电源 | PowerManagerService框架解析

作者: 力卉编程 | 来源:发表于2019-12-28 16:34 被阅读0次

一、电源管理框架

PowerManagerServcie是android系统电源管理的核心服务，它在Framework层建立起一个策略控制方案，向下决策HAL层以及kernel层来控制设备待机状态，控制显示屏，背光灯，距离传感器，光线传感器等硬件设备的状态。向上提供给应用程序相应的操作接口，比如听音乐时持续保持系统唤醒，应用通知来临唤醒手机屏幕等场景等，PMS也是系统的核心服务，Android的电源管理主要是通过wakelock机制来管理系统的状态，整个android电源管理，可以分为如下四个层次：

应用接口层（PowerManager.java）
　　PowerManager中开放给应用一系列接口，应用可以调用PM的接口申请wakelock，唤醒系统，或使系统进入睡眠等操作；
Framework层（PowerManagerService.java）
　　应用调用PowerManager开放的接口，来对系统进行一些列的操作是在PowerManagerService中完成的，PowerManagerService计算系统中和Power 相关的计算，是整个电源管理的决策系统。同时协调Power如何与系统其它模块的交互，比如亮屏，暗屏，系统睡眠，唤醒等等；
HAL层（Power.c）
　　该层只有一个power.c文件，该文件通过上层传下来的参数，向/sys/power/wake_lock 或者/sys/power/wake_unlock文件节点写数据来与kernel进行通信，主要功能是申请/释放锁，维持屏幕亮灭；
内核层（kernel/Power）
　　内核层实现电源管理的方案主要包含三个部分：
　　（１）Kernel/power/：实现了系统电源管理框架机制；
　　（２）Arch/arm(ormips or powerpc)/mach-XXX/pm.c：实现对特定板的处理器电源管理；
　　（３）drivers/power：是设备电源管理的基础框架，为驱动提供了电源管理接口。

电源管理的框架

二、电源管理服务PowerManagerService

PowerServiceManager启动流程
　　PowerManagerService是在SystemServer中创建的，其中在SystemServer在系统启动的时候会启动三类服务：引导关键服务、核心服务和其他服务，PowerManagerService是作为一个核心服务加入到ServiceManager中，启动服务的方式如下：
　　startBootstrapServices(); //启动引导服务
　　startCoreServices();//启动核心服务
　　startOtherServices();//其他服务
（1）核心服务创建以后，PowerServiceManager的服务随之创建（SystemServer.java）：
　　mPowerManagerService =
　　　　　　　　mSystemServiceManager.startService(PowerManagerService.class);
　　　　　　　　
（２）startService方法（SystemServiceManager.java ）：
　　public T startService(Class serviceClass) {
　　mServices.add(service); //注册服务到服务列表中去
　　 ervice.onStart();//启动服务
　　 return service;//返回启动的服务
　　}
　　在startService方法中，利用反射方法构造PowerManagerService的对象，将它添加到本地service变量中，然后调用了PowerManagerService的onStart方法。

（３）PowerManagerService构造方法（PowerManagerService.java）

    public PowerManagerService(Context context) {
    　　//创建一个HandlerThread，并启动  
        mHandlerThread = new ServiceThread(TAG,
                Process.THREAD_PRIORITY_DISPLAY, false /*allowIo*/);
        mHandlerThread.start();
        //基于这个HandlerThread创建相关的Handler对象，用于向handlerThread中发送消息
        mHandler = new PowerManagerHandler(mHandlerThread.getLooper());
        synchronized (mLock) {
            mWakeLockSuspendBlocker = 
                createSuspendBlockerLocked("PowerManagerService.WakeLocks");
            mDisplaySuspendBlocker = 
                createSuspendBlockerLocked("PowerManagerService.Display");
            mDisplaySuspendBlocker.acquire();
            //调用native层初始化  
            nativeInit();
            nativeSetAutoSuspend(false);
            nativeSetInteractive(true);
            nativeSetFeature(POWER_FEATURE_DOUBLE_TAP_TO_WAKE, 0);
        }
   }

