浅谈Android系统的电量统计机制

背景

为了完善产品的工具属性，进行了Android统计电量相关特性的调研。

提出问题

Android 对于每个进程电量是如何统计的
第三方app如何读取系统的电量数据呢

解决问题

问题1 ： Android如何计算电量

主要分为软件层与硬件层
先看软件层的计算规则：
软件层的电量是以Uid为单位统计的，分别计算每一个Uid的如下几项(源代码代码位于com.android.settings.fuelgauge.BatteryStatsHelper 的processAppUsage 接口）

process cpu time

SpeedStep 机制可以动态调整CPU频率，当CPU使用率低下或接近零的时候动态降低CPU的倍率，令其工作频率下降，从而降低电压、功耗以及发热；而一旦监测到CPU使用率很高的时候，立即恢复到原始的速率工作
--引自百度百科

//Returns the number of speeds that the CPU can be run at. 
final int speedSteps = mPowerProfile.getNumSpeedSteps();  
//存储不同频率下的平均电流值（mA）
 final double[] powerCpuNormal = new double[speedSteps]; 
final long[] cpuSpeedStepTimes = new long[speedSteps];
 for (int p = 0; p < speedSteps; p++)
 {
 powerCpuNormal[p] = mPowerProfile.getAveragePower(PowerProfile.POWER_CPU_ACTIVE, p); 
}  
//cpu 耗电 计算部分 
for (int step = 0; step < speedSteps; step++) 
{ 
double ratio = (double) cpuSpeedStepTimes[step] / totalTimeAtSpeeds; 
processPower += ratio * tmpCpuTime * powerCpuNormal[step]; 
}

从而不难理解
计算公式： power = CPU每个频率等级下工作的时间比例 / CPU工作总时间 * 应用运行总时间

process wake lock usage

计算公式 ：power = wakelockTime *averagePower(POWER_CPU_AWAKE)

Add cost of mobile traffic （*注：R:receive(接收) T: transmit (传输) 下同 *)

计算公式 ：
power=(mobileRx + mobileTx) * mobilePowerPerByte

Add cost of wifi traffic

计算公式： power = (wifiRx + wifiTx) * wifiPowerPerByte;

Add cost of keeping WIFI running.

计算公式: power = wifiRunningTimeMs * averagePower(POWER_WIFI_ON)

Add cost of WIFI scans wifi

计算公式：power = wifiScanTimeMs * averagerPower(POWER_WIFI_SCAN)

Process Sensor usage 计算uid的每个传感器的耗电

计算公式 : power = averagePower(不同传感器的耗电) * sensorTime

硬件层主要包括如下几项：

通话时间

计算公式
power = phoneOnTimeMs * averagerPower(POWER_RADIO_ACTIVE)

待机耗电

计算公式 ：
power = idleTimeMs * averagePower(POWER_CPU_IDLE)

wifi 开启时的耗电量

计算公式：
power = runningTimeMs * averagePower(POWER_WIFI_ON) + wifi uid 耗电

蓝牙耗电量

计算公式：power = btOnTimeMs * averagePower(POWER_BLUETOOTH_ON) + btPingCount * averagePower(POWER_BLUETOOTH_AT_CMD)+ bluetooth uid 耗电

手机基站信号耗电量

手机信号有五个信号强度，耗电量是每个信号强度的耗电量的累加。
计算公式：power = strengthTimeMs * averagePower(POWER_RADIO_ON) + scanningTimeMs * averagePower（POWER_RADIO_SCANNING）

屏幕耗电

计算公式 :
power = screenOnTimeMs * averagePower(POWER_SCREEN_ON) + brightnessTime（不同亮度的时间）* screenBinPower(不同亮度的电流强度)

问题2：如何访问系统的电量的数据

通过阅读Settings.apk的源代码发现电量的接口主要依赖于以下几个类参考为Kitkat 版本源码

com.android.server.am.BatteryStatsService
com.android.internal.os.BatteryStatsImpl
com.android.internal.os.PowerProfile
com.android.settings.fuelgauge.BatteryStatsHelper
由此可知有关访问电量数据的接口是internal 的，作为第三方无法正常的调用，因此想到反射。
在BatteryStatsHelper类中可以看到 ,是通过如下代码访问电量信息的,
byte[] data = mBatteryInfo.getStatistics();
实际调用的是BatteryStatsService 类的getStatistics() 接口，接着看下这个接口的实现：

//这个接口需要系统权限，第三方app无法正常调用，为了测试把app放置在system/priv-app目录下 
public byte[] getStatistics() { 
mContext.enforceCallingPermission( android.Manifest.permission.BATTERY_STATS, null); 
Parcel out = Parcel.obtain(); 
mStats.writeToParcel(out, 0); 
byte[] data = out.marshall(); 
out.recycle(); return data;
}

可以看出这个接口需要系统权限，即便在AndroidManifext.xml申请第三方app也是无法正常调用，为了测试方便把app放置在system/priv-app目录下，绕过这层权限限制。

具体实现

主要逻辑集中在compat层，实现了对应原生系统每个类的反射逻辑以调用getStatistics 为例：

private byte[] getStatics() { 
try {
 Class serviceManagerClass = Class.forName("android.os.ServiceManager"); 
Method getServiceMethod = serviceManagerClass.getMethod("getService", java.lang.String.class); 
Object batteryStatsService = getServiceMethod.invoke(null, "batterystats"); 
Class batteryStatsStubClass = Class.forName("com.android.internal.app.IBatteryStats$Stub"); 
Object batteryStatsStubObject = batteryStatsStubClass.getMethod("asInterface", android.os.IBinder.class).invoke(null, batteryStatsService);
 return (byte[]) batteryStatsStubClass.getMethod("getStatistics").invoke(batteryStatsStubObject); 
} catch (NoSuchMethodException e) { e.printStackTrace(); 
} catch (IllegalAccessException e) { e.printStackTrace(); 
} catch (InvocationTargetException e) { e.printStackTrace(); } catch (ClassNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } throw new UnsupportedOperationException("getStatics unsupport operation"); 
}

运行结果

原生系统设置：

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BatteryDemo: