11.1 基本原理
Alarm 闹钟是 android 系统中在标准 RTC 驱动上开发的一个新的驱动，提供了一个定时器 用于把设备从睡眠状态唤醒，当然因为它是依赖 RTC 驱动的，所以它同时还可以为系统提 供一个掉电下还能运行的实时时钟。
当系统断电时，主板上的 rtc 芯片将继续维持系统的时间，这样保证再次开机后系统的时间 不会错误。当系统开始时，内核从 RTC 中读取时间来初始化系统时间，关机时便又将系统 时间写回到 rtc 中，关机阶段将有主板上另外的电池来供应 rtc 计时。Android 中的 Alarm 在设备处于睡眠模式时仍保持活跃，它可以设置来唤醒设备。
上图为android系统中 alarm 和 rtc 驱动的框架。Alarm依赖于rtc 驱动框架，但它不是一个 rtc 驱动，主要还是实现定时闹钟的功能。相关源代码在 kernel/drivers/rtc/alarm.c 和 drivers/rtc/alarm_dev.c。
其中 alarm.c 文件实现的是所有 alarm 设备的通用性操作，它创建了一个设备 class，而
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alarm_dev.c 则创建具体的 alarm 设备，注册到该设备 class 中。 alarm.c 还实现了与 interface.c 的接口，即建立了与具体 rtc 驱动和rtc 芯片的联系。 alarm_dev.c在 alarm.c 基础包装了一层， 主要是实现了标准的 miscdevice 接口，提供给应用层调用。
可以这样概括：alarm.c 实现的是机制和框架，alarm_dev.c 则是实现符合这个框架的设备驱 动，alarm_dev.c 相当于在底层硬件 rtc 闹钟功能的基础上虚拟了多个软件闹钟。
11.2 关键数据结构
alarm 定义在 include/linux/android_alarm.h 中。 struct alarm { struct rb_node node; enum android_alarm_type type; ktime_t softexpires; //最早的到期时间 ktime_t expires; //绝对到期时间 void (*function)(struct alarm *); //当到期时系统回调该函数 };
这个结构体代表 alarm 设备，所有的 alarm 设备按照它们过期时间的先后被组织成一 个红黑树，alarm.node 即红黑树的节点，alarm 设备通过这个变量插入红黑树。 alarm.type 是类型，android 中一共定义了如下 5 种类型，在现在的系统中每种类型只有一个设备。
enum android_alarm_type { /* return code bit numbers or set alarm arg */ ANDROID_ALARM_RTC_WAKEUP, ANDROID_ALARM_RTC, ANDROID_ALARM_ELAPSED_REALTIME_WAKEUP, ANDROID_ALARM_ELAPSED_REALTIME, ANDROID_ALARM_SYSTEMTIME, ANDROID_ALARM_TYPE_COUNT, /* return code bit numbers */ /* ANDROID_ALARM_TIME_CHANGE = 16 */ };
alarm_queue struct alarm_queue { struct rb_root alarms; //红黑树的根 struct rb_node *first; //指向第一个 alarm device,即最早到时的 struct hrtimer timer; //内核定时器,android 利用它来确定 alarm 过期时间 ktime_t delta; //是一个计算 elasped realtime 的修正值 bool stopped; ktime_t stopped_time; };
这个结构体用于将前面的 struct alarm 表示的设备组织成红黑树。它是基于内核定时器 来实现 alarm 的到期闹铃的。
11.3 关键代码分析
alarm_dev.c
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该文件依赖于 alarm.c 提供的框架，实现了与应用层交互的功能，具体说就是暴露出 miscdevice 的设备接口。Alarm_dev.c 定义了几个全局变量：
每种类型一个 alarm 设备，android 目前创建了 5 个 alarm 设备。 static struct alarm alarms[ANDROID_ALARM_TYPE_COUNT];
wake lock 锁，当加锁时，阻止系统进 suspend 状态。 static struct wake_lock alarm_wake_lock;
标志位，alarm 设备是否被打开。 static int alarm_opened;
标志位，alarm 设备是否就绪。所谓就绪是指该 alarm 设备的闹铃时间到达，但原本等待在 该 alarm 设备上的进程还未唤醒，一旦唤醒，该标志清零。 static uint32_t alarm_pending;
标志位，表示 alarm 设备是否 enabled，表示该设备设置了闹铃时间（并且闹铃时间还未到） ， 一旦闹铃时间到了，该标志清零。 static uint32_t alarm_enabled;
标志位，表示原先等待该 alarm 的进程被唤醒了（它们等待的 alarm 到时了）。 static uint32_t wait_pending; 该文件提供的主要函数有: 1，模块初始化和 exit 函数：alarm_dev_init 和 alarm_dev_exit 2，模块 miscdevice 标准接口函数：alarm_open、alarm_release 和 alarm_ioctl 3， alarm 定时时间到时候的回调函数：alarm_triggered
alarm_dev_init 初始化函数调用 misc_register 注册一个 miscdevice。 static int __init alarm_dev_init(void){ int err; int i;
err = misc_register(&alarm_device); if (err) return err;
for (i = 0; i < ANDROID_ALARM_TYPE_COUNT; i++) alarm_init(&alarms[i], i, alarm_triggered); wake_lock_init(&alarm_wake_lock, WAKE_LOCK_SUSPEND, "alarm");
return 0; }
该设备称为 alarm_device，定义如下: static struct miscdevice alarm_device = { .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, .name = "alarm", .fops = &alarm_fops, };