在PowerManagerService的构造函数创建了一个消息发送和处理的Handler和两种WakeLock锁：
　　　　a、PowerManagerService.WakeLocks，主要用于控制CPU的唤醒；
　　　　b、PowerManagerService.Display 主要用于控制屏幕的点亮和熄灭；
（４）PowerManagerService的Onstart方法：
　　在PowerManagerService的Onstart方法中：

    public void onStart() {
        publishBinderService(Context.POWER_SERVICE, new BinderService());
        publishLocalService(PowerManagerInternal.class, new LocalService());

        Watchdog.getInstance().addMonitor(this);
        Watchdog.getInstance().addThread(mHandler);
    }

Onstart完成的工作就是将POWER_SERVICE作为Binder的服务端，注册到SystemService中去；将PowerManagerInternal注册到本地服务中，将自己加到watchdog的监控队列中去;将之前在构造函数中创建的mHandler对象加入到watchdog的中，用于监视mHandler的looper是否空闲。
（4）系统准备工作：
　　在PowerManagerService创建之后会调用systemReady做一些初始化相关的操作，获取与PowerManager相关的本地服务：

public void systemReady(IAppOpsService appOps) {  
        synchronized (mLock) {  
            //第一步:初始化相关的变量  
            mSystemReady = true;  
            mAppOps = appOps;  
            mDreamManager = getLocalService(DreamManagerInternal.class);  
            //初始化互动屏保管理  
            mDisplayManagerInternal = getLocalService(DisplayManagerInternal.class);  
            //初始化屏幕显示管理服务  
            mPolicy = getLocalService(WindowManagerPolicy.class);  
            mBatteryManagerInternal = getLocalService(BatteryManagerInternal.class);  
            //初始化电池管理服务  
  
            PowerManager pm = (PowerManager) 
                        mContext.getSystemService(Context.POWER_SERVICE);  
            mScreenBrightnessSettingMinimum = pm.getMinimumScreenBrightnessSetting();  
            mScreenBrightnessSettingMaximum = pm.getMaximumScreenBrightnessSetting();  
            mScreenBrightnessSettingDefault = pm.getDefaultScreenBrightnessSetting();  
            //获取屏幕的亮度值，最大亮度，最小亮度，默认亮度  
            SensorManager sensorManager = new SystemSensorManager
                            (mContext, mHandler.getLooper());  
            //获取传感器管理服务  
            mBatteryStats = BatteryStatsService.getService();  
            //初始化电量统计服务  
            mNotifier = new Notifier(
                Looper.getMainLooper(), 
                mBatteryStats,mAppOps, 
                createSuspendBlockerLocked("PowerManagerService.Broadcasts"),  
                mPolicy);  
  
            mWirelessChargerDetector = new WirelessChargerDetector(sensorManager,  
            createSuspendBlockerLocked
                        ("PowerManagerService.WirelessChargerDetector"),mHandler);  
            mSettingsObserver = new SettingsObserver(mHandler);  
            //settings的监听器  
            mLightsManager = getLocalService(LightsManager.class);  
            //LED指示灯管理服务  
            mAttentionLight = 
                mLightsManager.getLight(LightsManager.LIGHT_ID_ATTENTION);  
  
            // 初始化屏幕显示服务  
            mDisplayManagerInternal.initPowerManagement(  
                    mDisplayPowerCallbacks, mHandler, sensorManager);  
            //第二步:注册相关的BroadCastReceiver  
            IntentFilter filter = new IntentFilter();  
            filter.addAction(Intent.ACTION_BATTERY_CHANGED);  
            filter.setPriority(IntentFilter.SYSTEM_HIGH_PRIORITY);  
            mContext.registerReceiver(new BatteryReceiver(), filter, null, mHandler);  
            //注册电池变化的接收器  
            filter = new IntentFilter();  
            filter.addAction(Intent.ACTION_DREAMING_STARTED);  
            filter.addAction(Intent.ACTION_DREAMING_STOPPED);  
            mContext.registerReceiver(new DreamReceiver(), filter, null, mHandler);  
            //注册屏保开始和结束的接收器  
            filter = new IntentFilter();  
            filter.addAction(Intent.ACTION_USER_SWITCHED);  
            mContext.registerReceiver
                    (new UserSwitchedReceiver(), filter, null, mHandler);  
            //注册切换用户的接收器  
            filter = new IntentFilter();  
            filter.addAction(Intent.ACTION_DOCK_EVENT);  
            mContext.registerReceiver(new DockReceiver(), filter, null, mHandler);  
              
