原文:

X Window System Architecture Overview HOWTO

http://www.linuxdoc.org/HOWTO/XWindow-Overview-HOWTO/index.html

Daniel Manrique

roadmr@entropia.com.mx

Translated By Bob

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修订历史

Revision 1.0.1 2001-05-22 Revised by: dm 一些语法修正,由Bill Staehle指出。

Revision 1.0 2001-05-20 Revised by: dm 初始发行。

本文档描述了X Window的架构,给出了对于X Window设计的更好理解, 包括X的组件,这些组件结合起来构成的可运行图形环境,这些组件作为窗口管理器该怎样选择,工具包和构件库,桌面环境。


1. 序言

这个文档的目的是提供一个 X-Window 系统架构的概述,希望人们更好的理解它为什么要这样设计,X 的组件是怎样组合起来形成一个可工作的图形环境,怎样选择这些组件。

我们探讨一些经常被提到的概念,如果没有相关的技术背景,这些概念可能被混淆,例如部件(widgets)和工具包(toolkits),窗口管理器(window managers)和桌面环境(desktop environments)。还提供了一些例子,展示了这些组件在日常使用的应用程序中如何相互作用。

这个文档故意写得不太偏重技术,它基于作者的经验知识,以非技术方式引入,它可以从各种意见中吸取营养,包括更深入的例子和解释,以及技术上的更正。作者欢迎所有关于这个文档的问题和意见,Email:roadmr@entropia.com.mx

2. 简介

回到UNIX还是新鲜事物的时代,大约是1970年,图形用户接口还是一个奇怪的东西,只被一个实验室(Xerox's PARC)使用。可是今天,任何操作系统只要想拥有竞争力,就必须有一个GUI子系统。GUI界面提供了良好的易用性。这不是UNIX所关心的,UNIX 有它的传统,某种程度来讲,多功能比易用性更好。但是,有几个原因使得 UNIX 系统需要有一个GUI。例如,UNIX 的多任务特性,在给定的时间内要运行多个程序。GUI 提供了多种控制方式,可以在同一时间在屏幕上显示多个运行的程序。所以,某些类型的信息更适合在图形界面上显示(有些甚至只能在图形界面上显示,例如pr0n和其他图形数据)。

历史上,UNIX有很多学术上的改进。一个好的例子是,70年代末加入了 BSD 网络代码,这是加州大学伯克利分校的工作成果。事实证明,X Window 系统也是一个学术项目的结果,即 MIT 的雅典娜项目,它成为了现代 UNIX(类UNIX系统)中大部分GUI子系统的基础,包括 Linux 和 BSD。

从一开始,UNIX就是一个多用户、多任务的分时操作系统。随着网络技术的加入,它还允许用户远程连接和执行任务。以前,这是通过串行终端或网络连接(telnet)完成的。

当开发UNIX下的GUI系统的时候,这些概念都被加入到了设计中。事实上,X是一个相当复杂的设计,这是经常被提到的一个缺点。可是,正因如此,它才是一个真正多功能的系统,当我们解释GUI的各个部分在UNIX下是怎样结合的时候,这些都会变的很清晰。

介绍X的架构之前,简单介绍一下它的历史,还有它是如果进入Linux系统的。

X是由雅典娜项目开发,在1984年发行。1988年,一个叫做“X Consortium ”的实体接手X,之后开始处理它的开发和发布。X规范是自由提供的,这个聪明的举动使X得到了很大程度的普及。下面介绍XFree86是什么。XFree86是我们在Linux系统上使用的X实体,XFree86也可以工作在其他操作系统上,例如BSD系列、OS/2和其他。尽管它的名字中带有86,它依然支持其他CPU架构。

3. X Window系统架构:概览

X被设计为客户端—服务器的架构(client-server)。应用软件作为客户端,他们通过服务器进行沟通和发布请求,当然也可以从服务器接受信息。

X server维护一个独立的显示控制器和处理来自client的请求。从这一点上来看,使用这种模式的优点是显而易见的。应用程序(client)只需要知道怎样同server沟通,而不需要关注实际图像显示设备的细节。最基本的,client会告诉server一些这样的东西:“画一条从这里到那里的线”,或者“显示一个文本字符串,使用这个字体,在屏幕的这个位置”。

