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分类: LINUX

2010-04-28 18:02:56

探究X Window System运行原理与启动过程 

原文在这里:.
作者:

第一次在Debian下装XFree86,startx启动了twm,装了gnome 后startx启动了gnome环境,为什么?装gnome 时修改了什么文件以及X环境是怎么起来的?本来是想搞清这几个文题开始研究这个题目的,没想到还学到了很多别的东西^_^本文主要说明X Window System的基本运行原理,其启动过程,及常见的跨网络运行X Window System。 

一) 基本运行原理 
X Window System采用C/S结构,但和我们常见的C/S不同。常见的C/S结构中,称提供服务的一方为server,即服务器端(如HTTP服务,FTP服务等),使用服务的称为client,即客户端。但在X Window System中,client是执行程序的一方,在上面执行各种X程序,而server则是负责显示client运行程序的窗口的一方。 
X Window System的组成可以分为X server,X client,X protocol三部分。X server主要控制输入输出,维护字体,颜色等相关资源。它接受输入设备的输入信息并传递给X client,X client将这些信息处理后所返回的信息,也由X server负责输出到输出设备(即我们所见的显示器)上。X server传递给X client的信息称为Event,主要是键盘鼠标输入和窗口状态的信息。X client传递给X server的信息则称为Request,主要是要求X server建立窗口,更改窗口大小位置或在窗口上绘图输出文字等。X client主要是完成应用程序计算处理的部分,并不接受用户的输入信息,输入信息都是输入给X server,然后由X server以Event的形式传递给X client(这里感觉类似Windows的消息机制,系统接收到用户的输入信息,然后以消息的形式传递给窗口,再由窗口的消息处理过程处理)。X client对收到的Event进行相应的处理后,如果需要输出到屏幕上或更改画面的外观等,则发出Request给X server,由X server负责显示。 
常见的情况是X server与X client都在同一台电脑上运行,但他们也可分别位于网络上不同的电脑上。在X Window System中,X client是与硬件无关的,它并不关心你使用的是什么显卡什么显示器什么键盘鼠标,这些只与X server相关。我们平常安装完XFree86后运行xf86config或xf86cfg进行的配置实际上只是与X server有关,可以说就是配置X server吧,不配置照样可以运行X client程序(如:xeyes -display xserver:0就可以在xserver这台机器上的0号屏幕(屏幕编号displaynumber为0)上显示那对大眼睛了)。 
X protocol就是X server于X client之间通信的协议了。X protocol支持现在常用的网络通信协议。我只能测试TCP/IP,可以看到X server侦听在tcp 6000端口上。那X protocol就是位于运输层以上了,应该属于应用层吧?。 
总结下运行过程吧: 
(1) 用户通过鼠标键盘对X server下达操作命令 
(2) X server利用Event传递用户操作信息给X client 
(3) X client进行程序运算 
(4) X client利用Request传回所要显示的结果 
(5) X server将结果显示在屏幕上 

