Linux电源管理_wakelocks

Posted 2021-02-05 yooooooo

1. 前言

wakelocks是一个有故事的功能。

wakelocks最初出现在android为linux kernel打的一个补丁集上，该补丁集实现了一个名称为“wakelocks”的系统调用，该系统调用允许调用者阻止系统进入低功耗模式（如idle、suspend等）。同时，该补丁集更改了Linux kernel原生的电源管理执行过程（kernel/power/main.c中的state_show和state_store），转而执行自定义的state_show、state_store。

这种做法是相当不规范的，它是典型的只求实现功能，不择手段。就像国内很多的Linux开发团队，要实现某个功能，都不去弄清楚kernel现有的机制、框架，牛逼哄哄的猛干一番。最后功能是实现了，可都不知道重复造了多少轮子，浪费了多少资源。到此打住，Android的开发者不会这么草率，他们推出wakelocks机制一定有一些苦衷，我们就不评论了。

但是，虽然有苦衷，kernel的开发者可是有原则的，死活不让这种机制合并到kernel分支（换谁也不让啊），直到kernel自身的wakeup events framework成熟后，这种僵局才被打破。因为Android开发者想到了一个坏点子：不让合并就不让合并呗，我用你的机制（wakeup source），再实现一个就是了。至此，全新的wakelocks出现了。

所以wakelocks有两个，早期Android版本的wakelocks几乎已经销声匿迹了，不仔细找还真找不到它的source code（这里有一个链接，但愿读者看到时还有效，drivers/android/power.c）。本文不打算翻那本旧黄历，所以就focus在新的wakelocks上（drivers/power/wakelock.c，较新的kernel都支持）。

2. Android wakelocks

虽说不翻旧黄历了，还是要提一下Android wakelocks的功能，这样才能知道kernel wakelocks要做什么。总的来说，Android wakelocks提供的功能包括：

1. 一个sysfs文件：/sys/power/wake_lock，用户程序向文件写入一个字符串，即可创建一个wakelock，该字符串就是wakelock的名字。该wakelock可以阻止系统进入低功耗模式。
2. 一个sysfs文件：：/sys/power/wake_unlock，用户程序向文件写入相同的字符串，即可注销一个wakelock。
3. 当系统中所有的wakelock都注销后，系统可以自动进入低功耗状态。
4. 向内核其它driver也提供了wakelock的创建和注销接口，允许driver创建wakelock以阻止睡眠、注销wakelock以允许睡眠。

有关Android wakelocks更为详细的描述，可以参考下面的一个链接：

http://elinux.org/Android_Power_Management

3. Kernel wakelocks

3.1 Kernel wakelocks的功能

对比Android wakelocks要实现的功能，Linux kernel的方案是：

1. 允许driver创建wakelock以阻止睡眠、注销wakelock以允许睡眠：已经由“Linux电源管理(7)_Wakeup events framework”所描述的wakeup source取代。
2. 当系统中所有的wakelock都注销后，系统可以自动进入低功耗状态：由autosleep实现（下一篇文章会分析）。
3. wake_lock和wake_unlock功能：由本文所描述的kernel wakelocks实现，其本质就是将wakeup source开发到用户空间访问。

3.2 Kernel wakelocks在电源管理中的位置

相比Android wakelocks，Kernel wakelocks的实现非常简单（简单的才是最好的），就是在PM core中增加一个wakelock模块（kernel/power/wakelock.c），该模块依赖wakeup events framework提供的wakeup source机制，实现用户空间的wakeup source（就是wakelocks），并通过PM core main模块，向用户空间提供两个同名的sysfs文件，wake_lock和wake_unlock。

3.3 /sys/power/wake_lock & /sys/power/wake_unlock

从字面意思上，新版的wake_lock和wake_unlock和旧版的一样，都是用于创建和注销wakelock。从应用开发者的角度，确实可以这样理解。但从底层实现的角度，却完全不是一回事。

Android的wakelock，真是一个lock，用户程序创建一个wakelock，就是在系统suspend的路径上加了一把锁，注销就是解开这把锁。直到suspend路径上所有的锁都解开时，系统才可以suspend。

而Kernel的wakelock，是基于wakeup source实现的，因此创建wakelock的本质是在指定的wakeup source上activate一个wakeup event，注销wakelock的本质是deactivate wakeup event。因此，/sys/power/wake_lock和/sys/power/wake_unlock两个sysfs文件的的功能就是：

写wake_lock（以wakelock name和timeout时间<可选>为参数），相当于以wakeup source为参数调用__pm_stay_awake（或者__pm_wakeup_event），即activate wakeup event；

