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前面連續(xù)多篇折騰了終端和命令行，本篇先初步了解X，并敬請(qǐng)期待下一篇：在Windows上折騰X。

0x00 前言

圖形環(huán)境不是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與生俱來(lái)的，現(xiàn)在習(xí)慣了Windows、Mac OS的用戶，對(duì)于圖形用戶界面（GUI）得心應(yīng)手，然而早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只有個(gè)黑框框，僅少數(shù)專業(yè)人員能夠駕馭。一般認(rèn)為，是施樂公司帕洛阿爾托研究中心 (Xerox PARC)在1973年首次研發(fā)出圖形用戶界面，具備了現(xiàn)代圖形環(huán)境基本元素。這個(gè)激動(dòng)人心的發(fā)明，還沒有被施樂公司好好利用起來(lái)掙錢的時(shí)候，很快被蘋果、微軟等多家公司“借鑒”，伴隨著PC發(fā)展，各家GUI系統(tǒng)群雄逐鹿，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

0x01 X Window System

規(guī)范

1984年MIT大學(xué)創(chuàng)造了X規(guī)范，就類似TCP/IP協(xié)議棧一樣。本義是在UNIX系統(tǒng)構(gòu)建圖形化視窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)確名稱叫“X Window System”，注意拼寫不是“Windows”，與微軟、與Windows沒任何關(guān)系。
X規(guī)范在1987年形成了第11版（Version 11），1994年發(fā)布第11版的第6次發(fā)行（Release 6），確切版本名即為“X11R6”，后來(lái)成為UNIX上圖形視窗系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也簡(jiǎn)稱“X11”或者“X”，目前最新版本是2012年發(fā)布的“X11R7.7”。
X11 圖源：維基百科

“X11”采用了C/S的架構(gòu)，在其設(shè)計(jì)下，整個(gè)圖形視窗系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：

• X Server（X服務(wù)器）。X Server一方面負(fù)責(zé)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)交互，監(jiān)聽顯示器和鍵盤鼠標(biāo)，另一方面響應(yīng)X Client需求傳遞鍵盤、鼠標(biāo)事件、（通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)）繪制圖形文字等。反直覺之一，X Server運(yùn)行在本地。
• X Client（X客戶端）。X Client也叫X應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)程序邏輯，在收到設(shè)備事件后計(jì)算出繪圖數(shù)據(jù)，由于本身沒有繪制能力，只能向X Server發(fā)送繪制請(qǐng)求和繪圖數(shù)據(jù)，告訴X Server在哪里繪制一個(gè)什么樣的圖形。X Client可以和X Server在同一個(gè)主機(jī)上，也可以通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。
• Window Manager（窗口管理器，簡(jiǎn)稱WM），或者叫合成器（Compositor）。多個(gè)X Client向X Server發(fā)送繪制請(qǐng)求時(shí)，各X Client程序并不知道彼此的存在，繪制圖形出現(xiàn)重疊、顏色干擾等問題是大概率事件，這就需要一個(gè)管理者統(tǒng)一協(xié)調(diào)，即Window Manager，它掌管各X Client的Window（窗口）視覺外觀，如形狀、排列、移動(dòng)、重疊渲染等。反直覺之二，Window Manager并非X Server的一部分，而是一個(gè)特殊的X Client程序。

3個(gè)部分， X Server是整個(gè)X Window System的中心，協(xié)調(diào)X客戶端和窗口管理器的通信。

X11的C/S架構(gòu) 圖源：維基百科

“X11”充分遵循UNIX設(shè)計(jì)哲學(xué)，盡可能簡(jiǎn)單，除非必要絕不新增功能，其實(shí)也意味著粗糙、原始；提供機(jī)制而非具體策略，如菜單、按鈕等元素細(xì)節(jié)并不做規(guī)定，交給窗口管理器、客戶端程序等自主實(shí)現(xiàn)，于是不同的實(shí)現(xiàn)風(fēng)格各異。任何遵循了X11規(guī)范的客戶端程序和服務(wù)器程序配合起來(lái)，即可正常運(yùn)行，X11得益其開放性，迅速發(fā)展，成為UNIX系統(tǒng)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

