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Chapter 6：Xwindow

X Window 系统：详细版笔记

Xwindow

Introduction

  • 基本定位
    • 行业标准的软件系统，用来在网络工作站上开发可移植的图形界面。
    • 同时是一套窗口系统的规范与实现，并提供简单的编程接口。
  • 历史与普及
    • 由 MIT、DEC、IBM 等机构共同开发。
    • 自 1986 年首次发布以来，已在几乎所有类型的位图图形显示设备上实现。
  • 版本信息
  • 图形扩展
    • 早期并不存在针对现代 GPU 和视频加速的复杂 2D/3D 客户端渲染库。
    • 目前这类能力通过 X 的扩展（X extensions） 来提供和支持。

X 的主要特性（X Features）

  • 与机器架构和操作系统无关
    • 图形编程接口在所有平台上保持一致。
    • 同一程序可在网络中任意主机运行，但把图形显示到任意工作站上。
  • 支持多应用共享同一屏幕
    • 多个应用程序可以同时在一个显示屏上绘制。
    • 应用之间可以共享窗口及其他屏幕资源。
  • 提供丰富的编程库且源码开放
    • 有大量 X 库可用，源代码可自由获取和分发。

X 的客户端–服务器模型（Client-Server Model）

  • X Display Server（X 显示服务器）
    • 单一进程，管理本工作站的图形显示和 I/O 设备。
    • 运行在带图形显示的工作站上。
    • 通过网络与各个 X Client 通信。
  • X Clients（X 客户端）
    • 请求服务器进行图形显示的应用程序。
    • 使用 X-Protocol 通过网络与服务器通信。
    • 上层还可以有更高级的库对 X-Protocol 做封装（如 Xlib 等）。

X Server 与 X Clients（X Server and X Clients）

  • 基本关系
    • 每个 X 显示都对应一个 X 服务器。
    • 任何想在这个显示上画图的进程都可以是一个 X Client。
  • 显示名称（display name）格式
    • hostname:displaynumber.screennumber
    • 例：
      • :0.0, :0.1, :0.2 等 → 本地默认 X 服务器的不同屏幕。
      • :0 → 本地默认 X 服务器的默认屏幕。
  • 通信方向
    • 客户端向服务器发 请求（requests），服务器返回 应答（replies），如图示多个 X Client 连接同一个 X Server。

客户端/服务器通信（Client/Server Communication）

  • Requests（客户端 → 服务器，约 100 种类型）
    • 窗口操作：创建、销毁、移动、缩放等。
    • 2D 图形函数：画线、画圆、绘制文本等。
    • 资源分配：字体、颜色等图形资源。
    • 事件管理：注册/管理感兴趣的事件
  • 键盘移动了 or 鼠标双击or鼠标移动
  • 特点：通常是异步(asynchronous)的（客户端发出请求后默认认为成功，不必等待立即回复）。
  • Replies（服务器 → 客户端）
    • 服务器针对客户端请求返回的数据包，例如返回当前鼠标位置。
    • 一般与某个请求同步（客户端需要等待这个结果）。
    • XCB（X C Binding）库改进了这一机制，允许一次发送多条请求，再在需要时批量或延迟获取回复，提高效率。

X Events（X 事件）

  • 定义
    • 由服务器发送的消息，是用户操作（通常是输入）直接或间接产生的结果。
    • 用于通知客户端：有“感兴趣”的事情发生，需要客户端处理。
  • 事件种类（共约 34 类，示例）
    • 键盘输入。
    • 定位器（鼠标）移动。
    • 鼠标按键输入。
    • 窗口状态、大小、位置、层叠顺序的变化。
    • 窗口属性变化。
    • 窗口全部或部分区域需要重绘（exposure）。
    • 选择、剪切/粘贴信息的相关事件。
    • 其他客户端发送的消息事件。