写wake_unlock（以wakelock name为参数），相当于以wakeup source为参数，调用__pm_relax；

读wake_lock，获取系统中所有的处于active状态的wakelock列表（也即wakeup source列表）

读wake_unlock，返回系统中所有的处于非active状态的wakelock信息（也即wakeup source列表）。

注1：上面有关wakeup source的操作接口，可参考“Linux电源管理(7)_Wakeup events framework”。

这两个sysfs文件在kernel/power/main.c中实现，如下：

   1: #ifdef CONFIG_PM_WAKELOCKS
   2: static ssize_t wake_lock_show(struct kobject *kobj,
   3:                               struct kobj_attribute *attr,
   4:                               char *buf)
   5: {
   6:         return pm_show_wakelocks(buf, true);
   7: }
   8:  
   9: static ssize_t wake_lock_store(struct kobject *kobj,
  10:                                struct kobj_attribute *attr,
  11:                                const char *buf, size_t n)
  12: {
  13:         int error = pm_wake_lock(buf);
  14:         return error ? error : n;
  15: }
  16:  
  17: power_attr(wake_lock);
  18:  
  19: static ssize_t wake_unlock_show(struct kobject *kobj,
  20:                                 struct kobj_attribute *attr,
  21:                                 char *buf)
  22: {
  23:         return pm_show_wakelocks(buf, false);
  24: }
  25:  
  26: static ssize_t wake_unlock_store(struct kobject *kobj,
  27:                                  struct kobj_attribute *attr,
  28:                                  const char *buf, size_t n)
  29: {
  30:         int error = pm_wake_unlock(buf);
  31:         return error ? error : n;
  32: }
  33:  
  34: power_attr(wake_unlock);
  35:  
  36: #endif /* CONFIG_PM_WAKELOCKS */

3.4 pm_wake_lock

pm_wake_lock位于kernelpowerwakelock.c中，用于上报一个wakeup event（从另一个角度，就是阻止系统suspend），代码如下：

   1: int pm_wake_lock(const char *buf)
   2: {
   3:         const char *str = buf;
   4:         struct wakelock *wl;
   5:         u64 timeout_ns = 0;
   6:         size_t len;
   7:         int ret = 0;
   8:  
   9:         if (!capable(CAP_BLOCK_SUSPEND))
  10:                 return -EPERM;
  11:  
  12:         while (*str && !isspace(*str))
  13:                 str++;
  14:  
  15:         len = str - buf;
  16:         if (!len)
  17:                 return -EINVAL;
  18:  
  19:         if (*str && *str != '
') {
  20:                 /* Find out if there's a valid timeout string appended. */
  21:                 ret = kstrtou64(skip_spaces(str), 10, &timeout_ns);
  22:                 if (ret)
  23:                         return -EINVAL;
  24:         }
  25:  
  26:         mutex_lock(&wakelocks_lock);
  27:  
  28:         wl = wakelock_lookup_add(buf, len, true);
  29:         if (IS_ERR(wl)) {
  30:                 ret = PTR_ERR(wl);
  31:                 goto out;
  32:         }
  33:         if (timeout_ns) {
  34:                 u64 timeout_ms = timeout_ns + NSEC_PER_MSEC - 1;
  35:  
  36:                 do_div(timeout_ms, NSEC_PER_MSEC);
  37:                 __pm_wakeup_event(&wl->ws, timeout_ms);
  38:         } else {
  39:                 __pm_stay_awake(&wl->ws);
  40:         }
  41:  
  42:         wakelocks_lru_most_recent(wl);
  43: out:
  44:        mutex_unlock(&wakelocks_lock);
  45:        return ret;
  46: }

1. 输入参数为一个字符串，如"wake_lock_test”，该字符串指定一个wakelock name。
2. 调用capable，检查当前进程是否具备阻止系统suspend的权限。
3. 解析字符串
4. 调用wakelock_lookup_add接口，查找是否有相同name的wakelock。如果有，直接返回wakelock的指针；如果没有，退出。
5. 调用__pm_relax接口，deactive wakelock对应的wakeup source。
6. 调用wakelocks_lru_most_recent接口，将盖wakelock移到wakelocks_lru_list链表的前端（表示它是最近一个被访问到的，和GC有关，后面重点描述）。
7. 调用wakelocks_gc，执行wakelock的垃圾回收动作。