二) 启动过程 
我们从控制台进入X一般是用startx命令。下面就从startx分析起。首先man startx和man xinit可以看到staratx和xinit的使用方法: 
startx [[client] options .....] [-- [server] options ....] 
xinit [[client] options ] [-- [server] [display] options] 
把上面[client]和[server]分别称为client程序和server程序。man手册里写明其必须以/或者./开头。 
下面看看startx这个脚本,中文为我加的注释,这个脚本是安装x-window-system-core后得到的,都是XFree86,不同发行版的linux里该脚本应该大同小异: 
#!/bin/sh 
userclientrc=$HOME/.xinitrc #用户的client定义文件 
userserverrc=$HOME/.xserverrc #用户的server定义文件 
sysclientrc=/usr/X11R6/lib/X11/xinit/xinitrc #系统的client 
sysserverrc=/usr/X11R6/lib/X11/xinit/xserverrc #系统的server 
defaultclient=/usr/X11R6/bin/xterm #默认的client程序 
defaultserver=/usr/X11R6/bin/X #默认的server程序 
defaultclientargs="" #下面定义了client和server的参数变量 
defaultserverargs="" 
clientargs="" 
serverargs="" 
#如果用户client文件存在则使用用户文件里定义的client,否则使用系统定义的client 
if [ -f $userclientrc ]; then 
    defaultclientargs=$userclientrc 
elif [ -f $sysclientrc ]; then 
    defaultclientargs=$sysclientrc 
fi 
#如果用户server文件存在则使用用户文件里定义的server,否则使用系统定义的server 
if [ -f $userserverrc ]; then 
    defaultserverargs=$userserverrc 
elif [ -f $sysserverrc ]; then 
    defaultserverargs=$sysserverrc 
fi 
#下面循环处理client和server的参数 
whoseargs="client" 
while [ x"$1" != x ]; do #若第一个参数为空,退出循环 
    case "$1" in 
    # '' required to prevent cpp from treating "/*" as a C comment. 
    /''*|\./''*) #如果$1是/*或者./*形式(xinit程序要求其参数里的client程序和server程序必须以/或./开头,否则会被视为client程序和server程序的参数,见man xinit) 
if [ "$whoseargs" = "client" ]; then #如果当前是在处理client的参数 
    if [ x"$clientargs" = x ]; then #如果clientargs为空,则赋值$1给client变量,也即上面#startx使用方法里的[client]参数 
client="$1" 
    else 
clientargs="$clientargs $1" #否则clientargs赋值为$clientargs $1,即上面#startx使用#方法里的options参数 
    fi 
else #当前在处理server的参数,代码的含义同上 
    if [ x"$serverargs" = x ]; then 
server="$1" 
    else 
serverargs="$serverargs $1" 
    fi 
fi 
;; 
    --)#如果$1为--,则表示开始处理server的参数,--为client和server参数的分界 
whoseargs="server" 
;; 
    *) 
if [ "$whoseargs" = "client" ]; then  #处理给client程序的参数 
    clientargs="$clientargs $1" 
else #处理给server程序的参数 
    # display must be the FIRST server argument 
#屏幕编号必须为第一个给server程序的参数,以:x的形式(x为数字),这可从上面startx和xinit                 
的使用方法的区别看出,xinit多了个[display],这里即过滤出这个[display]。试试看这两个命令: 
xinit /usr/bin/X11/xeyes -display localhost:1 -- /usr/bin/X11/X :1 -dpi 70& 
xinit /usr/bin/X11/xeyes -display localhost:1 -- /usr/bin/X11/X  -dpi 70 :1& 
即可看出不把屏幕编号作为第一个server参数的后果 
    if [ x"$serverargs" = x ] &&   expr "$1" : ':[0-9][0-9]*$' >; /dev/null 2>;&1; then 

display="$1" 
    else  #处理屏幕编号以外的参数 
serverargs="$serverargs $1" 
    fi 
fi 
;; 
    esac 
    shift #所有参数左移一次 
done 
# process client arguments 
if [ x"$client" = x ]; then  #如果client程序为空 
    # if no client arguments either, use rc file instead 
    if [ x"$clientargs" = x ]; then  #且clientargs为空,赋值$defaultclientargs给client程序 
client="$defaultclientargs" 
    else 
client=$defaultclient   #使用默认的client程序 
    fi 
fi 
# process server arguments处理server参数,同上 
if [ x"$server" = x ]; then 
    # if no server arguments or display either, use rc file instead 
    if [ x"$serverargs" = x -a x"$display" = x ]; then 
server="$defaultserverargs" 
    else 
server=$defaultserver 
    fi 
fi 
#…………省略授权代码若干 

