深入探险与Android关于电量优化的那些事

本文思维导图

一、正确认识

1、为什么要做电量优化？

在 Android 应用开发中，我们需要考虑的是如何优化电量使用，让我们的 App 不会因为电量消耗过高被用户排斥，或者被其他安全应用报告，以此确保用户黏性。

2、电量重视度不够

开发中一直连接手机，不知道电量消耗有多快。

3、电量消耗线上难以量化

我们没有办法拿到每一个用户手机的组件能耗，其中不同的硬件模块使用了不同的参数，然后使用了不同的算法来进行估算。但是，具体的参数值根据手机所使用的硬件来说是不一样的。

二、电池技术

1、电池容量

现在一般手机的电池容量会占用内部组件将近一半的空间。

2、充电时间

1）、OPPO VOOC 闪充技术

• 1、适配器中加入 MCU 智能芯片，得益于 MCU 对电流的精准调节，VOOC 实现了分段恒流和分档技术，起步时，VOOC 会挂上高速档，中间时会自动挂上中速档，让你快速前行，结尾时又会切换成低速挡，让你平稳到站。
• 2、从适配器到接口再到手机内部的全端式五重防护技术。
• 1）、适配器过载保护

电流进入适配器时，其中的传感器会实时检测电压电流，安全时， MOSFET（保护）开关会自动打开闪充。

- 2）、闪充条件鉴定保护

电流通过适配器时，MCU 芯片会识别设备是否支持闪充，只有支持才开启闪充与第二级过载保护。

- 3）、接口过载保护

电流进入手机时，在特别定制的 7pinUSB 接口处，手机内的 MCU 会控制第三个 MOSFET（保护）开关，实行第三级过载保护。

- 4）、电池过载保护

电池内的特殊 IC 和 MOSFET（保护）开关负责对进入电池的电压电流实行过载保护。

- 5）、电池熔丝保护

出现异常时，电池内的保险丝会立即熔断，物理性断绝电流输入。

• 3、将充电安全指数从 PPM（百万分之一）提升至航天级别 DPM（十亿分之一）。

2）、快充技术

P=UI（电功率=电压 * 电流）

普通充电过程

• 1）、先将 220V 电压通过充电头降至 5V。
• 2）、然后，手机内部电路再把 5V 电压降至 4.2V。
• 3）、最后，把电量输送给电池，而整个降压的过程中会产生热能。

分类

• 1）、高压低电流快充方案：在充电过程中国提升充电电压（7-20V）来提升充电功率。
• 2）、低压大电流快充方案：在电压一定情况下，增加电流，通常使用并联电路的方式进行分流。

3）、铝-石墨烯超级电池

• 超高耐用性和安全性，快充充电1.1秒就能充满电。
• 实验阶段。

3、寿命

通常使用充电循环次数衡量。

4、安全性

严格控制电池容量，例如 VOOC 就使用了各种安全检测技术。

5、电量和硬件

• 手机耗电是通过使用相应的硬件模块来消耗电能。
• CPU、屏幕、WIFI、数据网络、GPS、音视频通话在日常耗电量中占比最大。

6、Android 耗电演进

KITKAT

批处理传感器

分批有效地收集和传递传感器事件。

Alarm 对齐

批处理在合理的相似时间内的所有应用的闹铃，以便系统仅唤醒一次。

Lollipop

• 开启 Volta 项目
• Job Scheduler
• dumpsys batterystats
• Battery Historian
• 修复 native fork 进程保活的 bug

Marshmallow

• 省电功能
• Doze 低功耗模式
• App Standby 应用待机摸手机

Nougat

• 优化省电功能
• Doze 加强版
• implicit broadcasts 显示
• 混合编译

Oreo

• 更多优化省电功能
• 后台执行限制
• 后台位置限制

P（电压管理严格限制）

应用待机分组（App Standby Bueckets）

• 从应用安装开始。
• 分组决定后台被限制的程度。
• 不常用的应用将被限制地更加严格。

应用后台限制（Background Restrictions）

• 用户开启。
• 停止后台运行。
• 提示用户后台耗电严重的应用，用户可选择停止它们的后台运行。

省电模式（Battery Saver）

• 用户开启。
• 所有应用进入待机模式。
• 更加严格的后台限制，而且无视应用的 Target API。

三、电量检测方案

对于电量的统计有一个公式，如下所示：

模块电量（mAh） = 模块电流（mA）* 模块耗时（h）

Android 系统要求 ROM 厂商必须在 /frameworks/base/core/res/res/xml/power_profile.xml 提供组件的电源配置文件。而 Android 系统的电量计算 PowerProfile 正是通过读取 power_profile.xml 的数据。

