Android BatteryStats服务功耗统计流程详解

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2023-06-17 17:27

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简介

BatteryStatsService和BatterStatsImpl是系统中用于估算电流消耗的关键对象，能够估算并存储软件功耗和硬件功耗。其中主要流程分为事件回调时记录耗电信息、触发读取时计算并统计耗电信息两大流程。本文介绍耗电信息的读取和统计过程。

BatteryStatsService和BatteryStatsImpl

BatteryStatsService提供App和硬件的功耗，是通过BatteryStatsImpl的接口getUidStats()方法取得的，在分析该方法的流程前先简单介绍一些关键成员。

BatteryStatsHelper关键成员：

1. BatterySipper：按照Uid和drain type来过滤存储的功耗记录，从BatteryStatsImpl中提取。可以理解为从系统记录的全部功耗信息中，按照Uid和Drain type提取出来。其中Drain type是耗电类型，如屏幕耗电、Wi-Fi耗电、App耗电等
2. mUsageList：以BatterySipper的形式记录各Uid的功耗
3. mWifiSippers、mBluetoothSippers：Wi-Fi、蓝牙专用的功耗记录（也是BatterySipper的形式）
4. mUserSippers：mUsageList只存储refresh方法传入的参数内的uid的耗电。当uid不在refresh方法指定的uid范围内时，不存储到mUsageList而是存储到这里
5. mMobilemsppList：各App的milliseconds per packets：各App的每个数据包的平均时间
6. mRawRealtimeUs mRawUptimeUs : refresh()调进来的传入的elapsed time和uptime
7. mBatteryUptimeUs mBatteryRealtimeUs mRaw*timeUs下当前battery*time
8. mTypeBatteryUptimeUs mTypeBatteryRealtimeUs：当前版本的Android只支持上一次充满电后的记录，因此等同于mBattery*timeUs
9. mBatteryTimeRemainingUs 根据上一次充满电后的掉电量/掉电时间估算出来还需要多久用光电池
10. mChargeTimeRemainingUs 根据充电量/充电时间估算出来的还需要多久充满电池
11. mMinDrainedPower mMaxDraingedPower 上次充电后的最小/最大的一次掉电量范围
12. BatteryStatsImpl.TimeBase：拔掉电源、熄屏等各有一个TimeBase，封装了成员用于计算这些事件后的事件

BatteryStatsHelper.refreshStats：获取功耗记录主入口

refreshStats()方法用于获取系统记录的耗电情况，流程如下。

1. 功耗记录是借助Binder从BatteryStatsService获取的：BatteryStatsService.getStats()->getActiveStatistics()获取BatteryStatsImpl（binder parcel传递）
2. 调用processAppusage计算各Uid App的电耗
3. 调用processMiscUsage()计算硬件功耗
4. 计算mUsageList内记录的最高功耗到mMaxRealPower、mMaxPower
5. 计算mUsageList内记录的各Uid的总功耗到mComputedPower、mTotalPower
6. 根据mMinDrainedPower和mMaxDrainedPower，确定UNAACCOUNTED、OVERCOUNTED的电耗量，更新mTotalPower和mMaxPower，将over count和un count的电耗量加入到mUsageList中
7. 进行电耗摊派。部分电耗属于系统需要隐藏的（shouldHideSipper），或者是要分摊给Uid们的。其中，要分摊的种类是需要隐藏的种类的子集，也就是说部分需要隐藏的电耗是不需要摊派的（或者之前已经摊派了，不用重复分摊）。其中屏幕功耗的分摊方式是，根据几个sipper的前台时间来算比例，根据前台时间的多少来承担对应比例的屏幕功耗，将屏幕功耗按前台时间分出去；承担了屏幕功耗的sipper会将自己分担的屏幕功耗记录到proportionalSmearMah，并调用sumPower()更新自己的总功耗
8. 至此，详细功耗信息就记录到了mUsageList中了，通过BatteryStatsHelper.getUsageList()即可取得，遍历该集合的BatterySipper即可取得各uid的耗电记录

