前言
- 待机、睡眠与休眠的区别？
- Android开发者官网当中提到“idle states”，该如何理解，这个状态会对设备及我们的程序造成何种影响？
- 进入Doze模式中的idle状态，我们的程序还能运行吗？
- 手机睡眠之后，为何我们写Alarm程序、来电显示程序依旧会生效？
如果你也有以上疑问，那么本文会对你解开疑惑有一定的帮助
ACPI简介
要理解第一个问题，得先从ACPI（高级配置与电源接口）说起，ACPI是一种规范（包含软件与硬件），用来供操作系统应用程序管理所有电源接口。
ACPI将计算机系统的状态划分为四个全局状态（G0-G3），共7个状态，其中G0对应S0;G1将低功耗状态细分为四个状态，对应S1-S4;G2、G3代表关机状态分别对应S5、S6。
| ACPI State | Description |
|---|---|
| S0 | 正常工作状态 |
| S1 | CPU与RAM供电正常，但CPU不执行指令 |
| S2 | 比S1更深的一个睡眠层次，这种模式通常不采用 |
| S3 | 挂起到内存 |
| S4 | 挂起到硬盘 |
| S5 | Soft Off，CPU、外设等断电，但电源依旧会为部分极低耗设备供电 |
| S6 | Mechanical Off，全部断电 |
这里只需要对ACPI的七个状态有个大致了解即可，下一节会有具体的例子来说明各个状态。
Linux系统电源状态
在Linux操作系统中，将电源划分为如下几个状态：
| ACPI | State | Linux State Description |
|---|---|---|
| S0 | On(on) | Working |
| S1 | Standby(standby) | CPU and RAM are powered but not executed |
| S2 | ------ | ------ |
| S3 | Suspend to RAM（mem) | CPU is Off,RAM is powered and the running content is saved to RAM |
| S4 | Suspend to Disk(disk) | All content is saved to Disk and power down |
| S5 | Shutdown | Shutdown the system |
On：正常工作状态
STR(Suspend to RAM):
挂起到内存，俗称待机、睡眠（Sleep），进入该状态，系统的主要工作如下：
1、将系统当前的运行状态等数据保存在内存中，此时仍需要向RAM供电，以保证后续快速恢复至工作状态
2、冻结用户态的进程和内核态的任务（进入内核态的进程或内核自己的task）
3、关闭外围设备，如显示屏、鼠标等,中断唤醒外设不会关闭，如电源键
4、CPU停止工作
Standby也属于睡眠的一种方式，属于浅睡眠。该模式下CPU并未断电，依旧可以接收处理某些特定事件，视具体设备而定，恢复至正常工作状态的速度也比STR更快，但也更为耗电。举个例子来说，以该方式进入睡眠时，后续通过点击键盘也能将系统唤醒。而以mem进入的睡眠为深度睡眠，只能通过中断唤醒设备唤醒系统，如电源键(此时按电源键，不会经过正常的开机流程的BIOS、BOOTLOAD等)，此时按键盘是无法唤醒系统的。
STD(Suspend to Disk):
挂起到硬盘，俗称休眠（Hibernation）将系统当前的运行状态等数据保存到硬盘上，并自动关机。下次开机时便从硬盘上读取之前保存的数据，恢复到休眠关机之前的状态。
譬如在休眠关机时，桌面打开了一个应用，那么下一次开机启动时，该应用也处于打开状态。而正常的关机-开机流程，该应用是不会打开的。
Linux内核代码声明如下,位于kernel/power/suspend.c
在新版内核中，进程freeze的功能被单独抽离出来作为一个电源状态，该状态仅仅是冻结进程，并不会使系统进入低功耗状态（如切断CPU时钟源、关闭外设供电等）。
相关宏定义位于：linux/include/linux/suspend.h
其中状态4就是STD，所谓的休眠状态（Hibernation）
小结：
至此，我们可以知道，睡眠与休眠是2个不同的概念，睡眠属于STR，而休眠属于STD，切勿混为一谈。
网上也有很多关于“Android休眠”的文章，事实上，Android手机压根儿就不支持休眠模式。
查看Linux支持的电源模式
#查看系统支持的电源模式
$ cat /sys/power/state
#休眠系统命令
$ sudo pm-hibernate
看来Ubuntu-17.0.4版本是不支持休眠功能了，state当中并没有disk，执行休眠命令也提示找不到。
在公司测试Ubuntu-16.0.4是支持休眠的，休眠时会将当前RAM中的数据保持至swap分区，以供后续恢复。
查看Android支持的电源模式
这里我使用的是模拟器查看的，真机也一样，Android手机是不支持休眠模式的，休眠模式需要一块与RAM大小一致存储空间，这在移动设备上可是个不小的开销。
Idle State
Android上的Idle状态分为二类：Cpu Idle和Device Idle