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对应的 file operations 为 alarm_fops，定义为: static const struct file_operations alarm_fops = { .owner = THIS_MODULE, .unlocked_ioctl = alarm_ioctl, .open = alarm_open, .release = alarm_release, };
然后为每个 alarm device 调用 alarm_init 初始化，这个函数代码在 alarm.c 中，如下： void alarm_init(struct alarm *alarm, enum android_alarm_type type, void (*function)(struct alarm *)){ RB_CLEAR_NODE(&alarm->node); alarm->type = type; alarm->function = function; pr_alarm(FLOW, "created alarm, type %d, func %pF
", type, function); }
就是初始化 alarm 结构体，设置其回调函数为 alarm_triggered。最后调用 wake_lock_init 初 始化 alarm_wake_lock，它是 suspend 型的。alarm_triggered 是回调函数，当定时闹铃的时间 到了，alarm_timer_triggered 函数会调用该函数（详细请看 alarm.c 的 alarm_timer_triggered 函数）。
static void alarm_triggered(struct alarm *alarm){ unsigned long flags; uint32_t alarm_type_mask = 1U << alarm->type;
pr_alarm(INT, "alarm_triggered type %d
", alarm->type); spin_lock_irqsave(&alarm_slock, flags); if (alarm_enabled & alarm_type_mask) { wake_lock_timeout(&alarm_wake_lock, 5 * HZ); alarm_enabled &= ~alarm_type_mask; alarm_pending |= alarm_type_mask; wake_up(&alarm_wait_queue); } spin_unlock_irqrestore(&alarm_slock, flags); }
这个函数里调用 wake_lock_timeout 对全局 alarm_wake_lock（超时锁，超时时间是 5 秒） 加锁，禁止对应的 alarm 设备。唤醒所有等待在该 alarm 设备上的进程。这时，如果 AP 层 呼叫 ioctl(fd， ANDROID_ALARM_WAIT)，会返回表示等到 alarm 的返回值（这个会在 AlarmManagerSevice.java 中细述）。
alarm_ioctl 定义了以下命令: ANDROID_ALARM_CLEAR 清除 alarm，即 deactivate 这个 alarm ANDROID_ALARM_SET_OLD 设置 alarm 闹铃时间 ANDROID_ALARM_SET 同上 ANDROID_ALARM_SET_AND_WAIT_OLD 设置 alarm 闹铃时间并等待这个 alarm ANDROID_ALARM_SET_AND_WAIT 同上 ANDROID_ALARM_WAIT 等待 alarm ANDROID_ALARM_SET_RTC 设置 RTC 时间 ANDROID_ALARM_GET_TIME 读取 alarm 时间，根据 alarm 类型又分四种情况
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alarm.c 该文件完成主要功能有: 创建一个 alarm class，所有 alarm 设备都属于这个类； 注册了 platform driver，提供 suspend 和 resume 支持； 实 现 了 一 系 列 函 数 ， 包 括 alarm_init ， alarm_start_range ， alarm_cancel ， alarm_timer_triggered 函数等。
Alarm.c 的初始化函数 alarm_driver_init 如下： static int __init alarm_driver_init(void){ int err; int i;
for (i = 0; i < ANDROID_ALARM_SYSTEMTIME; i++) { hrtimer_init(&alarms[i].timer, CLOCK_REALTIME, HRTIMER_MODE_ABS); alarms[i].timer.function = alarm_timer_triggered; } hrtimer_init(&alarms[ANDROID_ALARM_SYSTEMTIME].timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_ABS); alarms[ANDROID_ALARM_SYSTEMTIME].timer.function = alarm_timer_triggered; err = platform_driver_register(&alarm_driver); if (err < 0) goto err1; wake_lock_init(&alarm_rtc_wake_lock, WAKE_LOCK_SUSPEND, "alarm_rtc"); rtc_alarm_interface.class = rtc_class; err = class_interface_register(&rtc_alarm_interface); if (err < 0) goto err2;
return 0;
err2: wake_lock_destroy(&alarm_rtc_wake_lock); platform_driver_unregister(&alarm_driver); err1: return err; }
该函数初始化 5 个 alarm device 相关联的 hrtimer 定时器，设置 hrtimer 定时器的回调函数为 alarm_timer_triggered 函数，再注册一个 plateform driver 和 class interface。 如果设置了闹 铃时间，则内核通过 hrtimer 定时器来跟踪是否到时间，到时后会触发调用 hrtimer 的处理 函数 alarm_timer_triggered。alarm_timer_triggered 的 code 如下：
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static enum hrtimer_restart alarm_timer_triggered(struct hrtimer *timer){ struct alarm_queue *base; struct alarm *alarm; unsigned long flags; ktime_t now;