假定多個(gè)X客戶端程序及窗口管理器在主機(jī)A上，某個(gè)X Server（如下文X.Org Server）運(yùn)行在主機(jī)B上，程序運(yùn)行過(guò)程可簡(jiǎn)化如下過(guò)程。

1. 某個(gè)X客戶端進(jìn)程啟動(dòng)，向主機(jī)B發(fā)送連接請(qǐng)求，目標(biāo)地址可通過(guò)命令行或配置文件指定，如果給定的地址已有X Server正在監(jiān)聽端口，則進(jìn)行下一步；
2. 主機(jī)B上的X Server返回一個(gè)連接正確響應(yīng)，X Server也可以配置接受或拒絕某些地址的請(qǐng)求；
3. X客戶端向X Server發(fā)送渲染請(qǐng)求及窗口界面數(shù)據(jù)；
4. X Server一方面將窗口界面數(shù)據(jù)交給顯示驅(qū)動(dòng)計(jì)算渲染緩沖，另一方面綜合各個(gè)X客戶端的渲染請(qǐng)求，計(jì)算更新區(qū)域，但它并不知道如何將多個(gè)窗口“合成到一起”，于是將更新區(qū)域事件發(fā)給窗口管理器；
5. 窗口管理器了解到需要在屏幕上重新合成一塊區(qū)域，再向X Server發(fā)送整個(gè)屏幕的繪制請(qǐng)求和數(shù)據(jù)；
6. X Server將繪圖數(shù)據(jù)交給顯示驅(qū)動(dòng)計(jì)算所有渲染緩沖，并最終繪制圖形；
7. 運(yùn)行過(guò)程中，X Server可能收到主機(jī)B上的鼠標(biāo)、鍵盤事件，經(jīng)計(jì)算后，X Server決定發(fā)給哪個(gè)X客戶端（即獲得焦點(diǎn)）；
8. X客戶端收到鼠標(biāo)、鍵盤事件后，回調(diào)事件處理，并計(jì)算界面該如何更新；
9. 循環(huán)第3~8，直至X客戶端收到關(guān)閉事件，進(jìn)程終止、連接斷開。

X繪圖過(guò)程示意
以上過(guò)程，主機(jī)A和B的CPU架構(gòu)、操作系統(tǒng)可能都不相同，若A和B是同一個(gè)主機(jī)，就相當(dāng)于在本地繪圖、顯示了。

XFree86和X.Org等實(shí)現(xiàn)

X11只是規(guī)范，并不是代碼實(shí)現(xiàn)。MIT另外只給了工具包和參考實(shí)現(xiàn)，參考實(shí)現(xiàn)的意思是不考慮性能只演示工作原理。

1992年，XFree86項(xiàng)目順利開展，作為X Window System的一個(gè)早期開源實(shí)現(xiàn)，兼容IBM PC機(jī)（XFree86中86的含義），得到廣泛應(yīng)用，項(xiàng)目地址http://www.。至2004年，由于項(xiàng)目?jī)?nèi)部爭(zhēng)論和許可證分歧，XFree86從GPL協(xié)議改為XFree86 License發(fā)布，項(xiàng)目從開放走向封閉。

2004年，X.Org基金會(huì)成立，開始領(lǐng)導(dǎo)X項(xiàng)目，不僅推動(dòng)X規(guī)范本身發(fā)展，還在XFree86 4.4 RC2版基礎(chǔ)上開發(fā)了X規(guī)范的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)——X.Org Server，原來(lái)XFree86上很多開發(fā)者也轉(zhuǎn)向了X.Org Server，由于更加開放而被多數(shù)GNU/Linux發(fā)行版使用，項(xiàng)目官網(wǎng)https://www.，源代碼庫(kù)地址 http://cgit./xorg/xserver，2019年發(fā)布的穩(wěn)定版為1.20.5。