事件机制（Event Mechanism）

  • 事件选择（event mask）
    • 客户端通过设置 事件掩码 来声明自己希望接收的事件类型。
    • 事件掩码是一个位掩码，每一位对应一种事件。
    • 示例调用：
c
XSelectInput(theDisp, mainW,
             ExposureMask | KeyPressMask |
             StructureNotifyMask | ButtonPressMask);
  • 队列机制
    • 请求和事件都通过队列管理。
    • 服务器为每个客户端维护其请求队列和事件队列。
    • 客户端通过 API（如 XNextEvent(theDisp, &event);）从队列中依次取出事件并处理。

服务器资源（Server Resources）

  • 定义
    • 由 X 服务器维护、可以被所有客户端使用/共享的对象。
  • 典型类型
    • 窗口（Windows，最基础的资源）
    • 图形上下文（Graphics Context，保存绘图属性的一组参数）
    • 字体（Fonts）
    • 光标（Cursors）
    • 颜色映射表（Color Maps）
    • 像素图/位图（Pixmaps）等。
  • 生命周期
    • 资源存放在服务器端。
    • 但由客户端通过请求来创建、使用、销毁。
  • 标识方式
    • 每个资源都有一个由服务器分配的 resource ID 作为唯一标识。
  • 共享特性
    • 同一资源可以被多个客户端低成本地共享（如共享字体、颜色表、pixmap 等）。

Microsoft Windows 和 X windows 区别在哪里

前者是Operating System， 后者是GUI

X Window：最基础的资源（A Window: The Most Fundamental X Resource）

  • 窗口的本质
    • 窗口是屏幕上的一个简单矩形区域。
    • 特点：
      • 无装饰（No decorations）：边框、标题栏等不属于窗口本体。
      • 有自己的坐标系：窗口内部的绘图与事件位置以该坐标系为准。
      • 可组合成更高层界面对象：多个窗口叠加/嵌套可构成按钮、面板等组件。
      • 一个应用可能有很多窗口：可能达到数百个（用于不同控件/区域）。
  • 窗口的属性与属性集（attributes & properties）
    • 每个窗口都带有一组属性/属性项。
    • 客户端可以通过向服务器发送请求来修改这些属性/属性项（例如大小、背景、事件订阅等）。
  • 窗口曝光（window exposure）与重绘责任
    • 当窗口内容被遮挡后又重新露出（exposure）时：
      • 客户端负责维护并重绘窗口内容（服务器不保证替你保存内容）。
      • X Composite Extension 可以对内容进行缓冲（buffer），但是否启用取决于服务器端设置，而非客户端单方面决定。
  • 窗口树（Window Trees）与窗口管理器（Window Manager）
    • 窗口按层级结构组织成 窗口树（Window Trees）。
    • 窗口管理器可以对窗口进行操作与装饰：如移动、缩放、加边框/标题栏等。

X11 的问题与替代方案（X11 Problems and Its Replacements）

  • 窗口管理器（Window Manager）的定位
    • Window Manager 本质上是一个特殊的 X Client。
    • 它维护系统中所有窗口的信息：窗口列表、位置、大小、遮挡/重叠关系等，并据此进行管理。
  • 现代桌面环境带来的复杂性（合成式窗口管理）
    • 现代桌面环境（如 GNOME、KDE）通常采用合成式窗口管理器（compositing WM / compositor）。
    • 合成器的关键做法：
      • 为每个窗口维护一个离屏缓冲区（off-screen buffer）；
      • 再把这些缓冲区合成为最终的顶层画面显示到屏幕上（实现透明、阴影、动画等效果）。
  • X11 架构的核心问题：仍可实现，但过于复杂
    • X 架构并非不能支持合成，但在现实中会形成较复杂的链路：
      • X Clients → X Server → Compositor（合成器）→ 内核显示/输入子系统（如 KMS、evdev）
    • 结果：组件分层多、职责分散，整体架构显得冗长且复杂。
  • 替代方向：Wayland 的简化思路
    • Wayland 将“显示服务器 + 合成器”的角色更集中：
      • Wayland Compositor 直接作为核心组件，统一负责合成与显示，并与内核的 KMS/evdev 交互；
      • Wayland Clients 直接与 Wayland Compositor 通信。
    • 典型链路：
      • Wayland Clients → Wayland Compositor → 内核（KMS、evdev）
    • 目标：在满足现代合成需求的同时，减少 X11 式的结构复杂度。 img