1、设置—耗电排行

• 1）、直观，但没有详细数据，对解决问题帮助不大。
• 2）、需要找特定场景专项测试，比如在某一个界面操作一段时间，然后来判断这个页面是否耗电。

2、使用广播监听电量变化—ACTION_BATTERY_CHANGED

获取电池电量、充电状态、电池状态等信息。

实战案例

IntentFilter filter = new IntentFilter();
filter.addAction(Intent.ACTION_BATTERY_CHANGED);
Intent intent = registerReceiver(null, filter);
LogUtils.i("battery " + intent.getIntExtra(BatteryManager.EXTRA_LEVEL, -1));

缺点

• 1）、价值不大：针对手机整体的耗电量，而非单个 App。
• 2）、实时性差、精度较低，被动通知。

3、dumpsys batterystats

batterystats 是 Android 5.0 提供的工具，它可以获取各个 App 的 WakeLock、CPU 时间占用等信息，同时增加了一个 Estimated power use（mAh）功能，预估耗电量。

作用

将电量测量转化为功能模块的使用时间或者次数。

adb shell dumpsys batterystats > battery.txt

在 battery.txt 搜索 ‘Estimated power use’ 关键字，下面粗略统计了各个 Uid 的总耗电量。

Estimated power use (mAh):
Capacity: 3350, Computed drain: 2767, actual drain: 3752-3853
Uid 1000: 1014 ( cpu=999 wake=1.36 radio=11.4 wifi=1.24 gps=0.435 sensor=0.808 ) Excluded from smearing
Unaccounted: 985 ( ) Including smearing: 0 ( ) Excluded from smearing
Uid 0: 416 ( cpu=157 wake=210 radio=38.8 wifi=9.51 ) Excluded from smearing
...

batterystats 所记录的电量统计数据源自于 BatteryStatsService-电量统计服务，其实现类为 BatteryStatsImpl，内部正是使用的 PowerProfile 。

BatteryStatsImpl 为每一个应用创建与之对应的 UID 来监控器系统资源的使用情况，其统计了 12 大模块的电量消耗，如下所示：

• Camera、Audio、Video
• Bluetooth、Network、Wakelock
• Sensor、Radio、Screen
• WIFI、CPU、GPS

4、 Battery Historian

特点

• 1）、查看自设备上次充电以来各种汇总统计信息，而且可以选择对应的 App 查看详细信息。
• 2）、可视化展示指标：
  
• 耗电比例。
• 执行时间、次数。
• 3）、仅适合线下使用。

安装

• 1）、安装 Docker
• 2）、docker -- run -p <port>:9999 gcr.io/android-battery-historian/stable:3.0 --port 9999 （需要外网）

导出电量信息

• 1）、使用 batterystats 命令重置手机电量：adb shell dumpsys batterystats --reset
• 2)、使用 batterystats 命令获取电池数据权限并开启记录全面的电量信息：adb shell dumpsys batterystats --enable full-wake-history
• 3）、测试完成后，使用 bugreport 导出电量信息：
  
• 7.0和7.0以后：adb bugreport bugreport.zip
• 6.0和6.0之前:adb bugreport > bugreport.txt
• 通过 historian 图形化展示结果：python historian.py -a bugreport.txt > battery.html

上传分析

• 1）、打开 http://localhost :<port>

如果打不开，可以使用备用网站 bathist

• 2）、上传 bugreport 文件，点 Submit 提交即可。

Battery Historian 数据分析

Hitorian V2 — 电量统计图表

Add Metrics

在 Add Metrics 中我们可以增加更多的测量项。

CPU running

如果一直处于 running，则表明电量消耗比较高。

JobScheduler

选中 Job Scheduler 的某一个工作时间片，我们可以查看具体的 发生的时间、耗时以及次数，最重要的是它统计出来了是哪一个进程在使用这个 JobScheduler。

App Selection

• 1）、选择要分析电量的指定 App。
• 2）、点击右边区域的 System Stats 一栏可以在下方查看各个系统组件的电量百分比消耗详情，例如 Userspace Wakelocks。

主入口处的 Switch to Bugreport Comparison

选择多个文件进行上传对比。

5、电量专项测试

1）、耗电场景测试

• 复杂计算。
• 音视频播放。

2）、传感器相关

• 使用时长
• 耗电量
• 发热

3）、后台静默测试

四、耗电优化

1、耗电优化的难点

• 1）、 缺乏现场，无法复现 。
• 2）、 信息不全，难以定位 。
• 3）、 无法评估结果 。

在 App 开发中，经常会由于某个需求场景或 代码 bug 而导致大量耗电。

2、后台调度任务省电

思考步骤

• 需要后台运行
  
• 长时间下载：DownloadManager
• 数据同步：SyncAdapter
• 本地任务：JobScheduler
• 特定时间执行：AlarmManager
• 实时通信：推送服务
• 立刻执行：Foreground Service