• 在X Client方面，X.Org Server實(shí)現(xiàn)了2個(gè)開發(fā)庫(kù)，Xlib和XCB，便于開發(fā)者編寫X應(yīng)用程序。
• 在X Server方面，X.Org Server實(shí)現(xiàn)了“X Window System”核心規(guī)范及多個(gè)擴(kuò)展組件。
• 在Window Manager方面，X.Org Server繼承XFree86項(xiàng)目的twm。
• 其他，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)X Display Manager（X顯示管理器）——xdm。通常透過(guò)字符終端登錄Linux主機(jī)時(shí)，用戶僅能獲得字符環(huán)境，而X顯示管理器實(shí)現(xiàn)XDMCP規(guī)范（X Display Manager Control Protocol），為多用戶提供圖形登錄、會(huì)話管理服務(wù)，允許用戶登錄時(shí)自主選擇使用哪個(gè)Window Manager等。

除上X Server，X11系統(tǒng)客戶端、窗口管理器也有著很多種實(shí)現(xiàn)。

• 客戶端。Xlib及其替代者XCB開發(fā)庫(kù)過(guò)于靠近底層，于是就出現(xiàn)了進(jìn)一步封裝、抽象級(jí)別更高的GUI庫(kù)，如QT、GTK等，比方說(shuō)前者提供繪制點(diǎn)線面的方法，后者提供繪制按鈕、滾動(dòng)條、下拉菜單等控件的方法，更高層次的抽象對(duì)于簡(jiǎn)化開發(fā)工作的重要性不言而喻。在眾多X客戶端程序中，有一個(gè)比較著名——xterm，它是基于X的終端模擬器，兼容VT102，也是X研發(fā)初期所計(jì)劃的少數(shù)客戶端程序之一。GNU/Linux發(fā)行版中設(shè)備/dev/tty1~tty6對(duì)應(yīng)著6個(gè)全屏純字符的終端模擬器，通過(guò)Ctrl-Alt-F1~F6切換，顯示能力有限；如果運(yùn)行到圖形環(huán)境（通過(guò)Ctrl-Alt-F7切換），一般都集成了xterm，可配置的特性十分豐富，其他的諸如Gnome Terminal、Konsole、xfce-term等終端模擬器，或基于xterm，或參考xterm，增加了更多高級(jí)功能，如tab標(biāo)簽頁(yè)、圖片顯示等。
• 窗口管理器。常見如Metacity、Mutter、KWin、 vtwm、Xfwm、Compiz等，功能、風(fēng)格各異，有的注重簡(jiǎn)潔高效，有的注重外觀酷炫。
• 服務(wù)器。X.Org Server占絕對(duì)統(tǒng)治地位，但也有其他衍生變種或移植，如XQuartz以及Cygwin/X、Xming、WeirdX，它們所支持的系統(tǒng)平臺(tái)、底層庫(kù)也都不一樣。

需注意的是，X Window System誕生比Linux早，也不是UNIX或Linux內(nèi)核的一部分，而是用戶態(tài)的軟件組件，用戶在系統(tǒng)上可以選擇啟用或禁用X。

桌面環(huán)境

X Window System各個(gè)部分都有著多種實(shí)現(xiàn)，X規(guī)范本身特別偏底層，加之GNU/Linux自由開放的特點(diǎn)，有不少項(xiàng)目在X規(guī)范基礎(chǔ)之上進(jìn)一步封裝，并把上述各組件、圖標(biāo)、主題、及其他特色組件打包在一起，形成開箱即用的桌面環(huán)境（Desktop Environment），常見如Gnome、KDE、Unity、XFCE、LXDE等，不一一列舉，每種桌面環(huán)境都有不少用戶群體，所支持的系統(tǒng)平臺(tái)、底層庫(kù)也各不一樣。

另值得一提的是，中國(guó)武漢深之度科技公司基于Debian（早先基于Ubuntu）打造的GNU/Linux發(fā)行版Deepin，擁有自己的桌面環(huán)境DDE，即Deepin Desktop Environment，Deepin系統(tǒng)在DistroWatch上排名比較靠前，DDE也同時(shí)支持其他GNU/Linux發(fā)行版。

Deepin桌面環(huán)境 圖源：Deepin官網(wǎng)