Wayland 介绍（幻灯片给出的参考）：

https://wayland.freedesktop.org/

Ctrl Z + bg

或者 xterm &

使用 X 的常用命令（Using X Commands）

  • xset q
    • 用途：查询当前 X display 的状态与配置（query your X display）。
  • xterm [-option]
    • 用途：启动一个 X 终端窗口（open an X terminal）。
    • 说明：xterm 的可选参数很多，可用于配置终端外观（字体、颜色、大小等）。
  • 其他常见 X 工具（utilities）
    • xwininfo：查看窗口信息（如窗口 ID、大小、位置、层级等）。
    • xeyes：演示程序（眼睛跟随鼠标移动）。
    • xclock：时钟程序。
    • 以及更多同类工具。
  • 延伸问题（本页提出）
    • 如何在一台机器上运行 X 程序，但把 GUI 显示到另一台机器上？
    • 要点通常与 X 的网络透明性有关：需要指定目标显示（display）并允许远端连接（后续页一般会讲 DISPLAY、ssh -X/-Y、xhost 等）。

远程运行 X 程序（Remotely Running X Program）

  • 场景设定
    • 程序运行在 机器 A，X 显示服务器（X display server）运行在 机器 B。
    • 直接传输时属于不安全数据（unsecured data）。
方法一：直接让 B 接收来自 A 的图形输出（不安全/需授权）
  • 在机器 B 上：允许 A 连接到本机 X 服务器
    • 命令：
    • machine_b$ xhost +machine_a # 或者使用 xauth
    • 含义：让 B 的 X server 接受来自 A 的图形连接请求。
  • 在机器 A 上：指定图形应该显示到哪台机器
    • 命令：
    • machine_aexportDISPLAY=machineb:0.0machinea export DISPLAY=machine_b:0.0 machine_a your_program
    • 含义：把应用的显示目标设置为 B 的 display（:0.0）。
方法二：通过安全隧道做 X 转发（X forwarding through secured tunnel）
  • 开启 SSH 的 X11 转发能力（配置层面）
    • 在机器 A 的 SSH 配置中打开 ForwardX11（文件：/etc/ssh/ssh_config）。
    • 作用：在 A 上创建一个虚拟 X server，并且会自动设置 DISPLAY。
  • 在机器 B 上通过 SSH 登录 A，并启用 X forwarding
    • 命令：
    • machine_b$ ssh -X/-Y machine_a
    • 前提：xhost 等访问控制需要设置正确。
    • 登录后：在这个终端里启动图形程序，即可把 GUI 安全地转发回 B 显示。

PC 上的 X 模拟器（X Emulator on PC）

img

  • 常见实现/软件
    • 在 PC 上运行 X 相关组件的工具包括：Exceed、Cygwin、X-Win32、Xshell/Xmanager、VcXsrv 等。
  • 核心结论：PC 充当 X Display（显示端）
    • PC 上运行 X server，因此 PC 相当于“显示服务器/显示端”（幻灯片标注为 machine B）。
    • 远端 Unix 主机运行应用程序，应用作为 X client（machine A）。
  • 通信路径（与图对应）
    • 应用的图形输出通过 X Protocol 传输，承载在 TCP/IP / Ethernet 等网络之上。
    • 常见端口含义（图中标注）：
      • SSH 通道：22 端口（用于建立安全隧道）。
      • X11：6000 端口（传统 X server 监听端口，6000 + displaynumber）。
  • 两种连接方式的暗示（图中灰字）
    • 直接 X 连接：X client 直接连到 PC 的 X server（可能走 6000 端口），安全性较弱。
    • SSH X forwarding（推荐）：通过 SSH 隧道转发 X 流量（图中“secured tunnel / possible virtual X server”），由 SSH 负责加密与转发。
  • PC 侧补充
    • PC 通常还会有一个 终端模拟器（用于登录远端并启动 X 程序）。

