第 17 章：传感器

Android 搭载了通用操作系统中最为完备的传感器框架之一。从实现屏幕旋转的加速度计，到为耳机音频做空间化处理的头部追踪器，同一套架构将数据经由三层定义清晰的层级完成转发：Java/Kotlin 应用 API（SensorManager）、原生系统服务（SensorService）以及厂商 HAL（ISensors）。本章追踪每一个事件：从传感器硬件产生，经过 HAL，进入服务层，最终向上送达应用，同时标注 AOSP 中每一步实现对应的源码文件。17.1 传感器架构概述17.1.1 三层堆栈传感器子系统沿用 AOSP 中随处可见的分层设计。从上至下各层级如下：框架层（Java）—android.hardware.SensorManager及相关类。应用调用registerListener()，在指定 Handler 线程上接收周期性的SensorEvent对象。系统服务层（C++）—SensorService，一个原生 BinderService，运行在system_server的 sensor‑service 线程中（并非运行在 system_server 的 JVM 内部）。它管理连接、虚拟传感器、传感器融合、电源策略以及事件路由。HAL 层（AIDL / HIDL）— 厂商提供的ISensors实现，与实际传感器硬件交互。现代设备使用 AIDL 接口；老旧设备使用 HIDL 1.0 / 2.0 / 2.1。17.1.2 端到端数据通路17.1.3 核心抽象概念类名文件传感器元数据Sensor / SensorInfosensor/Sensor.h、SensorInfo.aidl硬件传感器封装HardwareSensorSensorInterface.h虚拟（融合）传感器VirtualSensorSensorInterface.h运行时传感器RuntimeSensorSensorInterface.h单客户端连接SensorEventConnectionSensorEventConnection.h直连通道SensorDirectConnectionSensorDirectConnection.hHAL 抽象层ISensorHalWrapperISensorHalWrapper.hAIDL HAL 封装AidlSensorHalWrapperAidlSensorHalWrapper.h传感器融合SensorFusion / FusionSensorFusion.h、Fusion.hHAL 设备单例SensorDeviceSensorDevice.h17.1.4 组件图17.2 SensorService — 原生系统服务SensorService是传感器子系统的核心。它既是 BinderService（向 servicemanager 注册为sensorservice），又是 Thread（拥有独立的轮询循环）。源码文件：frameworks/native/services/sensorservice/SensorService.cpp头文件：frameworks/native/services/sensorservice/SensorService.h入口：frameworks/native/services/sensorservice/main_sensorservice.cpp17.2.1 启动：onFirstRef ()当SensorService第一次被引用（通常在 system_server 启动阶段），onFirstRef()执行完整初始化流程：源码关键实现细节：传感器注册。HAL 返回的每个硬件传感器都被封装为HardwareSensor对象（接近传感器除外，它使用ProximitySensor做激活状态跟踪）。调用链：// SensorService.cpp onFirstRef(), 约365行 registerSensor(std::make_sharedHardwareSensor(list[i]));registerSensor()将传感器加入SensorList并创建RecentEventLogger：// SensorService.cpp, 约538行 bool SensorService::registerSensor(std::shared_ptrSensorInterface s, bool isDebug, bool isVirtual, int deviceId) { const int handle = s-getSensor().getHandle(); const int type = s-getSensor().getType(); if (mSensors.add(handle, std::move(s), isDebug, isVirtual, deviceId)) { mRecentEvent.emplace(handle, new SensorServiceUtil::RecentEventLogger(type)); return true; } else { LOG_FATAL("Failed to register sensor with handle %d", handle); return false; } }虚拟传感器条件判断。位掩码virtualSensorsNeeds跟踪哪些复合传感器类型已经由 HAL 原生提供。