應(yīng)用場(chǎng)景

X11規(guī)范的模塊化設(shè)計(jì)，最大的好處是X Client和X Server相互獨(dú)立，并不需要了解彼此所處的硬件、軟件環(huán)境。常見的X應(yīng)用程序諸如xterm、輸入法、Web瀏覽器、Office套件等等，部署在一臺(tái)Linux主機(jī)上，如果這個(gè)主機(jī)也同時(shí)部署了X Server，那么運(yùn)行這些X應(yīng)用程序毫無(wú)障礙，這是作為桌面計(jì)算機(jī)的常見應(yīng)用場(chǎng)景。

另一種應(yīng)用場(chǎng)景，Linux主機(jī)通常作為服務(wù)器使用，未配備比較好的圖形顯卡等硬件，也沒有必要部署X Server，從終端登錄到Linux主機(jī)也僅有字符界面，那X應(yīng)用程序該如何運(yùn)行呢？可以在圖形顯卡等硬件設(shè)備比較好的Windows/Mac主機(jī)上部署X Server，保持與Linux主機(jī)網(wǎng)絡(luò)連通，在Linux主機(jī)上寫好配置文件，配置好X Server地址和X11請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)（X11 Forwarding），從任意一個(gè)終端登錄到Linux主機(jī)并啟動(dòng)X客戶端應(yīng)用程序，就可以使程序的圖形界面顯示在Windows/Mac主機(jī)上，并與用戶交互。事實(shí)上，在1990年代初期，就有這樣的硬件設(shè)備，稱為“X終端機(jī)（X terminal）”，專門部署X Server，將遠(yuǎn)端UNIX主機(jī)上的圖形界面程序顯示出來(lái)，這也正是MIT研發(fā)X的初衷之一。

X 終端機(jī) 圖源：維基百科

從場(chǎng)景描述看出，與常規(guī)Client/Server所不同的是，通常X Server部署在本地用戶主機(jī)上，監(jiān)聽、調(diào)控本地用戶主機(jī)的硬件設(shè)備，而X Client可能部署在遠(yuǎn)端服務(wù)器/嵌入式設(shè)備上，也可能在本地。

0x02 X的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

一方面，X工作在用戶空間，X客戶端程序不能直接訪問顯示驅(qū)動(dòng)、X Server與X客戶端及窗口管理器之間繁瑣的通信流程，拉低了繪圖效率；另一方面，通過(guò)擴(kuò)展、補(bǔ)丁手段允許在本地直接訪問顯示驅(qū)動(dòng)，又造成穩(wěn)定性問題。總之，X的設(shè)計(jì)隨著新技術(shù)發(fā)展而顯得臃腫、過(guò)度復(fù)雜，背負(fù)了沉重的歷史包袱。

Wayland

2008年，紅帽公司（RedHat）的開發(fā)者Kristian H?gsberg利用業(yè)余時(shí)間搞起了Wayland項(xiàng)目，2010年Wayland加入了Freedesktop.org項(xiàng)目，項(xiàng)目官網(wǎng)為https://wayland.，代碼開源地址https://cgit./wayland/wayland。

Wayland是一個(gè)新的圖形窗口系統(tǒng)方案，一套旨在取代X的新規(guī)范。與X最大的不同是，Wayland將X中的Server和窗口管理器整合到一起作為服務(wù)端，稱為合成器（Compositor），架構(gòu)上只分了客戶端和合成器兩大部件，有沒有覺得終于看著舒服了一些。

• 客戶端（Wayland Client），直接計(jì)算各自界面的渲染緩沖數(shù)據(jù)，客戶端程序需要和渲染庫(kù)（如OpenGL）鏈接。
• 合成器（Wayland Compositor），匯總所有客戶端的渲染數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各界面窗口“合成”，最后交給顯示驅(qū)動(dòng)繪圖。
  Wayland項(xiàng)目提供了兩套底層庫(kù)libwayland-server和libwayland-client，簡(jiǎn)化圖形程序開發(fā)，還給了一個(gè)Compositor參考實(shí)現(xiàn)——Weston。