这与只用图形库写应用没什么不同。但是,X模式更进一步。它不限制client和server在同处一台电脑。使用这个协议可以让client和server通过网络进行沟通,事实上,“进程间通信机制提供了可靠的字节流”。当然,更好的方法是使用TCP/IP协议。可以看到,X的模式是很强大的。一个经典的例子是,在Cray计算机上运行一个处理器密集阵应用程序,在Solaris 服务器上运行一个数据库监视器,在小型BSD邮件服务器上运行一个E-mail应用,在SGI服务器上运行一个可视化应用,然后,将以上这些都显示在我的Linux平台的屏幕上。

目前为止,我们已经看到X server是一个处理实际图形显示的东西。由于X server是运行在用户使用的实际计算机上,它的职责是处理所有与用户的交互。这包括监听鼠标和键盘。所有这些信息都要传达给client,还有对它进行响应。

X提供了一个库,称作Xlib,负责处理所有低级的client-server通信任务。很显然,client调用Xlib中的函数进行工作。

这样看来,一切都工作的很好。我们有一个server负责虚拟输出和数据输入,客户端应用程序,两者之间可以通过一种方法互相通信。假设client和server之间有一个互动,client可以让server在屏幕上分配一指定的矩形区域。作为client,我并不关心我被现实在屏幕的哪个位置,我只是告诉server“给我一个X乘以Y像素大小的区域”,然后调用函数执行类似“画一条从这里到那里的线”,“用户是否在我的屏幕范围内移动鼠标”等等。

4. 窗口管理器

可是,我们没有提到X server怎样处理client在屏幕现实范围内的操作(调用窗口)。显然,对于任何使用GUI的用户,对需要对“client windows”进行控制。通常情况下,你可以对窗口进行移动和排列;改变大小;最大化或最小化。那么,X server是怎样处理这些任务呢?答案是:不能。

X的设计原则之一就是“只提供机制,不提供策略”。所以,X server提供了一个操作窗口的方法(机制),并没有说怎样表现这种机制(策略)。

这些机制和策略可以归结为:有一个程序的责任是管理屏幕空间。这个程序决定了窗口的位置,为用户提供了控制窗口外观、位置和大小的机制,通常还会提供一些“装饰”,例如标题、边框和按钮,这些是我们对窗口本身的控制。这个控制窗口的程序称作“窗口管理器”。

“窗口管理器只是X的一个客户端程序——它不是X window系统的一部分,尽管它享有一些特权——所以,窗口管理器不是唯一的,而是有很多,它们提供了不同的用户与窗口的交互方式和不同的窗口布局、修饰、键盘和色调的风格。”

X的架构提供了用于窗口管理器执行这些窗口操作的方法,但确实没有提供一个窗口管理器。

另外,由于窗口管理器是一个外部元件,可以很容易的根据你的参数设定窗口,例如,你希望它看起来是什么样子,你想要它怎样执行,你想要它出现在哪里,等等。有些窗口管理器比较简单和丑陋(例如twm);还有一些是华而不实的;还有介于两者之间的;fvwm, amiwm, icewm, windowmaker, afterstep, sawfish, kwm, 还有数不清的其他窗口管理器。每一种口味都有对应的窗口管理器。

窗口管理器是一个“meta-client”,最基本的使命是管理其他客户端程序。大部分窗口管理器会提供一些额外的设施(有些会提供很多)。 可是,有个功能是大部分窗口管理器都有的——启动应用程序的方法。有些窗口管理器会提供一个命令盒子,你可以在这里写标准命令(用于启动应用程序)。还有一些窗口管理器会提供某种类型的应用程序启动菜单。这些不是标准配置。由于X没有制度关于如何启动应用程序的策略,这项功能在客户端程序中实施。那么,通常情况下,窗口管理器所负责的这个功能(个体之间会由差异),它的唯一使命就是如果启动客户端应用程序,就像一个程序启动平台。当然,人们已经写了大量的“启动程序”的应用。

5. 客户端应用

下面让我们关注一些客户端程序。假设你想要从头开始写一个客户端程序,并且只用X提供的设施。你很快就会发现,Xlib是漂亮的斯巴达,想要在屏幕上放一个按钮、文本,或是为用户提供的漂亮空间(滚动条,单选框),这些事竟是令人恐怖的复杂。

幸运的是,有人为我们提供了一个库,可以解决这些控件的编程问题。这些控件通常称作“部件”(widget library ),所以,这个库称作“部件库”。我只需从库中调用一个带参数的函数就可以在屏幕上显示一个按钮。这些部件包括菜单、按钮、单选按钮、滚动条和画布。