processAppUsage()：读取并按uid来计算App耗电

该方法根据uid和drain type来统计App的耗电情况。

1. BatteryStatsImpl.getUsageStats()取得所有Uid，遍历processAppUsage()传入指定的需要统计的uid
2. 创建BatterySipper；BatterySipper用于提取Uid里面指定消耗类型；因为Uid里面记录了App、硬件等不同类型的消耗，这里只统计App自己的消耗（排除硬件）；Sipper的作用其实就是从Uid里面提取Type对应的数据并存储下来
3. 通过几大类的PowerCalculator.calculateApp()将Uid内的信息提取出来，进行计算，将数据存储进sipper
4. 最后调用sipper.sumPower()将几大类的功耗全部加起来得到总功耗
5. 接着当这个Uid sumpower > 0时，就根据uid来添加到对应的sipper集合中。
   1. Wifi、蓝牙对应的Uid会独立存储在它们的特定的sipper集合
   2. 当该Uid不是processAppUsage()参数指定的要读取的uid时、且该UID是App的Uid（≥FISTST_APPLICATION_UID）时，存储到mUserSippers中
   3. 都不是时，存储到mUsageList这个sipper集合中
   4. UID == 0（ROOT）时，处理为uid为0的实体的Wakelock的功耗，相当于将uid为0的drain type为App的情况算作系统的唤醒功耗（设备唤醒的时间可能比屏幕亮起时间和应用程序唤醒锁定时间要长。如果可能，将此余数分配给操作系统）；记录到uid为0的drain type为app的记录时，表明应用可能都已经停止耗电，但系统还有服务或逻辑在运行，或进入睡眠前的一段间隔，这些内容会算作系统的功耗，并在Uid记录中体现

PowerCalculator：9大耗电类别计算App耗电

PowerCalculator是abstract类，用于App的9大类别的耗电计算，分别为：CPU、WakeLock、移动网络、Wifi、蓝牙、传感器、摄像头、闪光灯、媒体：9大类。

主要方法：

1. reset()：清除掉本计算器内的所有状态和数据
2. calculateApp(BatterySipper，BatteryStats.Uid，rawRealtimeUs，rawUptimeUs，statsType)：计算App在这个类别下消耗的电量；其中sipper用于从Uid提取对应的信息，可以理解成一个提供过滤能力的吸管，用于存储返回给调用者的信息，包括类型、uid、各项细节功耗值；real/upTime：系统当前的real time和uptime；realtime就是linux系统记录的系统启动以来经过的时间，uptime是realtime去掉休眠的时间；statsType是如何统计，Android Q以后只有一种方式：从上一次充满电后开始的所有数据
3. calculateRemaining()，参数与calApp()完全一致；作用是当Uid内部记录的电量消耗不能全部算给App时，剩余的电量消耗

class Uid

BatteryStats有个内部类Uid，它封装了各uid（应用、系统等）以及它们的运行时长、耗电信息、网络收发情况、CPU时间等等一切和功耗有关的信息。各个PowerCalculator基于这个对象内存储的数据来进行计算。

CpuPowerCalculator：计算App消耗在CPU上的功耗

BatterySipper与CPU相关的主要是：cpuTimeMs、cpuFgTimeMs、cpuPowerMah、packageWithHighestDrain，CpuPowerCalculator主要就是读取并计算这些值，存储到上述sipper的这些成员中，最后存储到mUsageList或mUserSippers。

calculateApp：

1. 调用Uid的方法取得Uid记录的uid对应的CPU时间（分不同的cluster（簇，不同的簇，因大小核、架构而功耗不一样）、不同的CPU速度），将这些数据与power_profile.xml记录的硬件功耗相乘后相加，得到Uid在CPU上消耗的时间和电量。其中CPU电量的计算公式是：总电耗=总CPU时间*CPU激活状态下的功耗 + 各频率运行时长*各频率对应额外运行功耗
2. 一个uid可以有多个进程，Uid.Proc对象表示一个进程的唤醒时长等统计信息，同一个uid的进程的信息对应的若干Proc存储在Uid内的ArrayMap中；取得Uid内所有Proc的foreground time求和得到uid对应的总的cpuFdTimeMs，存入sipper；并总时间（user time、system time、fg time）最大的Proc存储到sipper的packageWithHighestDrain用于表示该Uid下CPU消耗最大的Proc

calculateRemaining：空实现

WakeLockPowerCalculator：计算App持有唤醒锁的时间和功耗

calculateApp:

1. WakeLock专门存储于一个集合，用Uid.Wakelock表示，里面记录的Wake time取出后累加记录到sipper的wakeLockTimeMs
2. 电量计算公式为：wakeLockTimeMs * CPU idle电耗

calculateRemaining：

1. calculateApp只统计了Uid自己的wakelock时长对应的电耗，当Uid内记录的电池时间大于sum(WakeLockTime + ScreenOnTime)时，大于的部分算作app wake，同样算入wakeLockTimeMs、及对应电耗

MobileRationPowerCalculator：计算App进行的移动网络射频功耗

calculateApp：根据App收发的数据包数量结合power_profile计算电耗

calculateRemaining：根据信号强度、扫描次数结合power_profile计算电耗

WifiPowerCalculator：计算App进行的Wifi收发功耗

calculateApp：根据收发时长、空闲时长结合power_profile计算电耗；获取Uid存储的收发字节数、数据包数量存储到sipper

MediaPowerCalculator：计算App音视频功耗

calculateApp：Audio、Video时长*对应功耗得出电耗

processMiscUsage()：统计硬件功耗

该方法用于统计硬件的功耗，与App功耗一致，都是根据Uid、Drain type借助sipper来计算的。

addUserUsage

前面统计App用量时提到，如果不是App的uid或没有在refreshStats方法传入的参数中没包含这个uid，那么不会存到mUsageList里面，而是在mUserSippers内；这个方法将mUserSippers内的DrainType为User的sipper提取出来放入mUsageList内。

注意前面processAppUsage处理的DrainType是APP，这里是USER。

addPhoneUsage

添加"Phone On"类型的功耗；这里统计的是Ratio功能active的功耗，可以认为是不开飞行模式时、上了基站的通话网络情况下功耗；形象理解为：设备正常放着，不进行基带射频、扫描、上网、通话时的功耗

addScreenUsage

添加屏幕的功耗，DrainType.Screen加入到mUsageList

addAmbientDisplayUsage

添加屏幕微光情况下的功耗（Display Doze)，DrainType.Ambient加入到mUsageList

addWiFiUsage

统计除分摊给App以外的剩余Wifi消耗，从mWifiSippers中提取，以DrainType.WIFI的新的sipper加入到mUsageList。

addBluetoothUsage

蓝牙消耗的电量不会像WiFi一样会分摊给各个使用的App，它没有进行摊派全部统计在这里。该方法统计蓝牙的整体消耗；同WIFI，DrainType.BLUETOOTH加入mUsageList

addMemoryUsage

类似蓝牙的情况

addIdleUsage

统计设备休眠、空闲时的AP（App Processor，即CPU）的功耗——也就是说，不包含BP（基带）的功耗，由于外设已经关闭或挂起、系统已经休眠，可以认为是深度待机状态下的整机功耗，可以说是开机状态下设备的最低功耗了

DrainType.IDLE sipper加入到mUsageList

addRadioUsage

射频也和Wifi一样进行了摊派，同样是将没有摊派出去的独立出来到DrainType.CELL。其中，射频会额外关注信号强度，信号强度对射频功率、模组功耗影响大，进而影响对电耗的估算

总结

BatteryStatsService从系统各服务、驱动节点、Linux文件系统节点中取得的数据，在需要时，通过BatteryStatsImpl.refresh()取出、过滤、计算。其中，按照App电耗、硬件电耗两大部分来分别计算。耗电信息从Uid中取得，经过PowerCalculator处理后放入BatterySipper。一些类别的硬件电耗会分摊到使用它的几个App中，最终会以uid和Drain Type的形式来存储到多个BatterySipper中，交给调用者完成整个功耗信息获取过程。