对于耗电优化中，我们最常用的就是 JobScheduler，下面 ，我们来实战一下。

Job Scheduler 实战

/**
 * 开启 JobScheduler
private void startJobScheduler() {
    if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP) {
        JobScheduler jobScheduler = (JobScheduler) getSystemService(Context.JOB_SCHEDULER_SERVICE);
        JobInfo.Builder builder = new JobInfo.Builder(1, new ComponentName(getPackageName(), JobSchedulerService.class.getName()));
        // 设置仅在 充电和WIFI 下才使用 JobScheduler 进行批量任务处理
        builder.setRequiresCharging(true)
                .setRequiredNetworkType(JobInfo.NETWORK_TYPE_UNMETERED);
        jobScheduler.schedule(builder.build());
}

其中， JobSchedulerService 就是用于进行批量任务处理的服务 ，示例代码如下所示：

/**
 * 用于进行批量任务处理的 JobSchedulerService
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
public class JobSchedulerService extends JobService {
    @Override
    public boolean onStartJob(JobParameters params) {
        // 此处执行在主线程
        // 模拟一些处理：批量网络请求，APM日志上报
        return false;
    @Override
    public boolean onStopJob(JobParameters params) {
        return false;
}

特点

• 1）、 仅支持 API 21 及之上 。
• 2）、 在符合某些条件时创建执行在后台的任务 。
• 3）、 把不紧急的任务放到更合适的时机批量处理 。

符合 Android 规则，手机在充电状态才去做耗电工作。示例代码如下所示：

IntentFilter ifilter = new IntentFilter(Intent.ACTION_BATTERY_CHANGED);
Intent batteryStatus = context.registerReceiver(null, ifilter);
//获取用户是否在充电的状态或者已经充满电了
int status = batteryStatus.getIntExtra(BatteryManager.EXTRA_STATUS, -1);
boolean isCharging = status == BatteryManager.BATTERY_STATUS_CHARGING || status == BatteryManager.BATTERY_STATUS_FULL;

3、电量优化套路总结

1、优化应用的后台耗电

避免后台长时间获取 WakeLock、WIFI 和蓝牙的扫描等。

2、符合系统的耗电规则

Android P 使用了 Android Vitals 监控后台耗电，其规则如下所示：

• 1）、Alarm Manager wakeup 唤醒过多：当手机不在充电状态，每小时 wakeup 唤醒次数大于 10 次。
• 2）、频繁使用局部唤醒锁：当手机不在充电状态，partial wake lock 持有超过1小时。
• 3）、后台网络使用量过高：当手机不在充电状态而且应用在后台，每小时网络使用量超过 50MB。
• 4）、后台 WiFi scans 过多：当手机不在充电状态而且应用在后台，每小时大于4次 WiFi scans。

3、CPU 时间片

Android 手机保护 AP 和 BP 两个 CPU。AP 即 Application Processor，所有的用户界面以及 App 都是运行在 AP 上的。BP 即 Baseband Processor，手机射频都是运行在这个 CPU 上的。而一般我们所说的耗电，PowerProfile 文件里面的 CPU，指的是 AP 。

CPU 耗电通常有两种情况：

• 1）、 长期频繁唤醒：原本可以仅仅在 BP 上运行，消耗 5mA 左右，但是因为唤醒，AP 就会运作，不同手机情况不一样，至少会导致 20~30 mA 左右的耗电 。
• 2）、 CPU 长期高负荷：例如 App 退到后台的时候没有停止动画，或者程序有不退出的死循环等等，导致 CPU 满频、满核地跑 。

常用优化 CPU 时间片的方式有：

• 1）、 获取运行过程线程 CPU 消耗，定位 CPU 占用率异常方法 。
• 2）、 减少后台应用的主动运行 。

4、网络相关

通常情况下，使用 WIFI 连接网络时的功耗要低于使用移动网络的功耗。而使用移动网络传输数据，电量的消耗有以下3种状态：

• Full power：高功率状态，移动网络连接被激活，允许设备以最大的传输速率进行操作 。
• Low power：低功耗状态，对电量的消耗差不多是 Full power 状态下的 50% 。
• Standby：空闲态，没有数据连接需要传输，电量消耗最少 。

