PowerManagerService（PMS）：螢幕喚醒、Doze、電源管理

intro

在行動裝置的世界裡，電源管理 (Power Management) 是系統設計中最重要的一環。智慧型手機的使用者最關注的體驗之一，就是「續航力」與「即時回應性」。
在 Android Framework 當中，負責核心電源管理的系統服務就是 PowerManagerService (PMS)。它不僅負責螢幕亮滅、CPU 喚醒與休眠，還與 Doze 模式、App Standby、WakeLock 機制 以及 Battery Stats 等子系統緊密結合，確保 Android 裝置在不同使用場景下都能兼顧效能與電池續航。

電源管理的挑戰與需求

行動裝置的電源管理必須同時滿足以下需求：

• 即時回應性 (Responsiveness)
  • 使用者按下電源鍵或觸控螢幕，系統必須立即點亮螢幕並處理事件。
• 背景運算需求 (Background Execution)
  • App 在背景仍需要進行任務（例如音樂播放、導航、鬧鐘提醒）。
  • 必須保證 CPU 在必要時保持喚醒，避免任務中斷。
• 省電策略 (Battery Saving)
  • 在螢幕熄滅、裝置閒置時，應進入 Doze 或 App Standby，降低耗電。
• 硬體協同控制 (Hardware Control)
  • CPU、GPU、Display、Sensor、Wi-Fi、Modem 等元件都與電源狀態息息相關，必須透過 PMS 協同管理。

PMS 的核心角色就是：在效能與電源節能之間，提供一個智慧的調度中心。

PowerManagerService 架構總覽

在 Android Framework 中，PowerManagerService (PMS) 負責全局的電源狀態管理，並與底層 Power HAL、Kernel Power Management (suspend/resume) 進行交互。

• App 層
  • 透過 PowerManager API 取得電源狀態，或申請 WakeLock。
• Framework 層 (PMS)
  • 決策電源狀態，包括螢幕亮滅、CPU 喚醒、Doze 模式切換。
• HAL 層
  • 提供電源控制的硬體抽象，如螢幕亮度、背光控制。
• Kernel 層
  • 提供底層 suspend/resume 機制，並由 Wakelock 確保系統不會過早進入休眠。

WakeLock 機制與螢幕喚醒

在 Android 中，應用程式或系統服務可以透過 WakeLock 來要求系統保持某些狀態（例如 CPU 運行、螢幕點亮）。

WakeLock 類型

• Partial WakeLock
  • 保持 CPU 運行，但不一定點亮螢幕。
  • 例：音樂播放、下載檔案。
• Full WakeLock (Deprecated)
  • 保持螢幕與鍵盤亮起，舊版已不建議使用。
• Screen Bright / Screen Dim
  • 控制螢幕亮度。

螢幕喚醒流程

• 使用者按下 電源鍵，或系統事件（鬧鐘、來電）觸發。

• InputManagerService 送出 KeyEvent。

• WindowManagerPolicy 判斷是否需要喚醒螢幕。

• 呼叫 PowerManagerService.wakeUp()。

• PMS 透過 Power HAL 控制 Display，點亮螢幕。

• 通知 WindowManagerService / SurfaceFlinger 進行視覺更新。

• 核心觀念：WakeLock 是 防止進入休眠，而螢幕點亮與否則是由 PMS 調度的 Display Power State。

Doze 模式與省電策略

Android 6.0 之後引入 Doze 模式，主要目的是降低長時間閒置時的耗電。

Doze 模式觸發條件

• 裝置螢幕關閉。
• 裝置靜止不動（加速度計檢測）。
• 電池未充電。

Doze 狀態機制

• Idle Pending → 系統準備進入 Doze。
• Idle → 網路、Alarm 被限制，只有 GCM High Priority 可以喚醒。
• Maintenance Window → 短暫允許網路與任務執行。
• Deep Idle → 更嚴格限制。

PMS 與 Doze 的關聯

• PMS 與 DeviceIdleController 協作，決定是否進入 Doze。
• App 若需要在 Doze 期間運作，必須透過 白名單 (Whitelist) 或 高優先級 FCM。

PMS 與其他系統服務的交互

1. 與 AMS (ActivityManagerService)

• AMS 根據應用前後台狀態，向 PMS 建議螢幕與 CPU 狀態。

2. 與 WMS (WindowManagerService)

• 螢幕點亮後，WMS 負責視窗的排版與輸入分發。

3. 與 IMS (InputManagerService)

• Input Event (Power 鍵、Home 鍵) 可能觸發螢幕喚醒。

4. 與 BatteryStatsService

• 記錄電池消耗來源，追蹤 WakeLock 使用情況。

5. Power HAL

• HAL 層接收「省電模式」指令，調整 CPU 頻率、GPU 運作等。

use cases：螢幕點亮與休眠過程

螢幕點亮

• 使用者按下電源鍵 → IMS 捕捉事件。
• PhoneWindowManager 判斷需要喚醒螢幕。
• 呼叫 PMS.wakeUp()。
• PMS 更新 DisplayPowerController 狀態，透過 SurfaceFlinger 渲染畫面。
• WMS 更新應用畫面 → UI 顯示。

螢幕休眠

• 使用者按下電源鍵，或系統超時自動休眠。
• PMS.goToSleep() → 設定 CPU Idle 狀態。
• 通知 HAL 關閉背光。
• Kernel 若無 Wakelock，進入 suspend。

questions

• 解釋 Android 的 WakeLock 機制，Partial WakeLock 與 Full WakeLock 的差異？
• Doze 模式是如何節省電力的？哪些情況下仍允許網路存取？
• PMS 如何與 Kernel 的 suspend/resume 機制協作？
• 描述螢幕點亮的完整流程，從按下電源鍵到 UI 顯示。
• App 如何避免因為 Doze 模式而無法即時收到通知？
• Wakelock 若未正確釋放會造成什麼後果？如何檢測？

summary

PowerManagerService 是 Android Framework 中最核心的電源管理組件，它不僅控制螢幕與 CPU 的狀態，還協調 Doze 模式 與 WakeLock 機制，確保裝置在不同情境下都能在 效能 與 電池續航 之間達到最佳平衡。