如果 HAL 本身提供SENSOR_TYPE_GRAVITY（例如来自传感器集线器），SensorService就不会注册软件实现的GravitySensor。编译时标志IGNORE_HARDWARE_FUSION（默认 false）可以强制所有复合传感器全部走软件融合。套接字缓冲区大小。只要任意传感器报告非零的fifoMaxEventCount，套接字缓冲区就会被放大到MAX_SOCKET_BUFFER_SIZE_BATCHED（100KB），单次写入可承载约 1000 个事件。该值会被限制在内核wmem_max上限以内。17.2.2 主线程循环：threadLoop ()SensorService继承 Thread，threadLoop()是核心数据通路。它以SCHED_FIFO优先级 10 运行，最大限度降低抖动。源码：SensorService.cpp，约 1125 行循环逻辑：虚拟传感器处理：每收到一条硬件原始事件，所有激活的虚拟传感器都会调用process()。如果产生输出事件，则追加到缓冲区。缓冲区大小计算公式为MAX_RECEIVE_BUFFER_EVENT_COUNT / (1 + virtualSensorCount)，保证最坏场景下（每一条输入事件都触发全部虚拟传感器输出）有足够存储空间。唤醒锁协议：当poll()返回唤醒传感器事件时，SensorService持有SensorService_wakelock部分唤醒锁，直到全部SensorEventConnection完成应答（由SensorEventAckReceiver线程处理）。Looper 设置 5 秒超时，避免唤醒锁永久泄漏。17.2.3 事件分发：sendEventsToAllClients ()// SensorService.cpp, 约1063行 void SensorService::sendEventsToAllClients( const std::vectorspSensorEventConnection activeConnections, ssize_t count) { bool needsWakeLock = false; for (const spSensorEventConnection connection : activeConnections) { connection-sendEvents(mSensorEventBuffer, count, mSensorEventScratch, mMapFlushEventsToConnections); needsWakeLock |= connection-needsWakeLock(); if (connection-hasOneShotSensors()) { cleanupAutoDisabledSensorLocked(connection, mSensorEventBuffer, count); } } if (mWakeLockAcquired !needsWakeLock) { setWakeLockAcquiredLocked(false); } }每一个SensorEventConnection从全局缓冲区过滤出该客户端注册过的传感器事件，写入自身 BitTube 套接字。mSensorEventScratch缓冲区用于过滤过程中的临时存储。17.2.4 SensorEventConnection — 客户端状态Java 层每调用一次SensorManager.registerListener()，原生层就会创建对应的SensorEventConnection。源码：frameworks/native/services/sensorservice/SensorEventConnection.h关键字段：字段用途mChannel (BitTube)Unix 套接字对，用于事件投递mSensorInfo传感器句柄到 FlushInfo 的映射表mEventCache套接字满时的事件缓存mWakeLockRefCount尚未应答的唤醒事件计数mUid所属应用的 UIDmTargetSdk用于采样率限制策略sendEvents()为热点路径，执行逻辑：从全局事件缓冲区过滤出该连接注册的传感器；前置待处理的 flush 完成事件；每个数据包中恰好标记一个唤醒事件，打上WAKE_UP_SENSOR_EVENT_NEEDS_ACK标记；通过SOCK_SEQPACKET向 BitTube 写入；如果写入失败（套接字已满），缓存事件等待后续发送。17.2.5 SensorDirectConnection — 低时延通路对于时延敏感应用（游戏、VR），SensorDirectConnection完全绕开 BitTube 套接字。由 HAL 直接把事件写入共享内存（ashmem 或 gralloc）。源码：frameworks/native/services/sensorservice/SensorDirectConnection.h直连通道事件采用固定 104 字节格式（DIRECT_REPORT_SENSOR_EVENT_TOTAL_LENGTH），搭配原子计数器，应用轮询检测新数据；通道配置完成后，完全消除系统调用开销。