因此，为了避免网络连接所带来的电量消耗，我们可以采用如下几种方案：

• 1）、尽量在 WIFI 环境下进行数据传输，在使用 WIFI 传输数据时，应该尽可能增大每个包的大小（不超过 MTU），并降低发包的频率。
• 2）、在蜂窝移动网络下需要对请求时机及次数控制：可以延迟执行的网络请求稍后一起发送，最好做到批量执行，尽量避免频繁的间隔网络请求，以尽量多地保持在 Radio Standby 状态。
• 3）、使用 JSON 和 Protobuf 进行数据压缩，减少时间。
• 4）、禁止使用轮询功能：轮询会导致网络请求一直处于被激活的状态，耗电过高。

5、定位相关

• 1）、 根据场景谨慎选择定位模式：对定位准确度没那么高的场景可以选择低精度模式 。
• 2）、 可以考虑网络定位代替 GPS 。
• 3）、 使用后务必及时关闭，减少更新频率，例如定位开启一定时间后超过某个阈值可以执行一个兜底策略：强制关闭 GPS 。

6、界面相关

• 1）、 离开界面后停止相关活动，例如关闭动画 。
• 2）、 耗电操作判断前后台，如果是后台则不执行相关操作 。

7、WakeLock 相关

WakeLock 常用于后台播放音视频、录制音视频、下载文件的情况。如果没有合理使用 WakeLock，则会造成严重的耗电问题，为了避免该问题， 我们应该定期针对使用了 WakeLock 的模块进行重点排查 。

我们可以使用 adb shell dumpsys power 命令查看系统当前的耗电信息，其中我们可以看到 WakeLock 列表，它通常会以 ”mLocks.size“ 或者 ”Wake Locks：size“ 开头。关于 WakeLock 的使用我们要着重注意以下几点：

• 1）、 注意成对使用 acquire、release 。
• 2）、 建议使用带参数的 acquire，避免没有及时释放而导致电量消耗过大 。
• 3）、 使用 finally 确保 release 一定会被调用 。
• 4）、 常亮场景使用 keepScreenOn 即可 。
• 5）、 WakeLock 有一个接口 setReferenceCounted，用来设置 WakeLock 的技术机制，官方默认为计数。true 为计数，false 为不计数。所谓计数即每一个 acquire 必须对应一个 release；不计数则是无论有多少个 acquire，一个 release 就可以释放。但是问题是有的第三方 ROM 它将默认设置为了不计数，以为我们需要在调用 newWakeLock 之后再调用 setReferenceCounted 为 false 。

8、计算优化

浮点运算比整数运算更消耗 CPU 时间片，因此耗电也会增加 。避开浮点运算的优化方法如下所示：

• 1）、 除法变乘法 。
• 2）、 充分利用移位 。
• 3）、 在 native 层开发时，可以利用 ARM neon 指令集做并行运算，注意需要 ARM V7 及以上架构 CPU 才能支持 。

9、灭屏时停止动画

我们可以监听灭屏以及亮屏的广播，在灭屏的时候停止 surfaceView 的动画绘制。在亮屏的时候，恢复动画的绘制 。

五、耗电监控

以后台耗电监控为主，必须监控的模块有：

• 1）、 Alarm wakeup
• 2）、 WakeLock
• 3）、 WiFi scans
• 4）、 Network

必须监控的现场信息有 ：

• 1）、 堆栈信息
• 2）、 是否充电
• 3）、 电量水平
• 4）、 应用前后台时间
• 5）、 CPU 状态信息

最后，我们需要 提炼规则，将监控内容 => 抽象成规则 。

1、Java Hook

我们可以通过代理对应的 Service 实现，完成收集 Wakelock、Alarm、GPS 的申请堆栈、释放信息、手机充电状态等等。

示例项目

2、电量辅助监控实战

1）、获取运行时能耗文件

• 1）、adb pull /system/framework/framework-res.apk
• 2）、反编译，xml—》power_profile

2）、电量辅助监控

线下使用 epic 进行 AOP 电量辅助统计

这里我们就以 WakeLock 的监控为例，切面代码如下所示：

public static long sStartTime = 0;
@Insert(value = "acquire")
@TargetClass(value = "com.optimize.performance.wakelock.WakeLockUtils",scope = Scope.SELF)
public static void acquire(Context context){
    trace = Log.getStackTraceString(new Throwable());
    sStartTime = System.currentTimeMillis();
    Origin.callVoid();
    new Handler().postDelayed(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            WakeLockUtils.release();
    },1000);
@Insert(value = "release")
@TargetClass(value = "com.optimize.performance.wakelock.WakeLockUtils",scope = Scope.SELF)
public static void release(){
    LogUtils.i("PowerManager "+(System.currentTimeMillis() - sStartTime)+"/n"+trace);