“canvas”(画布)是一个有趣的部件,它是客户端上的一个子空间,我能在里面话一些东西。可以理解,我不能直接使用Xlib,那样会干扰部件库,这个库本身提供了在画布内画任意图像的方法。

由于部件库确实可以在屏幕上画各种元素,以及解释用户的输入动作,这个库要对每个客户端的外观和行为负责。从开发者的角度来看,部件库也有一些API(设置函数),定义了我想要用到的部件。

6. 部件库和工具包

原始的部件库是为雅典娜项目开发的,理所当然应该是雅典娜部件库,也被称作雅典娜部件。它非常基础,非常简陋,安装现在的标准来看,它的使用方便并不直观(例如,要移动一个滚动条或滑块,你不能拖动,你要点击右边的按钮让它向上滑,或者点击左边的按钮让它向下滑),正因如此,现在几乎没有被使用了。

像窗口管理器一样,考虑到不同的设计目的,工具包(toolkit)也有很多种。最早的工具包之一是著名的Motif,这是开发软件基金会(OSF)的Motif图像环境的一部分,由一个窗口管理器和一个匹配工具包组成。OSF的历史超出了本文档的讨论范围。Motif工具包优于雅典娜部件,在80年代和90年代初使用广泛。

这些年,Motif不是一个受欢迎的选择。它不是免费的,如果你想要一个开发许可证(即用它编译你自己的程序),你需要向OSF Motif缴费,尽管可以发布一个针对Motif的二进制连接。至少对于Linux用户来说,最知名的Motif应用可能就是Netscape Navigator/Communicator。

有一段时间,Motif是唯一正常可用的工具包。有很多软件围绕着Motif。于是人们开始开发替代品,产生了丰富的工具包,例如XForms, FLTK等等。

已经有些时间没有听到Motif了,特别是在自由软件世界。原因是:就许可、性能(Motif被普遍认为像一头猪)和功能而言已经有了更好的替代品。

有一个知名并广泛使用的工具包是Gtk,它是GIMP项目专门设计用来替代Motif的。Gtk现在非常流行,因为它相对较轻,功能丰富,可扩展,而且完全免费。GIMP的0.6发行版的更新日志里包含了“Bloatif has been zorched ”,这句话是给Motif的臃肿的遗嘱。

另一个目前很流行的工具包是Qt。直到KDE项目的出现,它才开始出名,KDE利用了Qt的所有GUI元素。当然,我们不会深入Qt的许可问题和KDE/GNOME的分离性。Gtk说来话长,因为它的历史伴随着Motif的替换而变的很有趣。Qt没什么可说的,因为它真的很流行。

最后,另一个值得一提的替代品是LessTif,这个名字是对于Motif的双关语,LessTif的目标是成为免费的,兼容Motif API的替代品。并不清楚LessTif的目标已经达到了怎样的程度,倒不如帮助那些使用Motif代码的应用,在它们想要移植到其他的工具包时,有个一个免费的替代品。

7. 目前为止我们所拥有的

现在,我们已经知道,X有一个client-server架构,我们的应用程序就是client。在这个client-server架构的图形系统下,有多种可选的窗口管理器,它管理着我们的屏幕空间。client是我们真正完成工作的地方,而且,可以使用不同的工具包进行客户端编程。

困境就从这里产生了。各种窗口管理器使用各自不同的方法管理客户端,它们的功能和外观各不相同。同样的,由于每个客户端使用不同的工具包,它们的外观和性能也会不同。由于没有人说作者必须用同一个工具包写应用程序,下面这种情况很可能在用户运行程序是出现,比方说,六个不同的应用,都使用不同的工具包,那么它们的外观和性能也不同。这是由于应用之间的功能不一致而造成的困境。如果你一直使用一个用雅典娜组件写的程序,你会注意到,它和用Gtk所写的程序不太一样。通过使用这些外观和体验差别很大的应用,会让你记住是一个困境。这基本上否定了一个GUI环境的优势。

