠的設備。

     3) Wake Lock         wake_lock 在Android的電源管理系統中扮演一個核心的角色。wake_lock是一種鎖的機制，只要有人拿著這個鎖，系統就無法進入休眠，可以被用戶態程序和內核獲得。這個鎖可以是有超時的或者是沒有超時的，超時的鎖會在超時以後自動解鎖。如果沒有鎖了或者超時了，內核就會啟動休眠的那套機制來進入休眠。

3. Android Suspend      main.c文件是整個框架的入口。用戶可以通過讀寫sys文件/sys/power/state實現控制系統進入低功耗狀態。用戶對於/sys/power/state的讀寫會調用到main.c中的state_store()，用戶可以寫入const char * const pm_states[] 中定義的字符串， 比如「on」，「mem」，「standby」，「disk」。
      state_store()首先判斷用戶寫入的是否是「disk」字符串，如果是則調用hibernate()函數命令系統進入hibernation狀態。如果是其他字符串則調用request_suspend_state()（如果定義 CONFIG_EARLYSUSPEND）或者調用enter_state()（如果未定義CONFIG_EARLYSUSPEND）。  request_suspend_state()函數是android相對標準linux改動的地方，它實現在earlysuspend.c中。在標準linux內核中，用戶通過 sysfs 寫入「mem」和「standby」時，會直接調用enter_state()進入suspend模式，但在android中則會調用request_suspend_state()函數進入early suspend狀態。request_suspend_state()函數代碼如下：    

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1. void request_suspend_state(suspend_state_t new_state)  
2. {  
3.     unsigned long irqflags;  
4.     int old_sleep;  
5.   
6. #ifdef CONFIG_PLAT_RK  
7.     if (system_state != SYSTEM_RUNNING)  
8.         return;  
9. #endif  
10.   
11.     spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);  
12.     old_sleep = state & SUSPEND_REQUESTED;  
13.     if (debug_mask & DEBUG_USER_STATE) {  
14.         struct timespec ts;  
15.         struct rtc_time tm;  
16.         getnstimeofday(&ts);  
17.         rtc_time_to_tm(ts.tv_sec, &tm);  
18.         pr_info("request_suspend_state: %s (%d->%d) at %lld "  
19.             "(%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d.%09lu UTC)\n",  
20.             new_state != PM_SUSPEND_ON ? "sleep" : "wakeup",  
21.             requested_suspend_state, new_state,  
22.             ktime_to_ns(ktime_get()),  
23.             tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,  
24.             tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec, ts.tv_nsec);  
25.     }  
26.     if (!old_sleep && new_state != PM_SUSPEND_ON) {  
27.         state |= SUSPEND_REQUESTED;  
28.                   //進入Early suspend處理，執行函數early_suspend  
29.         queue_work(suspend_work_queue, &early_suspend_work);  
30.     } else if (old_sleep && new_state == PM_SUSPEND_ON) {  
31.         state &= ~SUSPEND_REQUESTED;  
32.         wake_lock(&main_wake_lock);  
33.                   //進入Late resume處理,執行函數late_resume  
34.         queue_work(suspend_work_queue, &late_resume_work);  
35.     }  
36.     requested_suspend_state = new_state;  
37.     spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);  
38. }  

4. Early Suspend       在early_suspend()函數中，首先會檢查現在請求的狀態還是否是suspend， 來防止suspend的請求會在這個時候取消掉(因為這個時候用戶進程還在運行)，如果需要退出，就簡單的退出了。如果沒有， 這個函數就會把early_suspend_handlers中註冊的一系列的回調(通過register_early_suspend註冊)都調用一次，然後同步文件系統， 然後放棄掉main_wake_lock， 這個wake lock是一個沒有超時的鎖，如果這個鎖不釋放，那麼系統就無法進入休眠。

   註：fbearlysuspend.c和consoleearlysuspend.c這兩個文件實現了針對lcd framebuffer的earlysuspend支持和console的earlysuspend支持。實際上這兩個文件就是利用上面earlysuspend.c提供的接口註冊了針對framebuffer和console的early suspend handler，並提供相應的handler函數。