此外，我们也可以利用 epic 来监控每个线程的执行时间，超过阈值则警告，示例代码如下所示：

public static long runTime = 0;
@Insert(value = "run")
@TargetClass(value = "java.lang.Runnable",scope = Scope.ALL)
public void run(){
    runTime = System.currentTimeMillis();
    Origin.callVoid();
    LogUtils.i("runTime "+(System.currentTimeMillis() - runTime));
}

3、编译插桩

写一个基础类，然后在统一的调用接口中添加监控逻辑 。这里我们可以参考 Facebook Battery-Metrics 获取、监控数据的方式。其代码如下所示：

public class WakelockMetrics {
     * 获取 WakeLock
     * @param wakeLock WakeLock
     * @param timeout 超时时间
    public static void acquire(PowerManager.WakeLock wakeLock, long timeout) {
        wakeLock.acquire(timeout);
        // 监控 wakelock 相关信息
        Log.e("HOOOOOOOOK", "--acquireWakeLock--");
        Log.e("HOOOOOOOOK", Utils.getStackTrace());
        // 使用 Battery-Metrics 库统计其它维度的电量信息
     * 释放 WakeLock
     * @param wakeLock WakeLock
    public static void release(PowerManager.WakeLock wakeLock) {
        wakeLock.release();
        Log.e("HOOOOOOOOK", "--releaseWakeLock--");
        Log.e("HOOOOOOOOK", Utils.getStackTrace());
        // 使用 Battery-Metrics 库统计其它维度的电量信息
}

Gradle 耗电量统计插件中 BatteryCreateMethodVisitor 的核心实现代码如下所示：

@Override
public void visitMethodInsn(int opcode, String owner, String name, String descriptor, boolean isInterface) {
    // 监控 Wakelock
    String monitorClass = "com/ss/android/ugc/bytex/example/battery_monitor/WakelockMetrics";
    if (!monitorClass.equals(className)
            && "android/os/PowerManager$WakeLock".equals(owner)
            && opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL
            && "acquire".equals(name)) {
        mv.visitMethodInsn(
                Opcodes.INVOKESTATIC,
                monitorClass,
                name,
                "(Landroid/os/PowerManager$WakeLock;J)V",
                isInterface
        return;
    if (!monitorClass.equals(className)
            && "android/os/PowerManager$WakeLock".equals(owner)
            && opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL
            && "release".equals(name)) {
        mv.visitMethodInsn(
                Opcodes.INVOKESTATIC,
                monitorClass,
                name,
                "(Landroid/os/PowerManager$WakeLock;)V",
                isInterface
        return;
    // 监控 Gps
    monitorClass = "com/ss/android/ugc/bytex/example/battery_monitor/GpsMetrics";
    if (!monitorClass.equals(className)
            && "android/location/LocationManager".equals(owner)
            && opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL
            && "requestLocationUpdates".equals(name)) {
        mv.visitMethodInsn(
                Opcodes.INVOKESTATIC,
                monitorClass,
                name,
                "(Landroid/location/LocationManager;Ljava/lang/String;JFLandroid/location/LocationListener;)V",
                isInterface
        return;
    if (!monitorClass.equals(className)
            && "android/location/LocationManager".equals(owner)
            && opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL
            && "removeUpdates".equals(name)) {
        mv.visitMethodInsn(
                Opcodes.INVOKESTATIC,
                monitorClass,
                name,
                "(Landroid/location/LocationManager;Landroid/location/LocationListener;)V",
                isInterface
        return;
    // 监控 Alarm Service
    monitorClass = "com/ss/android/ugc/bytex/example/battery_monitor/AlarmMetrics";
    if (!monitorClass.equals(className)
            && "android/app/AlarmManager".equals(owner)
            && opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL
            && "set".equals(name)) {
        mv.visitMethodInsn(
                Opcodes.INVOKESTATIC,
                monitorClass,
                name,
                "(Landroid/app/AlarmManager;IJLandroid/app/PendingIntent;)V",
                isInterface
        return;
    if (!monitorClass.equals(className)
            && "android/app/AlarmManager".equals(owner)
            && opcode == Opcodes.INVOKEVIRTUAL
            && "cancel".equals(name)) {
        mv.visitMethodInsn(
                Opcodes.INVOKESTATIC,
                monitorClass,
                name,
                "(Landroid/app/AlarmManager;Landroid/app/PendingIntent;)V",