spin_lock_irqsave(&alarm_slock, flags);
base = container_of(timer, struct alarm_queue, timer); now = base->stopped ? base->stopped_time : hrtimer_cb_get_time(timer); now = ktime_sub(now, base->delta);
pr_alarm(INT, "alarm_timer_triggered type %d at %lld
", base - alarms, ktime_to_ns(now));
while (base->first) { alarm = container_of(base->first, struct alarm, node); if (alarm->softexpires.tv64 > now.tv64) { pr_alarm(FLOW, "don't call alarm, %pF, %lld (s %lld)
", alarm->function, ktime_to_ns(alarm->expires), ktime_to_ns(alarm->softexpires)); break; } base->first = rb_next(&alarm->node); rb_erase(&alarm->node, &base->alarms); RB_CLEAR_NODE(&alarm->node); pr_alarm(CALL, "call alarm, type %d, func %pF, %lld (s %lld)
", alarm->type, alarm->function, ktime_to_ns(alarm->expires), ktime_to_ns(alarm->softexpires)); spin_unlock_irqrestore(&alarm_slock, flags); alarm->function(alarm); spin_lock_irqsave(&alarm_slock, flags); } if (!base->first) pr_alarm(FLOW, "no more alarms of type %d
", base - alarms); update_timer_locked(base, true); spin_unlock_irqrestore(&alarm_slock, flags); return HRTIMER_NORESTART; }
它会轮询红黑树中的所有 alarm 节点，符合条件的节点会执行 alarm.function(alarm)，指向 alarm_dev.c 的 alarm_triggered 函数。因为我们在执行 alarm_dev.c 的 alarm_init 时，把每个 alarm 节点的 function 设置成了 alarm_triggered。
请注意这两个函数的区别，alarm_triggered 和 alarm_timer_triggered。前者是 rtc 芯片的 alarm 中断的回调函数，后者是 android alarm_queue->timer 到时的回调函数。
上面说到，alarm_driver_init 注册了一个类接口 class_interface_register(&rtc_alarm_interface)
rtc_alarm_interface 的 code 如下： static struct class_interface rtc_alarm_interface = { .add_dev = &rtc_alarm_add_device, .remove_dev = &rtc_alarm_remove_device, };
在 rtc_alarm_add_device 中，注册了一个 rtc 中断 rtc_irq_register(rtc，&alarm_rtc_task)
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static int rtc_alarm_add_device(struct device *dev, struct class_interface *class_intf){ int err; struct rtc_device *rtc = to_rtc_device(dev);
mutex_lock(&alarm_setrtc_mutex);
if (alarm_rtc_dev) { err = -EBUSY; goto err1; }
alarm_platform_dev = platform_device_register_simple("alarm", -1, NULL, 0); if (IS_ERR(alarm_platform_dev)) { err = PTR_ERR(alarm_platform_dev); goto err2; } err = rtc_irq_register(rtc, &alarm_rtc_task); if (err) goto err3; alarm_rtc_dev = rtc; pr_alarm(INIT_STATUS, "using rtc device, %s, for alarms", rtc->name); mutex_unlock(&alarm_setrtc_mutex);
return 0;
err3: platform_device_unregister(alarm_platform_dev); err2: err1: mutex_unlock(&alarm_setrtc_mutex); return err; }
中断的回调函数为 alarm_triggered_func： static struct rtc_task alarm_rtc_task = { .func = alarm_triggered_func };
static void alarm_triggered_func(void *p){ struct rtc_device *rtc = alarm_rtc_dev; if (!(rtc->irq_data & RTC_AF)) return; pr_alarm(INT, "rtc alarm triggered
"); wake_lock_timeout(&alarm_rtc_wake_lock, 1 * HZ); } 当硬件 rtc chip 的 alarm 中断发生时，系统会调用 alarm_triggered_func 函数。 alarm_triggered_func 的功能很简单，wake_lock_timeout 锁住 alarm_rtc_wake_lock 1 秒。因 为这时，alarm 会进入 alarm_resume，lock 住 alarm_rtc_wake_lock 以防止 alarm 在此时进入 suspend。
