BatteryService 與電池統計

intro

在 Android 系統中，電池管理是一項關鍵任務，因為行動裝置的效能與續航力往往決定了使用者體驗。Android Framework 內建一套電池監控與統計系統，透過 BatteryService 來負責整體電池狀態管理，並由 BatteryStatsService 蒐集與彙整電池使用數據。這些數據最終會提供給系統服務、應用程式，甚至透過 adb 工具或分析平台呈現。

在早期，Google 提供了 Battery Historian 作為可視化電池消耗的分析工具，但如今已不再維護，取而代之的是 System Tracing、Macrobenchmark 電源指標以及 Android Studio 的電源分析器。因此，理解 BatteryService 的角色 與 現代化電池效能分析方法 對 Android 開發者來說非常重要。

BatteryService 的角色

BatteryService 屬於 Android Framework 層級的一個核心服務，啟動於 SystemServer 中，主要負責以下任務：

• 即時電池狀態管理
  • 監控電池電量 (level)
  • 監控是否正在充電 (charging status)
  • 監控充電方式 (AC, USB, Wireless)
  • 偵測電池健康狀態 (health, temperature)
• 廣播電池事件
  • 當電池狀態發生變化時，BatteryService 會透過 Intent 廣播事件，例如：
    • ACTION_BATTERY_CHANGED
    • ACTION_POWER_CONNECTED
    • ACTION_POWER_DISCONNECTED
• 與 PowerManagerService 協作
  • BatteryService 與 PowerManagerService 搭配，根據電量與充電狀態決定省電策略，例如：
    • 低電量模式 (Battery Saver)
    • Doze 模式的觸發
• 數據收集
  • 與 BatteryStatsService 搭配，將電量消耗分門別類歸屬於應用程式、UID、系統模組，最終提供 adb bugreport 或開發工具使用。

BatteryStats 與耗電歸因

BatteryService 本身僅負責電池狀態，但真正的數據統計由 BatteryStatsService 完成。BatteryStats 的核心在於耗電歸因 (Attribution)：

• UID 層級耗電追蹤
  • 每個 App 對應唯一 UID，BatteryStats 會統計 UID 在以下資源上的消耗：
    • CPU 時間
    • 無線網路活動 (Mobile/Wi-Fi)
    • GPS 使用時間
    • 螢幕使用時間
    • Wakelock 保持時間
• 事件紀錄
  • BatteryStats 不僅紀錄數據，還記錄「事件」，例如螢幕點亮、螢幕關閉、網路連線狀態切換。這些事件可以與電量曲線對照，讓開發者知道「某功能」是否異常耗電。
• 資料輸出
  • BatteryStats 資料可以透過：
    • adb shell dumpsys batterystats
    • adb bugreport
• 系統 API (BatteryManager)
  • 提供給開發者或分析工具使用。

Battery Historian 的角色與退場

過去，Google 提供 Battery Historian 作為圖形化工具，用來解析 bugreport 中的電池數據，能夠顯示：

• 電量變化曲線
• 系統事件時間軸 (螢幕開關、網路狀態、wakelock)
• App 的耗電責任歸因

但 Battery Historian 已不再主動維護。原因主要有：

• 工具老舊，依賴 bugreport 的資料解析
• 開發者體驗不足，需額外安裝與配置
• Google 推出 新一代效能分析工具

現代化的電池效能分析工具

取代 Battery Historian 的，是以下幾種方式：

1. 系統追蹤 (System Tracing)

• Android 原生工具，支援從 Developer Options 或 Perfetto 收集 Trace。
• 可觀察 CPU、GPU、I/O、電源狀態。
• 適合 Debug 耗電尖峰 與 效能瓶頸。

[App 層]
   |   (API Trace Events)
   v
[BatteryStats + Power HAL] -- 收集耗電事件 -->
   v
[System Tracing/Perfetto] -- 可視化 --> Chrome UI

2. Macrobenchmark 電源指標

• Jetpack Macrobenchmark 提供 App 自動化效能測試，支援 Startup、Frame Rendering、電源消耗。
• 可以整合 CI/CD，持續追蹤版本間的耗電變化。
• 適合開發者比較不同版本的耗電行為。

Example:

@RunWith(AndroidJUnit4::class)
@LargeTest
class PowerBenchmark {
    @get:Rule
    val benchmarkRule = MacrobenchmarkRule()

    @Test
    fun batteryUsageTest() = benchmarkRule.measureRepeated(
        packageName = "com.example.app",
        metrics = listOf(PowerMetric()),
        iterations = 5,
        setupBlock = {
            startActivityAndWait()
        }
    ) {
        device.waitForIdle()
    }
}

3. Android Studio 電源分析器 (Power Profiler)

• 在 Android Studio Profiler 中提供可視化耗電分析。
• 可即時顯示 CPU/GPU 活動 與 電池消耗曲線。
• 適合互動式調試。

+------------------------------------+
| Android Studio Profiler            |
|                                    |
|  CPU Usage   |  GPU Usage | Power  |
| -------------|-------------|-------|
|  45%         |  60%        |  150mA|
+------------------------------------+

BatteryService 與電源策略

BatteryService 與 Power HAL 以及 PowerManagerService 有密切合作：

• 低電量警告
  • BatteryService 偵測到低於閾值 (例如 15%) 時，觸發低電量模式。
• Doze 模式
  • 當裝置進入長時間待機，BatteryService 與 PowerManager 會限制網路、Alarm、JobScheduler。
• 充電優化
  • 支援不同充電模式：快充、無線充電。
  • 提供充電中熱度監控，避免電池損壞。

開發建議

• 避免長時間持有 Wakelock
  • 使用 JobScheduler 或 WorkManager 取代。
• 正確使用前景服務
  • 不要濫用 ForegroundService，會導致持續耗電。
• 監控版本耗電差異
  • 將 Macrobenchmark PowerMetric 納入 CI。
• 利用系統工具 Debug
  • Trace 系統事件 → 找出異常耗電。
  • 使用 Studio Profiler 即時監控。

summary

• BatteryService 是電池管理的核心，負責狀態監控與廣播。
• BatteryStats 收集耗電數據，進行 UID 層級的歸因。
• Battery Historian 已過時，Google 建議改用：
  • System Tracing (Perfetto)
  • Macrobenchmark PowerMetric
  • Android Studio Power Profiler