xinit $client $clientargs -- $server $display $serverargs #把处理过的参数交由xinit程序处理 
#………… 
由上面代码可以得出startx主要是置X client和X server所在的位置,并处理相关参数,最后交给xinit处理。可以看出startx 设置X client的位置是先搜寻$HOME/.xinitrc,然后是/etc/X11/xinit/xinitrc;设置X server的位置是先搜寻$HOME/.xserverrc,然后是/etc/X11/xinit/xserverrc。这就解释了我们平常为什么说启动X Window时用户目录下的.xinitrc和.xserverrc文件优先级要高。所以我们用startx命令启动X时,如果用户目录存在.xinitrc和.xserverrc文件,则实际上等价于命令xinit $HOME/.xinitrc -- $HOME/.xserverrc 。如果用户目录不存在那两个文件,则等价于xinit /usr/X11R6/lib/X11/xinit/xinitrc -- /usr/X11R6/lib/X11/xinit/xserver。别的情况类推。 
至于xinit,则根据startx传过来的参数启动X server,成功后根据xinitrc启动X client。 
以上即为X Window System的启动过程,startx只是负责一些参数传递,真正的X启动由xinit实现。实际上可以分为启动X server和启动X client两部分。下面在用户目录下构造.xinitrc(即X client)和.xserverrc(即X server)文件。在.xserverrc里写入/usr/bin/X11/X :1。.xinitrc里写入/usr/bin/X11/xeyes -display localhost:1。这就是最简单的X server+ X client了,只不过把屏幕编号从默认的0改为了1,这里X server即是/usr/bin/X11/X 程序,X client即是/usr/bin/X11/xeyes 程序。 
总结下单机用startx启动过程吧: 
(1) startx置X client和X server的位置,处理参数并调用xinit 
(2) xinit根据传过来的参数启动X server,成功后呼叫X client 
(3) 根据xinitrc设置相关资源,启动窗口管理器,输入法和其他应用程序等X client程序。 

但还未搞清楚gnome是怎么起来的!gnome当然属于X client了,看上面启动过程第(3)步。 
这里分两种情况看吧,第一种是用系统的xinitrc文件。看/etc/X11/xinit/xinitrc文件(我的sarge装x-window-system-core和gnome-core),里面只包含了. /etc/X11/Xsession一句话。接着看/etc/X11/Xsession这个脚本,只看关键部分吧。最后面有: 
SESSIONFILES=$(run_parts $SYSSESSIONDIR) 
if [ -n "$SESSIONFILES" ]; then 
  for SESSIONFILE in $SESSIONFILES; do 
    . $SESSIONFILE 
  done 
fi 
exit 0 
接着看run_parts(),位于本文件中间: 
run_parts () { 
  # until run-parts --noexec is implemented 
  if [ -z "$1" ]; then 
    internal_errormsg "run_parts() called without an argument." 
  fi 
  if [ ! -d "$1" ]; then 
    internal_errormsg "run_parts() called, but \"$1\" does not exist or is" \ 
                      "not a directory." 
  fi 
  for F in $(ls $1); do 
    if expr "$F" : '[[]_-]\+$' >; /dev/null 2>;&1; then 
      if [ -f "$1/$F" ]; then 
        echo "$1/$F" 
      fi 
    fi 
  done 
} 
大概意思就是run_parts () 把$SYSSESSIONDIR目录下的文件名取出来赋值给$SESSIONFILES,然后循环运行该目录下的文件。看看该目录,即/etc/X11/Xsession.d目录,可以看到几个以数字开头的文件,实际上这些数值就表示了这几个文件被运行的优先级,数字小的优先级高,因为在上面的run_parts () 里是用ls命令显示该目录下的文件,所以前面数字小的被ls时显示在前面,所以被 
for SESSIONFILE in $SESSIONFILES; do 
    . $SESSIONFILE 
  done 
这个for循环执行时也先被执行。看到/etc/X11/Xsession.d目录下有个55gnome-session_gnomerc文件,里面提到了STARTUP变量。然后运行: 
xdkui@Debian:/etc/X11/Xsession.d$ grep  STARTUP * 
看到50xfree86-common_determine-startup文件。里面有 
if [ -z "$STARTUP" ]; then 
  if [ -x /usr/bin/x-session-manager ]; then 
    STARTUP=x-session-manager 
  elif [ -x /usr/bin/x-window-manager ]; then 
    STARTUP=x-window-manager 
  elif [ -x /usr/bin/x-terminal-emulator ]; then 
    STARTUP=x-terminal-emulator 
  fi 
fi 
即设置启动程序,实际上设置STARTUP变量,如果以上程序都没有找到,则会报错退出,即X环境没有被启动。再运行 
xdkui@Debian:/etc/X11/Xsession.d$ grep  STARTUP  * 
看到优先级最低也即最后被运行的99xfree86-common_start文件,里面只有一句话: 
exec $STARTUP 
好了,到这里就启动我们的X client了,终于完了^_^。总结下这第一种方式的启动过程,简单的说就是依次顺序查找/usr/bin/x-session-manager ,x-window-manager,/usr/bin/x-terminal-emulator 这三个文件。如果存在则启动之,也即X client。如果三个都不存在则报错退出了。看/usr/bin/x-session-manager文件可以看到是个符号连接,最终连接到/usr/bin/gnome-session,也就是gnome 了。至于我们在gnome 启动时可能会设置启动输入法等程序,那就归gnome-session管了,也就不再分析了。可以试着把/usr/bin/x-session-manager 改为指向xfce4-session(如果安装了的话) ,再startx就会启动xfce4环境了。大概RedHat的switchdesk工具就是改这个连接实现的吧?。或者删掉/usr/bin/x-session-manager ,再startx,只启动了/usr/bin/x-window-manager 所指向的window manager了吧,我这里是blackbox。 