AlarmManager.java，该文件提供的接口主要有: 设置闹钟 public void set(int type, long triggerAtTime, PendingIntent operation); 设置周期闹钟。 public void setRepeating(int type, long triggerAtTime, long interval,PendingIntent operation); 取消闹钟 public void cancel(PendingIntent operation);
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上面 3 个函数分别会呼叫到 AlarmManagerSevice.java 以下三个函数： public void set(int type, long triggerAtTime, PendingIntent operation); public void setRepeating(int type, long triggerAtTime, long interval,PendingIntent operation); public void remove(PendingIntent operation);
AlarmManagerSevice.java 通过 JNI 机制可以呼叫 com_android_server_AlarmManagerService.cpp 透出的几个接口。
AlarmManagerSevice.java 有关接口的 code 如下： private native int init(); private native void close(int fd); private native void set(int fd, int type, long seconds, long nanoseconds); private native int waitForAlarm(int fd); private native int setKernelTimezone(int fd, int minuteswest);
com_android_server_AlarmManagerService.cpp 有关接口的对应 code 如下： static JNINativeMethod sMethods[] = { /* name, signature, funcPtr */ {"init", "()I", (void*)android_server_AlarmManagerService_init}, {"close", "(I)V", (void*)android_server_AlarmManagerService_close}, {"set", "(IIJJ)V", (void*)android_server_AlarmManagerService_set}, {"waitForAlarm", "(I)I", (void*)android_server_AlarmManagerService_waitForAlarm}, {"setKernelTimezone", "(II)I", (void*)android_server_AlarmManagerService_setKernelTimezone}, };
当 AP 呼叫 AlarmManager.java 的 set 或 setRepeating 函数时，最终会呼叫 com_android_server_AlarmManagerService.cpp 的 static void android_server_AlarmManagerService_set (JNIEnv* env, jobject obj, jint fd, jint type, jlong seconds, jlong nanoseconds) 在此函数中，会执行 ioctl(fd, ANDROID_ALARM_SET(type), &ts); 然后会呼叫到 alarm-dev.c 中 alarm_ioctl 中，接着 alarm-dev.c 会往它的红黑树中增加一个 alarm 节点。
在 AlarmManagerService 开始的时候，会启动一个 AlarmThread。在这个 AlarmThread 中有一 个 while 循环去执行 waitForAlarm 这个动作，这个函数最终通过 JNI 机制呼叫到 com_android_server_AlarmManagerService.cpp 的 static jint android_server_AlarmManagerService_waitForAlarm(JNIEnv* env, jobject obj, jint fd){ #if HAVE_ANDROID_OS int result = 0; do { result = ioctl(fd, ANDROID_ALARM_WAIT); } while (result < 0 && errno == EINTR); if (result < 0) { LOGE("Unable to wait on alarm: %s
", strerror(errno)); return 0; }
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return result; #endif } 从 code 中可以看到，实际上它是在不断地执行 ioctl (fd，ANDROID_ALARM_WAIT)，上面说 到，当闹钟到期时，alarm.c 中的 alarm_timer_triggered 函数会调用 alarm_triggered，这时， AP 层在呼叫 ioctl ( fd，ANDROID_ALARM_WAIT)时，会返回表示等到 alarm 的返回值。
所以当闹钟到期时，AlarmThread 的 waitForAlarm 会返回一个值。接着通过执行 triggerAlarmsLocked，把几种类型的闹钟列表中符合要求的 alarm 添加到 triggerList 中，然后 用 alarm.operation.send 发送消息，调起小闹钟程序。
AlarmThread 的 code 如下： private class AlarmThread extends Thread { public AlarmThread() { super("AlarmManager"); }
public void run() { while (true) { int result = waitForAlarm(mDescriptor); ArrayList<Alarm> triggerList = new ArrayList<Alarm>(); if ((result & TIME_CHANGED_MASK) != 0) { remove(mTimeTickSender); mClockReceiver.scheduleTimeTickEvent(); Intent intent = new Intent(Intent.ACTION_TIME_CHANGED); intent.addFlags(Intent.FLAG_RECEIVER_REPLACE_PENDING); mContext.sendBroadcast(intent); } synchronized (mLock) { final long nowRTC = System.currentTimeMillis(); final long nowELAPSED = SystemClock.elapsedRealtime(); if (localLOGV) Slog.v( TAG, "Checking for alarms... rtc=" + nowRTC + ", elapsed=" + nowELAPSED);