编写一个 X 应用（Programming an X Application）

  • 整体结构
    • 典型流程分三段：初始化（Initialization）→ 事件管理（Event management）→ 结束清理（Termination）。
A. 初始化（Initialization）
  1. 引入头文件
    • #include <X11/Xlib.h>
    • #include <X11/Xutil.h>
  2. 声明变量
    • 准备 Display*、Window、GC（图形上下文）等后续要用的数据结构/句柄。
  3. 连接到工作站的 display
    • 与 X server 建立连接，拿到一个 display 句柄（本质是通信通道）。
  4. 从 display 获取可绘制的 screen
    • 选择要画在哪个屏幕/屏幕资源上。
  5. 创建窗口（Create a window）
    • 在服务器端创建一个窗口资源（会获得对应的 window id/句柄）。
  6. 通知窗口管理器期望的窗口属性
    • 告诉 Window Manager：窗口应有哪些特性（如标题、大小提示、可否缩放等），便于其装饰与管理。
  7. 创建其他资源（如 Graphics Context）
    • 常见的是创建 GC：集中保存绘图属性（颜色、线宽、字体等）。
  8. 把窗口映射到屏幕（Map window）
    • map 的意义是：让窗口从“存在但不可见”变成“可见并参与显示”。
B. 事件管理（Event management）
  1. 设置感兴趣事件（event mask）
    • 告诉服务器：这个窗口/应用需要接收哪些事件（键盘、鼠标、曝光、结构变化等）。
  2. 事件循环（Event loop）
  • 逻辑：只要还有事件，就读取 → 解释 → 处理下一条事件。
  • 图形输出通常也发生在这里（例如收到 Expose 事件后重绘）。
C. 结束（Termination）
  1. 销毁资源（Destroy resources）
  • 释放窗口、GC、pixmap 等服务器端/客户端侧资源。
  1. 关闭 display 连接（Close display）
  • 断开与 X server 的连接。
  1. 退出程序（Exit）
现实开发补充（图右侧要点）
  • 现在直接调用 Xlib / Xt / XCB 来写完整 GUI 已经比较少见。
  • 更常见做法：使用更高层的 GUI 工具包（如 GTK+、Qt），由它们封装底层 X（或 Wayland）细节。