            //第三步.注册设置变化的监听器  
            final ContentResolver resolver = mContext.getContentResolver();  
            resolver.registerContentObserver(Settings.Secure.getUriFor(  
                    Settings.Secure.SCREENSAVER_ENABLED),  
                    false, mSettingsObserver, UserHandle.USER_ALL);  
              
            ……  
            resolver.registerContentObserver(Settings.Secure.getUriFor(  
                    Settings.Secure.DOUBLE_TAP_TO_WAKE),  
                    false, mSettingsObserver, UserHandle.USER_ALL);  
            //双击唤醒屏幕  
            // 第四步: 从文件读取默认的配置信息  
            readConfigurationLocked();  
            //读取设置信息，并更新相关的变量  
            updateSettingsLocked();  
            // 第五步  
            mDirty |= DIRTY_BATTERY_STATE;  
            //更新电源的相关信息  
            updatePowerStateLocked();  
        }  
    }

SystemReady所完成的工作如下：
　　－获取与PowerManagerServcie相关的系统服务以及本地服务；
　　－获取屏幕最大，最小以及默认亮度值；
　　－创建SensorManager 对象，用于和SensorService交互；
　　－创建Notifier对象，用于通知系统中电源状态的改变；
　　－调用DisplayManagerService的initPowerManagement()方法来初始化Power显示模块。
　　－注册SettingsObserver监听系统设置的变化。
整体框架流程图如下：

流程图

（５）PowerManager相关接口：
　　PowerManager向应用提供了相应的接口，以供应用程序调用，来改变系统待机状态，屏幕状态，屏幕亮度等，PowerManager是PowerManagerService的代理类，PowerManager向上层应用提供交互的接口，具体的处理工作在PowerManagerService中完成。下面介绍PowerManager中提供的相应接口作用：
ａ、Wakeup()：
　　强制系统从睡眠状态唤醒，此接口对应用是不开放的，应用想唤醒系统必须通过设置亮屏标志；
ｂ、gotoSleep()：
　　强制系统进入到睡眠状态，此接口也是应用不开放；
ｃ、userActivity()：
　　向PowerManagerService报告影响系统休眠的用户活动，重计算灭屏时间，背光亮度等，例如触屏，划屏，power键等用户活动；
ｄ、Wakelock：
　　wakelock是PowerManager的一个内部类，提供了相关的接口来操作wakelock锁，比如newWakeLock()方法来创建wakelock锁，acquire()和release()方法来申请和释放锁；
ｅ、isDeviceIdleMode()：
　　返回设备当前的状态，如果处于Idle状态，则返回true，Idle状态是在手机长时间没有被使用以及没有运动的情况下，手机进入到一种Doze低功耗的模式下，这种状态下手机可能会关掉网络数据访问，可以通过监视DEVICE_IDLE_MODE_CHANGED这个广播信息，来监控手机状态的改变。

三、系统唤醒wakeup/睡眠goToSleep
1、PowerManager的wakeup接口，可供应用程序调用，来强制唤醒系统，如果该设备处于睡眠状态，调用该接口会立即唤醒系统，比如按Power键，来电，闹钟等场景都会调用该接口。PowerManager的wakeup接口属性是@hide的，所以对于上层应用是不可见的，上层应用要唤醒系统大都依靠两种方式：
　　（１）在应用启动Activity时候设置相应的window的flags，通过WMS来唤醒系统；
　　（２）在应用申请wakelock锁时附带ACQUIRE_CAUSES_WAKEUP标志。

 /**
     * @hide
     */
    public void wakeUp(long time, String reason) {
        try {
            mService.wakeUp(time, reason, mContext.getOpPackageName());
        } catch (RemoteException e) {
            throw e.rethrowFromSystemServer();
        }
    }