3.6 pm_show_wakelocks

该接口很简单，查询红黑树，返回处于acvtive或者deactive状态的wakelock，如下：

   1: ssize_t pm_show_wakelocks(char *buf, bool show_active)
   2: {
   3:         struct rb_node *node;
   4:         struct wakelock *wl;
   5:         char *str = buf;
   6:         char *end = buf + PAGE_SIZE;
   7:  
   8:         mutex_lock(&wakelocks_lock);
   9:  
  10:         for (node = rb_first(&wakelocks_tree); node; node = rb_next(node)) {
  11:                 wl = rb_entry(node, struct wakelock, node);
  12:                 if (wl->ws.active == show_active)
  13:                         str += scnprintf(str, end - str, "%s ", wl->name);
  14:         }
  15:         if (str > buf)
  16:                 str--;
  17:  
  18:         str += scnprintf(str, end - str, "
");
  19:  
  20:         mutex_unlock(&wakelocks_lock);
  21:         return (str - buf);
  22: }

1. 遍历红黑树，拿到wakelock指针，判断其中的wakeup source的active变量，如果和输入变量（show_active)相符，将该wakelock的名字添加在buf中。
2. 调整buf的长度和结束符，返回长度值。

3.7 wakelocks的垃圾回收机制

由上面的逻辑可知，一个wakelock的生命周期，应只存在于wakeup event的avtive时期内，因此如果它的wakeup source状态为deactive，应该销毁该wakelock。但销毁后，如果又产生wakeup events，就得重新建立。如果这种建立->销毁->建立的过程太频繁，效率就会降低。

因此，最好不销毁，保留系统所有的wakelocks（同时可以完整的保留wakelock信息），但如果wakelocks太多（特别是不活动的），将会占用很多内存，也不合理。

折衷方案，保留一些非active状态的wakelock，到一定的时机时，再销毁，这就是wakelocks的垃圾回收（GC）机制。

wakelocks GC功能可以开关（由CONFIG_PM_WAKELOCKS_GC控制），如果关闭，系统会保留所有的wakelocks，如果打开，它的处理逻辑也很简单：

1. 定义一个list head，保存所有的wakelock指针，如下：

   1: static LIST_HEAD(wakelocks_lru_list);
   2: static unsigned int wakelocks_gc_count;

1. 在wakelock结构中，嵌入一个list head（lru），用于挂入wakelocks_lru_list。可参考3.4小节的描述。

2. wakelocks_lru_list中的wakelock是按访问顺序排列的，最近访问的，靠近head位置。这是由3种操作保证的：

a）wakelock创建时（见3.4小节），调用wakelocks_lru_add接口，将改wakelock挂到wakelocks_lru_list的head处（利用list_add接口），表示它是最近被访问的。

b）pm_wake_lock或者pm_wake_unlock时，调用wakelocks_lru_most_recent接口，将该wakelcok移到链表的head处，表示最近访问。

c）每当pm_wake_unlock时，调用wakelocks_gc，执行wakelock的垃圾回收动作。wakelocks_gc的实现如下：

  1: static void wakelocks_gc(void)
   2: {
   3:         struct wakelock *wl, *aux;
   4:         ktime_t now;
   5:  
   6:         if (++wakelocks_gc_count <= WL_GC_COUNT_MAX)
   7:                 return;
   8:  
   9:         now = ktime_get();
  10:         list_for_each_entry_safe_reverse(wl, aux, &wakelocks_lru_list, lru) {
  11:                 u64 idle_time_ns;
  12:                 bool active;
  13:  
  14:                 spin_lock_irq(&wl->ws.lock);
  15:                 idle_time_ns = ktime_to_ns(ktime_sub(now, wl->ws.last_time));
  16:                 active = wl->ws.active;
  17:                 spin_unlock_irq(&wl->ws.lock);
  18:  
  19:                 if (idle_time_ns < ((u64)WL_GC_TIME_SEC * NSEC_PER_SEC))
  20:                         break;
  21:  
  22:                 if (!active) {
  23:                         wakeup_source_remove(&wl->ws);
  24:                         rb_erase(&wl->node, &wakelocks_tree);
  25:                         list_del(&wl->lru);
  26:                         kfree(wl->name);
  27:                         kfree(wl);
  28:                         decrement_wakelocks_number();
  29:                 }
  30:         }
  31:         wakelocks_gc_count = 0;
  32: }

1）如果当前wakelocks的数目小于最大值（由WL_GC_COUNT_MAX配置，当前代码为100），不回收，直接返回。

2）否则，从wakelocks_lru_most_recent的尾部（最不活跃的），依次取出wakelock，判断它的idle时间（通过wakeup source lst_time和当前时间计算）是否超出预设值（由WL_GC_TIME_SEC指定，当前为300s，好长），如果超出且处于deactive状态，调用wakeup_source_remove，注销wakeup source，同时把它从红黑树、GC list中去掉，并释放memory资源。