Demo X 源码示例（逐段说明）

  • 用途概览
    • 这是一个最小化的 Xlib 程序：创建一个窗口、设置窗口属性与事件监听，然后进入事件循环；在特定事件（如鼠标点击）发生时做处理并输出信息。
依赖与头文件（A Demo X Source File (1)）
  • 依赖安装（Ubuntu）
    • sudo apt-get install libx11-dev：安装 X11 开发头文件与库，才能编译 Xlib 程序。
  • 头文件含义（关键点）
    • X11/Xlib.h / X11/Xutil.h：Xlib 核心 API 与常用工具结构体（如 XSizeHints）。
    • X11/cursorfont.h：提供光标字体常量（如 XC_umbrella）。
    • 其余如 stdio.h、stdlib.h 为标准 C 库。
  • 全局 X 相关变量
    • Display *theDisp;：与 X server 的连接句柄。
    • int theScreen;：使用的屏幕编号（一个 display 下可能有多个 screen）。
    • Window rootW, mainW;：根窗口与主窗口（X 的窗口在服务器端以 ID 表示）。
    • HandleEvent(XEvent *)：事件分发函数声明。
建立连接与定位根窗口（A Demo X Source File (2)）
  • XOpenDisplay(NULL)
    • 打开到 X server 的连接。NULL 表示使用环境变量 DISPLAY 指定的默认显示。
    • 若返回 NULL，说明无法连接到 X server，程序直接报错退出。
  • DefaultScreen(theDisp)
    • 获取默认 screen 编号，后续创建窗口需要。
  • RootWindow(theDisp, theScreen)
    • 获取该 screen 的根窗口（root window）。
    • 根窗口是所有顶层窗口的父窗口（通常由窗口管理器/桌面环境管理）。
设置窗口约束、创建窗口、选择事件（A Demo X Source File (3)）
  • 窗口大小提示（XSizeHints hints）
    • hints.width/height = 100：初始大小 100×100。
    • max_width/max_height = 600、min_width/min_height = 16：最大/最小尺寸限制。
    • width_inc = height_inc = 16：调整大小的步进（每次缩放以 16 为单位）。
    • hints.flags |= PMaxSize | PMinSize | PResizeInc;：启用这些限制，让窗口管理器知道要遵守这些 hint。
  • 设置鼠标光标（XSetWindowAttributes xswa）
    • xswa.cursor = XCreateFontCursor(theDisp, XC_umbrella);：把光标设成“伞”的样式。
    • xswamask = CWCursor;：告诉 XCreateWindow 本次属性里只有 cursor 这一项需要应用。
  • 创建窗口（XCreateWindow）
    • 以 rootW 为父窗口，在坐标 (0,0) 创建大小 100×100 的窗口，边框宽度为 2。
    • CopyFromParent：许多视觉/深度/类信息从父窗口继承（简化参数）。
    • 返回的 mainW 是窗口句柄（ID）。
  • 设置窗口基本属性（XSetStandardProperties）
    • 设置窗口名/图标名（这里都为 "x_try"），并把前面的 hints 作为窗口管理器参考。
  • 选择要监听的事件（XSelectInput）
    • ExposureMask：窗口需要重绘时（Expose）。
    • StructureNotifyMask：窗口结构变化，如 resize/move（ConfigureNotify 属于这一类）。
    • ButtonPressMask：鼠标按键按下事件。
显示窗口与事件主循环（A Demo X Source File (4)）
  • XMapWindow(theDisp, mainW)
    • “映射”窗口：让窗口从不可见变为可见（交给窗口管理器安排显示）。
  • 主循环
    • XNextEvent(theDisp, &event);：阻塞等待下一个事件，读到 event 中。
    • HandleEvent(&event);：交给事件处理函数分发。

事件处理逻辑（A Demo X Source File (4)(5)）

  • switch (event->type)：按事件类型分支处理
  • Expose（窗口需要重绘）
    • XExposeEvent *exp_event = (XExposeEvent *) event;：把通用事件解释为 Expose 事件结构。
    • 注释提示：若 exp_event->window == mainW，应该在此处执行重绘（例如重新画图形/文字）。
    • 这里示例没有真正绘制代码，只保留了重绘位置。
  • ButtonPress（鼠标按下）
    • XButtonEvent *but_event = (XButtonEvent *) event;
    • 条件：
      • but_event->window == mainW：事件发生在主窗口上；
      • but_event->button == Button1：按下的是鼠标左键。
    • 动作：打印点击坐标 but_event->x, but_event->y（窗口内部坐标）。
  • ConfigureNotify（窗口结构变化，如大小/位置变化）
    • XConfigureEvent *conf_event = (XConfigureEvent *) event;
    • 注释提示：窗口尺寸变化后通常也需要重绘/重新布局。
    • 注意：示例注释里写了 exp_event，但此分支里实际变量是 conf_event——这更像是教学用代码中的小笔误；语义上应当检查 conf_event->window == mainW。
  • default
    • 忽略未处理的事件类型。
读代码时可以抓住的“主线”
  • 连上 X server：XOpenDisplay
  • 找根窗口：RootWindow
  • 准备属性 + 创建窗口：XCreateWindow
  • 告诉 WM 你的窗口偏好：XSetStandardProperties（含 XSizeHints）
  • 订阅事件：XSelectInput
  • 显示窗口：XMapWindow
  • 事件循环：XNextEvent → HandleEvent
  • 在 Expose/ConfigureNotify 中重绘，在 ButtonPress 中响应输入
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© Soleil. This post is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.

Chapter 5：Administration
Chapter 7：Software Development Tools

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