在wakeUp中调用PowerManagerService的wakeUp方法如下：

public void wakeUp(long eventTime, String reason, String opPackageName) {
            if (eventTime > SystemClock.uptimeMillis()) {
                throw new IllegalArgumentException
                    ("event time must not be in the future");
            }
            //检查android.Manifest.permission.DEVICE_POWER的权限
            mContext.enforceCallingOrSelfPermission(
                    android.Manifest.permission.DEVICE_POWER, null);

            final int uid = Binder.getCallingUid();
            final long ident = Binder.clearCallingIdentity();
            try {
            　　//调用自身的wakeUpInternal接口
                wakeUpInternal(eventTime, reason, uid, opPackageName, uid);
            } finally {
                Binder.restoreCallingIdentity(ident);
            }
        }

在wakeUpInternal中，通过wakeUpNoUpdateLocked来做唤醒系统的相关通知工作，最后调用PowerManagerService的核心接口updatePowerStateLocked来更新电源状态，从而完成亮屏前的图形绘制工作及亮屏动作。

    private void wakeUpInternal(long eventTime, String reason, int uid, String opPackageName,
            int opUid) {
        synchronized (mLock) {
            if (mIPOShutdown && reason != PowerManager.WAKE_UP_REASON_SHUTDOWN)
                return;
            if (wakeUpNoUpdateLocked(eventTime, reason, uid, opPackageName, opUid)) {
                updatePowerStateLocked();
            }
        }
    }

wakeup调用流程

调用流程

系统睡眠goToSleep
　　PowerManager的gotoSleep()接口是@hide属性，因此对于上层应用是不开放的，设备强制进入睡眠状态，在处理一些灭屏按键事件时，会通过WMS来调用PowerManager的gotoSleep接口，一般在系统一段时间没有被操作时，系统将会自动调用gotoSleep函数，让其进入到睡眠模式；与wakeup唤醒一样，PowerManager的gotoSleep()在PowerManagerService中处理，PMS中的gotoSleep()首先检查调用者是否拥有android.Manifest.permission.DEVICE_POWER权限。然后调用到goToSleepInternal()中处理：

/**
     * @hide Requires signature permission.
     */
    public void goToSleep(long time, int reason, int flags) {
        try {
        　　 //调用PMS的goToSleep方法
            mService.goToSleep(time, reason, flags);
        } catch (RemoteException e) {
            throw e.rethrowFromSystemServer();
        }
    }

  public void goToSleep(long eventTime, int reason, int flags) {
            //检测权限android.Manifest.permission.DEVICE_POWER的权限
            ...
            goToSleepInternal(eventTime, reason, flags, uid);
        }
  private void goToSleepInternal(long eventTime, int reason, int flags, int uid) {
        synchronized (mLock) {
            if (mProximityPositive && reason ==
                 PowerManager.GO_TO_SLEEP_REASON_POWER_BUTTON) {
                mDirty |= DIRTY_WAKEFULNESS;
                mWakefulness = WAKEFULNESS_ASLEEP;
                updatePowerStateLocked();
                return;
            }

            if (goToSleepNoUpdateLocked(eventTime, reason, flags, uid)) {
                updatePowerStateLocked();//PMS核心
            }
        }
    }

系统睡眠唤醒策略wakelock
　　Android设备的休眠和唤醒主要基于WakeLock机制。WakeLock是一种上锁机制，只要有进程获得了WakeLock锁系统就不会进入休眠。例如，在下载文件或播放音乐时，即使休眠时间到了，系统也不能进行休眠。WakeLock可以设置超时，超时后会自动解锁。
　　应用使用WakeLock功能前，需要先使用new WakeLock()接口创建一个WakeLock类对象，然后调用它的acquire()方法禁止系统休眠，应用完成工作后调用release()方法来恢复休眠机制，否则系统将无法休眠，直到耗光所有电量。WakeLock类中实现acquire()和release()方法实际上是调用了PowerManagerService的acquireWakeLock()和releaseWakeLock()方法。updatePowerStateLocked为PowerManagerService的核心函数；在执行完申请锁，释放锁，用户事件，强制唤醒/睡眠等操作都需要调用updatePowerStateLocked()来更新电源状态。

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一、电源管理框架

wakeup调用流程

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