Cpu Idle
Linux系统运行的基础是基于进程调度，实际上内核调度的线程（task），内核并不会区分线程与进程，都将他们当做一个线程（task）来处理；当所有的进程都没事儿干的时候，系统就会启用idle进程，使系统进入低功耗状态（如关闭一些服务、模块功能，降低CPU工作频率等），即idle状态，以达到省电的目的。
idle状态又可以划分为不同的层级，以MTK的芯片为例，通常划分为以下几个状态:
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| soidle（screen on idle） | 亮屏 Idle 模式，该模式下与正常工作状态差别不大，唯一的区别就cpu处于空闲状态 |
| rgidle | 浅度 Idle 模式，cpu处于 WFI（wait for interrupt），屏幕熄灭，同时关闭一些不需要的服务及模块，注意此状态cpu的时钟源与RTC模块是工作正常的，此时是可以通过TimerTask的定时触发激活系统的，TimerTask依赖于CPU的RTC模块，而Alarm则依赖于PMIC的RTC模块 |
| dpidle(deep idle) | 深度idle模式，该模式下cpu的时钟源和hrtimer（高精度定时器模块（RTC））被关闭，所有进程（包括系统进程）被冻结，即进入上文所述的睡眠状态 |
idle进程是由原始进程（pid=0）在初始化init进程（pid=1）之后演变而来，可以说是init进程的祖先，关于其详细介绍可参考如下链接：
Linux Idle基础
CPUIDLE 之低功耗定时器
Device Idle
Device Idle属于Doze模式中概念，即指当手机屏幕熄屏、不充电、静置不动,有网友分析了源码，指出6.0手机需要静置1时4分30秒才能进入Doze模式。
| Doze模式的限制 | |
|---|---|
| 网络接入被暂停 | |
| 系统忽略wake locks | |
| 标准的AlarmManager | alarms（包括setExact()和setWindow()）被延缓到下一个maintenance window |
| 如果你需要在Doze状态下启动设置的alarms，使用setAndAllowWhileIdle()或者setExactAndAllowWhileIdle()。当有setAlarmClock()的alarms启动时，系统会短暂退出Doze模式 | |
| 系统不会扫描Wi-Fi | |
| 系统不允许sync adapters运行 | |
| 系统不允许JobScheduler运行 |
结合上文分析的cpu idle不难发现Doze模式中的idle状态在概念属于浅idle状态，只是关闭了一些特定服务和模块，并非立即进入睡眠，当然这个过程当中依旧有可能满足睡眠条件而进入睡眠状态，至于如何进入请参考下文【睡眠触发入口】一节。
Android Doze模式源码分析
Android电源管理框架
Android采用linux内核，所以电源状态整体上是与linux操作系统相同，下图是Android的电源管理框架：
WakeLock
唤醒锁，一种锁机制，用于阻止系统进入睡眠状态，只要有应用获取到改锁，那么系统就无法进入睡眠状态。
该机制起初是早期Android为Linux内核打得一个补丁，并想合入到linux内核，但被Linux社区拒绝，后续Linux内核引入自己的Wakelock机制,Android系统也使用的是linux的Wakelock机制，所以该机制并非Android特有的机制。
Android系统提供了两种类型的锁，每一个类型又可分为超时锁与普通锁，超时锁，超时会自动释放，而普通锁则必需要手动释放：
| 类型 | 描述 |
|---|---|
| WAKE_LOCK_SUSPEND | 阻止系统进入睡眠状态（STR） |
| WAKE_LOCK_IDLE | 阻止系统从idle进程进入那些具有较大中断时延、禁用了较多中断源的低功耗状态（睡眠除外），持有该类型的锁，不影响系统进入睡眠状态。自Android API-17（对应android linux内核版本3.4）移除了该类型的唤醒锁。 |
中断时延：计算机接收到中断信号到操作系统作出响应，并完成转入中断服务程序(ISR)的时间。
内核当中关于WakeLock的主要源码位于：
kernel_common/include/linux/wakelock.h
kernel_common/kernel/power/wakelock.c
Android Linux内核3.0版本
Android Linux内核3.4版本
应用层提供的锁类型如下，这些锁都需要手动释放：
| FLAG | CPU | 屏幕 | 键盘 |
|---|---|---|---|
| PARTIAL_WAKE_LOCK | 开启 | 关闭 | 关闭 |
| SCREEN_DIM_WAKE_LOCK | 开启 | 变暗 | 关闭 |
| SCREEN_BRIGHT_WAKE_LOCK | 开启 | 变亮 | 关闭 |
| FULL_WAKE_LOCK | 开启 | 变亮 | 变亮 |
锁的释放