从技术角度来看,使用多种不同的工具包会增加对资源的占用。现代操作系统都支持动态链接库。这意味着,如果我有两三个使用Gtk的应用程序,还有一个Gtk动态链接库,那么这几个应用程序将共享这个Gtk。这样就节省了资源。另一方面,如果我有一个Gtk应用,一个Qt应用,一些基于雅典娜的程序,一个基于Motif的程序(例如Netscape),一个使用FLTK的程序,还有其他一些使用XForms,那我就要在内存中加载六个不同的库,每个库还要有一个不同的工具包。请记住,这些工具包提供的功能基本相同。

还用另外一些问题。每一种窗口管理器的启动程序的方式是不同的。有些窗口管理器有漂亮的启动程序菜单;有些则没有,它们希望我们打开一个程序启动箱,或者使用一个组合键,要不就是打开一个xterm,然后调用命令启动你的程序。所有,困境就是因为没有一个标准。

最后,我们的计划没有覆盖到一些GUI环境的细节。例如有效的配置,或者“控制面板”;还有图形文件管理器。当然,这些可以写成客户端应用。在典型的自由软件时尚中,有数百种文件管理器,数百种系统配置程序,可以想象,处理这些不同的软件组件将是更大的困境。

8. 桌面环境的救赎

先说一下桌面环境的概念是怎么来的。一个桌面环境应该提供一套设施和指导,用于规范我们之前提到的所有东西,以便我们前面提到的问题最小化。

桌面环境的概念对于Linux来说是新的东西,但是这些东西在其他操作系统(例如Windows和Mac OS)中本来就存在。例如,MacOS,它是最早的图形用户接口之一,为整个计算机会话提供了一个非常一致的感观。再例如,操作系统提供了很多我们前面提到的细节:它提供了一个默认的文件管理器,一个全系统控制面板,还有一个所有应用都使用的独立工具包(所以它们看起来都差不多)。应用窗口由系统(严格的将是窗口管理器)负责管理。最后,还有一套指南告诉开发者应该怎么表现他们的应用,如何设计外观和布局,以及根据系统中的其他应用设计外观。所有这些都是为了保证应用程序的一致性和易用性。

这引出了一个问题,“为什么X的开发者没有将桌面环境的事情放在首位?”。这是有道理的;毕竟,这样就可以避免前面提到的所有问题。答案就是,在X的设计过程中,它的设计者选择将它设计得尽可能的灵活。比如说,MacOS提供了大多数机制/策略规范,但是他们不鼓励人们玩弄这些东西,结果就是失去了多功能性,如果我不喜欢MacOS管理窗口的方式,或者工具包没有提供我需要的功能,我只能怪自己倒霉。X下就不会发生这样的事,灵活的代价就是更大的复杂性。

在Linux/Unix和X下,一切都归结于统一和坚持。以KDE为例,KDE包含一个单一的窗口管理器(kwm),负责管理和控制窗口的行为。它用了一个特定的图形工具包(Qt),以至于KDE应用的控制和外观都差不多。KDE提供了一套桌面环境库,这是Qt的扩展,用来完成一些常见的编程工作,例如创建菜单、“关于”框,编写工具栏,程序间通信,打印,选择文件,等等。这使得程序员的工作更加简单,并且标准化。KDE还为程序员提供了一套设计和行为指南,如果每个人都按照指南来做,那么KDE程序的外观和操作就会很相似。最后,KDE还为桌面环境提供一些组件,一个启动器面板(kpanel),一个标准的文件管理器,还有一个配置程序(控制面板),通过它可以全方位的控制计算机环境,比如设置桌面背景和标题栏的颜色。

KDE面板相当于Windows操作系统的任务栏。在这上面可以启动应用程序,还可以在上面显示将小程序(applets)。它还提供了大多数用户都离不开的实时时钟。

9. 特定桌面环境

我们以KDE为例,但它不是Unix系统上最早的桌面环境。最早的可能是CDE(Common Desktop Environment),OSF的另一个兄弟。根据CDE FAQ:“Common Desktop Environment是Unix的标准桌面,为最终用户、系统管理员和应用开发者提供一贯的跨平台服务。”可是,CDE没有足够丰富的功能和易用性。除了Motif,CDE几乎在自由软件世界消失了,最终被更好的平台替代。

在Linux下,最流行的桌面环境是KDE和GNOME,但是不止这两个。在网上可以轻易的搜索到半打桌面环境:GNUStep、ROX、GTK+XFce、UDE。它们都提供前面提到的基础功能。GNOME和KDE拥有来自社区和业界的最广泛的支持,所以它们是最优秀的之一,为用户和应用程序提供大量的服务。