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1. static void early_suspend(struct work_struct *work)  
2. {  
3.     struct early_suspend *pos;  
4.     unsigned long irqflags;  
5.     int abort = 0;  
6.   
7. #ifdef CONFIG_PLAT_RK  
8.     if (system_state != SYSTEM_RUNNING)  
9.         return;  
10. #endif  
11.   
12.     mutex_lock(&early_suspend_lock);  
13.     spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);  
14.     if (state == SUSPEND_REQUESTED)  
15.         state |= SUSPENDED;  
16.     else  
17.         abort = 1;  
18.     spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);  
19.   
20.     if (abort) {  
21.         if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
22.             pr_info("early_suspend: abort, state %d\n", state);  
23.         mutex_unlock(&early_suspend_lock);  
24.         goto abort;  
25.     }  
26.   
27.     if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
28.         pr_info("early_suspend: call handlers\n");  
29.     list_for_each_entry(pos, &early_suspend_handlers, link) {  
30.         if (pos->suspend != NULL) {  
31.             if (debug_mask & DEBUG_VERBOSE)  
32.                 pr_info("early_suspend: calling %pf\n", pos->suspend);  
33.             pos->suspend(pos);  
34.         }  
35.     }  
36.     mutex_unlock(&early_suspend_lock);  
37.   
38. #ifdef CONFIG_SUSPEND_SYNC_WORKQUEUE  
39.     suspend_sys_sync_queue();  
40. #else  
41.     if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
42.         pr_info("early_suspend: sync\n");  
43.   
44.     sys_sync();  
45. #endif  
46. abort:  
47.     spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);  
48.     if (state == SUSPEND_REQUESTED_AND_SUSPENDED)  
49.         wake_unlock(&main_wake_lock);  
50.     spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);  
51. }  

5. Late Resume

      當所有的喚醒已經結束以後，用戶進程都已經開始運行了，喚醒通常會是以下的幾種原因:

     • 來電
       如果是來電，那麼Modem會通過發送命令給rild來讓rild通知WindowManager有來電響應，這樣就會遠程調用PowerManagerService來寫"on" 到 /sys/power/state 來執行late resume的設備，比如點亮屏幕等。

    • 用戶按鍵

      用戶按鍵事件會送到WindowManager中，WindowManager會處理這些按鍵事件，按鍵分為幾種情況，如果按鍵不是喚醒鍵(能夠喚醒系統的按鍵) 那麼WindowManager會主動放棄wakeLock來使系統再次進入休眠，如果按鍵是喚醒鍵，那麼WindowManger就會調用PowerManagerService中的接口來執行Late Resume。

   Late Resume 會依次喚醒前面調用了Early Suspend的設備。

[cpp] view plain copy

1. static void late_resume(struct work_struct *work)  
2. {  
3.     struct early_suspend *pos;  
4.     unsigned long irqflags;  
5.     int abort = 0;  
6.   
7. #ifdef CONFIG_PLAT_RK  
8.     if (system_state != SYSTEM_RUNNING)  
9.         return;  
10. #endif  
11.   
12.     mutex_lock(&early_suspend_lock);  
13.     spin_lock_irqsave(&state_lock, irqflags);  
14.     if (state == SUSPENDED)  
15.         state &= ~SUSPENDED;  
16.     else  
17.         abort = 1;  
18.     spin_unlock_irqrestore(&state_lock, irqflags);  
19.   
20.     if (abort) {  
21.         if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
22.             pr_info("late_resume: abort, state %d\n", state);  
23.         goto abort;  
24.     }  
25.     if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
26.         pr_info("late_resume: call handlers\n");  
27.     list_for_each_entry_reverse(pos, &early_suspend_handlers, link) {  
28.         if (pos->resume != NULL) {  
29.             if (debug_mask & DEBUG_VERBOSE)  
30.                 pr_info("late_resume: calling %pf\n", pos->resume);  
31.   
32.             pos->resume(pos);  
33.         }  
34.     }  
35.     if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
36.         pr_info("late_resume: done\n");  
37. abort:  
38.     mutex_unlock(&early_suspend_lock);  
39. }  

6. Wake Lock    wake_lock防止正在運行的系統進入suspend或其它低功耗狀態。

     Android改動較大的另一處是增加了wakelock機制。實現在wakelock.c和userwakelock.c中。wakelock可以阻止處於正常運行（active）或者空閒（idle）狀態的系統進入睡眠等低功耗狀態。直到所持有的wakelock全部被釋放，系統才能進入睡眠等低功耗的狀態。

    我們接下來看一看wake lock的機制是怎麼運行和起作用的，主要關注 wakelock.c(wake_lock)文件就可以了。

    1) wake lock 有加鎖和解鎖兩種狀態，加鎖的方式有兩種：
    • 第一種是永久的鎖住，這樣的鎖除非顯示的放開，是不會解鎖的，所以這種鎖的使用是非常小心的。
    • 第二種是超時鎖，這種鎖會鎖定系統喚醒一段時間，如果這個時間過去了，這個鎖會自動解除。