Linux3.4内核中摒弃了之前的wakelock机制，引入wakeup source机制来进行睡眠管理，为了保证上层接口不变，Android的Linux内核便将wakeup source包装成wakelock，WakeLock的数据结构如下：
wakelock数据结构
当我们应用层释放锁之后，它并不会马上消失。wakelock分为激活和非激活状态，非激活状态300S之内，无人在申请wakelock，那么它将从红黑二叉树，LRU链表当中删除，如此便可复用锁，节省系统开销。
睡眠触发入口
在wakelock中，有3个地方可以让系统从early_suspend进入suspend状态。
wake_unlock，系统每释放一个锁，就会检查是否还存其他激活的wakelock，若不存在则执行Linux的标准suspend流程进入睡眠状态
在超时锁的超时回调函数，判断是否存在其他激活的wakelock，若不存在，则进入睡眠状态
autosleep机制，android 4.1引入该机制，亮屏时会向autosleep节点写入off，熄屏则会写入mem。Android一灭屏，就会尝试进入睡眠，失败之后系统处于idle进程超过一定时间，则又尝试进入睡眠，判断标准同上，若存在wakelock则进入失败
关于autosleep机制的内核源码分析，可以参考如下文章：
Android autosleep机制
Early Suspend
预挂起机制是Android特有的挂起机制， 这个机制作用是关闭一些与显示相关的外设，比如LCD背光、重力感应器、 触摸屏，但是其他外设如WIFI、蓝牙等模块等并未关闭。
此时，系统依旧可以处理事件，如音乐播放软件，息屏后依旧能播放音乐。
需要注意的是Early Suspend机制与WakeLock机制相互独立，就算有应用持有wakelock锁，系统依旧可以通过Early Suspend机制关闭与显示相关的外设。
注意：
Android 4.4起，也就是引入ART的版本，摒弃了early suspend机制，改用了fb event通知机制，即后续版本只有suspend、resume以及runtime suspend、runtime resume。
Late Resume
迟唤醒机制，用于唤醒预挂起的设备
睡眠状态转换
一般情况下，当我们息屏后，系统将先通过Early Suspend机制进入Idle状态，如果满足进入睡眠的条件（没有进程持有唤醒锁）则会通过Linux的Suspend机制进入Sleep(睡眠)状态。
内核源码流程分析可参考如下文章：
源码位于kernel_common/kernel/power/main.c：
Android中休眠与唤醒之wake_lock, early_suspend, late_resume
看到这儿，不知你是否疑问，既然系统睡眠了，CPU断电不执行指令了，为何我们定的Alarm会生效以及能接收到来电？
手机来电与Alarm为何能唤醒系统
原来Android在硬件架构上将处理器分为二类：Application Processor（AP）和Baseband Processor（BP），AP是ARM架构的处理器，用于运行Linux+Android系统，耗电量高；BP用于运行实时操作系统（RTOS），用于处理手机通信，耗电量低。
当AP进入睡眠，有来电时，Modem（调制解调器）将唤醒AP；而我们平时所用的Alarm在硬件上则是依赖PMIC（电源管理芯片）中的RTC模块，所以即使AP断电进入睡眠，我们定的闹钟依旧会生效。
若想更深入的了解，则可参考Android RIL机制相关的文章。
总结
- 待机、睡眠与休眠的区别
实际上待机（standby）与睡眠（mem）属于不同模式，但现在大多操作系统都不支持待机模式了，我们也习惯将待机等同于睡眠，睡眠属于STR，休眠属于STD，Android手机不支持休眠！！！
- Android开发者官网当中提到“idle state”，该如何理解，这个状态会对设备及我们的程序造成何种影响
所谓的idle状态，就是指系统进入某个低功耗状态，以MTK为例，常见的状态有soidle、rgidle以及dpidle。rgidle只是限制我们程序使用某些模块，如Doze模式中不能访问网络；而dpidle则会冻结所有进程，系统进入睡眠。
- 进入Doze模式中的idle状态，我们的程序还能运行吗？
Doze模式中的idle概念上属于rgidle状态，此时我们的程序是能运行的，只是不能访问网络等，但是在这个过程中，系统可能会满足进入睡眠条件，冻结所有进程，这样我们的程序就不会得到执行。
可以自己写个死循环的线程(普通线程，非looper线程)，强制手机进入Doze的idle模式，你会发现你的程序依旧在执行，但是静置在哪儿一段时间后，你会发现你的线程被冻结，不会执行，当你点亮屏幕，你的线程又会继续工作。
- 手机睡眠之后，为何我们写Alarm程序、来电显示程序依旧会生效？
Android在硬件架构上将处理器分为AP与BP，应用程序运行与AP之中，睡眠只是将AP断电，BP（Modem）不会断电，当有来电时，BP将会唤醒AP。
Alarm在硬件上依赖的是Modem中的PMIC的RTC模块，而不是AP中的RTC模块，当定时器触发时，可以唤醒AP，使我们的Alarm程序依旧会得到执行