if ((result & RTC_WAKEUP_MASK) != 0) triggerAlarmsLocked(mRtcWakeupAlarms, triggerList, nowRTC); if ((result & RTC_MASK) != 0) triggerAlarmsLocked(mRtcAlarms, triggerList, nowRTC); if ((result & ELAPSED_REALTIME_WAKEUP_MASK) != 0) triggerAlarmsLocked(mElapsedRealtimeWakeupAlarms, triggerList, nowELAPSED); if ((result & ELAPSED_REALTIME_MASK) != 0) triggerAlarmsLocked(mElapsedRealtimeAlarms, triggerList, nowELAPSED); // now trigger the alarms Iterator<Alarm> it = triggerList.iterator(); while (it.hasNext()) { Alarm alarm = it.next(); try { if (localLOGV) Slog.v(TAG, "sending alarm " + alarm); alarm.operation.send(mContext, 0,
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mBackgroundIntent.putExtra( Intent.EXTRA_ALARM_COUNT, alarm.count), mResultReceiver, mHandler); // we have an active broadcast so stay awake. if (mBroadcastRefCount == 0) { mWakeLock.acquire(); } mBroadcastRefCount++; BroadcastStats bs = getStatsLocked(alarm.operation); if (bs.nesting == 0) { bs.startTime = nowELAPSED; } else { bs.nesting++; } if (alarm.type == AlarmManager.ELAPSED_REALTIME_WAKEUP || alarm.type == AlarmManager.RTC_WAKEUP) { bs.numWakeup++; ActivityManagerNative.noteWakeupAlarm( alarm.operation); } } catch (PendingIntent.CanceledException e) { if (alarm.repeatInterval > 0) { remove(alarm.operation); } } catch (RuntimeException e) { Slog.w(TAG, "Failure sending alarm.", e); } } } } } }
11.4 接口
Android 中，Alarm 的操作通过 AlarmManager 来处理，AlarmManager 系统服务的具体实现 在:frameworks/base/services/java/com/android/server/AlarmManagerServic.java 文件中。应用 程序中可以通过 getSystemService 获得其系统服务，如下所示： AlarmManager alarms = (AlarmManager)getSystemService(Context.ALARM_SERVICE);
为了创建一个新的 Alarm，使用 set 方法并指定一个 Alarm 类型、触发时间和在 Alarm 触发 时要调用的 Intent。如果你设定的 Alarm 发生在过去，那么它将立即触发。
这里有 4 种 Alarm 类型。你的选择将决定你在 set 方法中传递的时间值代表什么，是特定的 时间或者是时间流逝：
RTC_WAKEUP：在指定的时刻（设置 Alarm 的时候），唤醒设备来触发 Intent。 RTC：在一个显式的时间触发 Intent，但不唤醒设备。 ELAPSED_REALTIME：从设备启动后，如果流逝的时间达到总时间，那么触发 Intent，但 不唤醒设备。流逝的时间包括设备睡眠的任何时间。注意一点的是，时间流逝的计算点 是自从它最后一次启动算起。 ELAPSED_REALTIME_WAKEUP：从设备启动后，达到流逝的总时间后，如果需要将唤醒 设备并触发 Intent。
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这 4 种 Alarm 类型详情请参考 frameworks/base/core/java/android/app/AlarmManager.java。
11.5 实例
最后，请看一个 Alarm 的实例： 1、 建立一个 AlarmReceiver 继承入 BroadcastReceiver，并在 AndroidManifest.xml 声明 Public static class AlarmReceiver extends BroadcastReceiver { @Override Public void onReceive (Context context, Intent intent) { Toast.makeText(context, “时间到”, Toast.LENGTH_LONG).show(); } }
2、 建立 Intent 和 PendingIntent，来调用目标组件。 Intent it = new Intent(this, AlarmReceiver.class); PendingIntent pi = PendingIntent.getBroadcast(this, 0, intent, 0);
3、 设置闹钟 获取闹钟管理的实例： AlarmManager am = (AlarmManager)getSystemService(Context.ALARM_SERVICE);
设置单次闹钟： am.set(AlarmManager.RTC_WAKEUP, System.currentTimeMillis() + (5*1000), pi);
设置周期闹钟： am.setRepeating(AlarmManager.RTC_WAKEUP, System.currentTimeMillis() + (10*1000), (24*60*60*1000), pi);