    2) 鎖有兩種類型：
    • WAKE_LOCK_SUSPEND：這種鎖會防止系統進入睡眠(suspend)。
    • WAKE_LOCK_IDLE：這種鎖不會影響系統的休眠，用於阻止系統在持有鎖的過程中進入低功耗狀態。即直到wake_lock被釋放，系統才會從idle狀態進入低功耗狀態，此低功耗狀態將使中斷延遲或禁用一組中斷。

    3) 在wake lock中， 會有3個地方讓系統直接開始suspend()， 分別是:
    • 在wake_unlock()中， 如果發現解鎖以後沒有任何其他的wake lock了，就開始休眠
    • 在定時器都到時間以後，定時器的回調函數會查看是否有其他的wake lock，如果沒有，就在這裡讓系統進入睡眠。
    • 在wake_lock() 中，對一個wake lock加鎖以後，會再次檢查一下有沒有鎖， 我想這裡的檢查是沒有必要的， 更好的方法是使加鎖的這個操作原子化，而不是繁冗的檢查，而且這樣的檢查也有可能漏掉。 

7. Suspend

    當wake_lock 運行 suspend()以後， 在wakelock.c的suspend()函數會被調用，這個函數首先sync文件系統，然後調用pm_suspend(request_suspend_state)，接下來pm_suspend()就會調用enter_state()來進入Linux的休眠流程...

[cpp] view plain copy

1. static void suspend(struct work_struct *work)  
2. {  
3.     int ret;  
4.     int entry_event_num;  
5.     struct timespec ts_entry, ts_exit;  
6.   
7.     if (has_wake_lock(WAKE_LOCK_SUSPEND)) {  
8.         if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
9.             pr_info("suspend: abort suspend\n");  
10.         return;  
11.     }  
12.   
13.     entry_event_num = current_event_num;  
14. #ifdef CONFIG_SUSPEND_SYNC_WORKQUEUE  
15.     suspend_sys_sync_queue();  
16. #else  
17.     sys_sync();  
18. #endif  
19.     if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
20.         pr_info("suspend: enter suspend\n");  
21.     getnstimeofday(&ts_entry);  
22.     ret = pm_suspend(requested_suspend_state);  
23.     getnstimeofday(&ts_exit);  
24.   
25.     if (debug_mask & DEBUG_EXIT_SUSPEND) {  
26.         struct rtc_time tm;  
27.         rtc_time_to_tm(ts_exit.tv_sec, &tm);  
28.         pr_info("suspend: exit suspend, ret = %d "  
29.             "(%d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d.%09lu UTC)\n", ret,  
30.             tm.tm_year + 1900, tm.tm_mon + 1, tm.tm_mday,  
31.             tm.tm_hour, tm.tm_min, tm.tm_sec, ts_exit.tv_nsec);  
32.     }  
33.   
34.     if (ts_exit.tv_sec - ts_entry.tv_sec <= 1) {  
35.         ++suspend_short_count;  
36.   
37.         if (suspend_short_count == SUSPEND_BACKOFF_THRESHOLD) {  
38.             suspend_backoff();  
39.             suspend_short_count = 0;  
40.         }  
41.     } else {  
42.         suspend_short_count = 0;  
43.     }  
44.   
45.     if (current_event_num == entry_event_num) {  
46.         if (debug_mask & DEBUG_SUSPEND)  
47.             pr_info("suspend: pm_suspend returned with no event\n");  
48.         wake_lock_timeout(&unknown_wakeup, HZ / 2);  
49.     }  
50. }  

8. Android於標準Linux休眠的區別

      pm_suspend() 雖然用enter_state()來進入標準的Linux休眠流程，但是還是有一些區別：

      當進入凍結進程的時候，android首先會檢查有沒有wake lock，如果沒有，才會停止這些進程，因為在開始suspend和凍結進程期間有可能有人申請了wake lock，如果是這樣，凍結進程會被中斷。

      在suspend_late()中，會最後檢查一次有沒有wake lock，這有可能是某種快速申請wake lock，並且快速釋放這個鎖的進程導致的，如果有這種情況， 這裡會返回錯誤， 整個suspend就會全部放棄。如果pm_suspend()成功了，LOG的輸出可以通過在kernel cmd裡面增加 "no_console_suspend" 來看到suspend和resume過程中的log輸出。