17.2.6 工作模式SensorService支持 5 种工作模式，可通过 dumpsys 控制：模式值用途NORMAL0标准运行DATA_INJECTION1接收注入数据，用于算法测试RESTRICTED2仅白名单包可使用传感器（CTS 测试）REPLAY_DATA_INJECTION3注入数据投递到全部应用HAL_BYPASS_REPLAY_DATA_INJECTION4注入数据缓存在 SensorDevice 层模式切换命令：# 进入RESTRICTED模式（CTS测试） adb shell dumpsys sensorservice restrict .cts. # 进入DATA_INJECTION模式 adb shell dumpsys sensorservice data_injection .xts. # 切回NORMAL adb shell dumpsys sensorservice enable17.2.7 传感器隐私与 UID 策略SensorService实现两套相互独立的访问控制机制：UID 策略（UidPolicy）：通过IUidObserver跟踪每个 UID 处于 ACTIVE 或 IDLE 状态。IDLE 状态 UID（后台应用）收不到传感器事件；UID 切换到 ACTIVE 时，事件投递自动恢复。传感器隐私（SensorPrivacyPolicy）：系统全局开关，关闭所有应用的传感器。开启后，全部直连通道停止，所有传感器订阅暂停，拒绝新的注册。独立的MicrophonePrivacyPolicy处理麦克风隐私开关，会将运动传感器采样率限制到 200Hz（5ms 周期），防范声学侧信道攻击。17.2.8 隐私相关采样率限制面向 Android S 及以上、且没有HIGH_SAMPLING_RATE_SENSORS权限的应用，采样率上限为 200Hz（SENSOR_SERVICE_CAPPED_SAMPLING_PERIOD_NS = 5,000,000 ns）。直连通道则限制为SENSOR_DIRECT_RATE_NORMAL（最高约 110Hz）。源码：SensorService.h，67‑74 行#define SENSOR_SERVICE_CAPPED_SAMPLING_PERIOD_NS (5 * 1000 * 1000) #define SENSOR_SERVICE_CAPPED_SAMPLING_RATE_LEVEL SENSOR_DIRECT_RATE_NORMAL17.3 Sensor HAL — 厂商接口17.3.1 ISensors AIDL 接口现代设备使用 AIDL 版本 Sensors HAL，定义文件：hardware/interfaces/sensors/aidl/android/hardware/sensors/ISensors.aidl接口核心方法：方法用途getSensorsList()获取全部静态传感器列表initialize(eventQueueDescriptor, wakeLockDescriptor, callback)初始化 FMQ 与回调activate(sensorHandle, enabled)使能 / 关闭传感器batch(sensorHandle, samplingPeriodNs, maxReportLatencyNs)配置采样率与批处理flush(sensorHandle)触发 FIFO 刷新injectSensorData(event)注入测试数据registerDirectChannel(mem)注册共享内存直连通道unregisterDirectChannel(channelHandle)注销直连通道configDirectReport(sensorHandle, channelHandle, rate)配置直报模式setOperationMode(mode)切换 NORMAL / DATA_INJECTION 模式17.3.2 Fast Message Queues（FMQ，快速消息队列）AIDL HAL 使用两套 FMQ 实现零拷贝、无锁数据传输：Event FMQ：HAL 写入Event对象（传感器数据）；写完后调用EventFlag::wake()，带上EVENT_QUEUE_FLAG_BITS_READ_AND_PROCESS唤醒框架。Wake Lock FMQ：框架写入唤醒事件的应答计数。HAL 读取该计数，确认可以释放自身SensorsHAL_WAKEUP唤醒锁。设置WAKE_LOCK_TIMEOUT_SECONDS（1 秒）超时，防止框架无响应造成唤醒锁泄漏。17.3.3 SensorInfo — 传感器描述每个传感器由可序列化 Parcelable 对象SensorInfo描述。源码：hardware/interfaces/sensors/aidl/android/hardware/sensors/SensorInfo.aidl字段类型说明sensorHandleint传感器唯一标识句柄nameString可读名称vendorString硬件厂商versionint驱动 + 硬件版本typeSensorType传感器类型枚举typeAsStringStringOEM 自定义类型标识（例如 com.google.glass.onheaddetector）maxRangefloatSI 单位下最大量程resolutionfloat最小可检测变化量powerfloat功耗，单位 mA