我们提过在KDE下有很多提供特定服务的组件。作为一个好的桌面环境,GNOME在这方面也一样。最明显的差别是GNOME并不要求使用特定的窗口管理器(这方面KDE有kwm)。GNOME一直试图做到与窗口管理器无关,但是要承认,大多数用户与他们的窗口管理器联系紧密,而强迫他们使用不同的窗口管理器会损害他们的观众。GNOME原本青睐Enlightenment窗口管理器,现在它们更喜欢用Sawfish,但是GNOME控制面板一直有一个窗口管理器选择框。

除此以外,GNOME使用Gtk工具包,并且通过gnome-lib提供了一套高级功能和工具。GNOME有它自己的一套编程方法,可以确保兼容的应用之间行为一致;它提供了一个面板,一个文件管理器(gmc)和一个控制面板(gnome控制中心)。

10. 怎样把它们组合到一起

每个用户都可以自由的选择感觉最好的桌面环境。最终的结果是,如果你使用纯kde或纯gnome系统,整个环境的感观就非常一致;并且应用程序之间的沟通会更好。我们不可能在一个应用程序中使用多种不同的工具包。现代Linux桌面环境提供的设备还使用了一些其他的小技术,例如组件架构(KDE有Kparts,GNOME用Bonobo),它允许你在文字处理文档中嵌入表格或图表;还有整体打印设备,就像是Windows中的印刷背景;还有脚本语言,可以让更多的高级用户编写程序将多个应用结合到一起,让它们用有趣的方式进行协作。

在Unix的桌面环境概念中,一个程序可以在多个环境中运行。我可以想象在GNOME中用Konqueror,在KDE中用Gnumeric。它们只是程序而已。当然,一个桌面环境的整体理念是一致的,所以,坚持使用那些你喜欢的环境中的应用是有道理的。但是,如果你想要处理掉一个不太合适的应用,并且不影响环境中的其他部分,你完全可以自由的去做。

11. X系统中的一天

下面是一个例子,在Linux系统的桌面环境中,一个典型的GNOME会话是怎样运行的。假设它们工作在X之上。

当Linux系统启动X时,X server启动并初始化图形设备,然后等待客户端的应答。首先启动gnome-sessiong,并且设置工作会话。一个会话包括我同意打开的应用,它们在屏幕上的位置,等等。然后启动面板。面板通常出现在屏幕的底部,有点像桌面环境的仪表盘。我们可以用它来启动程序,看到正在运行的程序,还可以控制工作环境。然后,窗口管理器会启动。因为我们正在使用GNOME,无法确定是哪种窗口管理器,这里假设是Sawfish。最后,文件管理器启动。文件管理器负责处理桌面图标。至此,我的GNOME环境就完全准备好了。

到目前为止,所有启动的程序都是客户端,都连接到了X server。现在我们看到的X server和client是在同一台计算机上,但是就像我们前面看到的,这不是必须的。

现在,我们可以打开一个xterm来执行一些命令。当我们点击xterm图标时,面板会启动xterm程序。它是一个X client应用,所以,当它启动时会连接X server并显示它的界面。当X server为xterm分配屏幕空间时,它会让窗口管理器(Sawfish)为窗口装饰一个漂亮的标题栏,并决定它显示的位置。

让我们用一下浏览器。点击面板上的Netscape图标,启动一个浏览器。这个浏览器可不是GNOME的设备,它用的是Gtk工具包。所以,它和桌面环境中的其它部分不是特别协调。

接着打开“File”菜单。Motif在屏幕上提供了一个控制器,所以,Motif库的工作就是适当的调用相关的Xlib,为显示菜单在屏幕上绘制必要的元素,并且让我选择“exit”选项来关闭应用。

现在我们打开一个Gnumeric电子表格。有些时候我需要用到xterm,所以我点击它。Sawfish检测到了我的动作,然后对现有的窗口做些改变,将xterm放在了最上层,并且将焦点移动到xterm上面,这样我就可以在它上面工作了。

之后,我回到电子表格,想要打印这个文档。Gnumeric是一个GNOME应用,所以它可以使用GNOME环境提供的设备。当我打印时,Gnumeric调用gnome-print库,连接打印机并且打印。

12. 版权和许可

Copyright (c) 2001 by Daniel Manrique

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Li Shaocheng. Published under BY-NC-SA
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