假定多個(gè)Wayland客戶端程序在主機(jī)A上，某個(gè)Wayland Compositor（如Weston）運(yùn)行在主機(jī)B上。

1. 某個(gè)客戶端進(jìn)程啟動(dòng)，向主機(jī)B發(fā)送連接請(qǐng)求，目標(biāo)地址可通過(guò)命令行或配置文件指定，如果給定的地址已有Compositor正在監(jiān)聽端口，則進(jìn)行下一步；
2. 主機(jī)B上的Compositor返回一個(gè)連接正確響應(yīng)，Compositor也可以配置接受或拒絕某些地址的請(qǐng)求；
3. 客戶端自行生成UI界面和渲染緩沖，不需要向Compositor發(fā)送繪制請(qǐng)求，但需要發(fā)送更新區(qū)域事件，告知渲染緩沖中更新了哪些內(nèi)容；
4. Compositor綜合各客戶端的區(qū)域更新事件，重新合成整個(gè)屏幕，并交給顯示驅(qū)動(dòng)繪制圖形；
5. 運(yùn)行過(guò)程中，Compositor可能收到主機(jī)B上的鼠標(biāo)、鍵盤事件，經(jīng)計(jì)算后，Compositor決定發(fā)給哪個(gè)客戶端（即獲得焦點(diǎn)）；
6. 客戶端收到鼠標(biāo)、鍵盤事件后，回調(diào)事件處理；
7. 循環(huán)第3~6，直至客戶端收到關(guān)閉事件，進(jìn)程終止、連接斷開。

Wayland繪圖過(guò)程示意
Wayland適用于桌面設(shè)備，也適用于移動(dòng)設(shè)備，原來(lái)基于X的GUI庫(kù)、桌面環(huán)境很快適配了對(duì)Wayland的支持，如Qt、Gnome、KDE、Compiz等，Ubuntu更是早在2010年就將Unity切換到適配Wayland。Wayland依賴了較多Linux內(nèi)核技術(shù)，不易移植到其他系統(tǒng)平臺(tái)。

XWayland

Wayland開發(fā)者在X.Org Server基礎(chǔ)上打上系列補(bǔ)丁，稱為XWayland，目的是在Wayland規(guī)范之上搞成新的X Server，在Wayland環(huán)境中運(yùn)行X客戶端程序時(shí)，Wayland合成器（如Weston）調(diào)用XWayland進(jìn)行服務(wù)，以便在過(guò)渡到Wayland過(guò)程中保持對(duì)X的兼容性。

Mir

2013年，Ubuntu背后的開發(fā)商Canonical公司搞出來(lái)Mir項(xiàng)目，計(jì)劃用Mir取代X并兼容X客戶端程序，并且同時(shí)支持桌面設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備，統(tǒng)一用戶體驗(yàn)。這種搞分裂的行為招致了批評(píng)，萬(wàn)萬(wàn)沒想到的是，2017年Canonical公司又放棄了Mir項(xiàng)目并加大對(duì)Wayland的支持。

其他

• 蘋果公司在MacOS和iOS中，使用Quartz作為自己的圖形窗口系統(tǒng)。
• Android系統(tǒng)上，使用SurfaceFlinger作為自己的圖形窗口系統(tǒng)。
• 歷史上還有一些激進(jìn)的方案，逐漸被淘汰。

0x03 總結(jié)

盡管有這樣那樣的問題，X仍然是GNU/Linux、UNIX上的主力，Wayland作為強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，在遠(yuǎn)程桌面方面亦存在問題，重度依賴Linux內(nèi)核技術(shù)不易移植到其他系統(tǒng)平臺(tái)。在微軟的WSL崛起之時(shí)，X的優(yōu)勢(shì)倒可以盡情發(fā)揮出來(lái)。
敬請(qǐng)期待下一篇，在Windows上折騰X。

參考

• 騰訊科技：電腦操作系統(tǒng)圖形用戶界面38年進(jìn)化史
• https://en./wiki/X_Window_System
• http://www.
• https://www.
• https://en./wiki/X.Org_Server
• https:///xterm
• https://wayland.