下面看第二种情况,即用户目录的xinitrc文件$HOME/.xinitrc。对比hiweed-debian-desktop_0.55_i386,存在$HOME/.xinitrc文件,在里面有exec xfce4-session。故其X client可以说最主要的x-session-manger是从$HOME/.xinitrc启动的。也就不会经过上面第一种情况的执行过程了。 

终于把gnome(或者说x-session-manger)的启动过程弄明白了,下面说点别的吧。xinit程序同时启动X server和X client,这在单机上还可。要是位于网络上的两台电脑分别是client和server,则xinit就无能为力了。这时就得靠纯“手工”来启动X了。下面简单的“手工”启动X server和X client:在CUI模式下运行命令: 
xdkui@Debian:~$X :1& 
看到了一个灰色的全屏幕和一个鼠标指针,这就是X server了,其屏幕编号为1。下面构造X client,按Ctrl+Alt+F1回到刚才的CUI(Ctrl+Alt+F7对应本机的第一个启动的X server,Ctrl+Alt+F8对应第二个,有人说F7对应屏幕编号为0的X server实际上是不对的,如果第一个启动的屏幕编号为1,第二个启动的编号为0,则F7对应1屏幕,F8对应0屏幕),运行命令:xdkui@Debian:~$xeyes -display localhost:1& 
然后按Ctrl+Alt+F7,看到我们的X client也就是xeyes了吧。再回到CUI,运行 
xdkui@Debian:~$X& 
开启一个屏幕编号0的X server,CUI下再运行 
xdkui@Debian:~$xterm& 
这时Ctrl+Alt+F7对应屏幕编号1;而F8对应屏幕编号0,且其X client为xterm。先退出上面的两个X server,下面复杂点手动启动我们的gnome吧,首先 
xdkui@Debian:~$X& 
然后 
xdkui@Debian:~$gnome-session 
看到的就和用startx 启动的X一样了,这时X server是X这个程序,X client是gnome-session及其启动的窗口管理器等程序。看到这里感觉xinit用处并不大(??不知是否正确),简单的脚本就可以实现。本来想把xinit反汇编了分析下,可懒得搞了^_^这是位于本机的情况,对于X server和X client位于不同主机的情况见下面本文第三部分。 
个人感觉对于X Window System,搞清楚X server与X client关系很重要。一般X server很简单,就是/usr/bin/X11/X程序;X client则花样繁多,从高级的CDE,GNOME,KDE,到低级一点的只有twm,Window Maker,blackbox等窗口管理器,再到最简陋的只有xterm,rxvt,xeyes等单个x程序。正是由于X client的各种搭配,使得我们的X Window System看起来多样化。这可能也是X Window System最大的卖点之一吧 ^_^ 

三) 跨网络运行X Window System 
一般用来做服务器的系统(Linux,FreeBSD,Solaris等等)都不会装X server,甚至很多都没有显示器。这样可以在这些系统里安装简单的X client,以GUI的方式远程显示在管理员们所坐的X server里。我们实验室用FreeBSD做网关,提供WWW,FTP服务,一般在管理员的本地机器起个X server,然后ssh或telnet上网关运行X client程序显示在本地显示器上,当然,也可用XDMCP(X Display Manager Control Protocol),man xsession里提到/etc/X11/Xsession一般被startx(我的/etc/X11/xinit/xinitrc里调用Xsession脚本)或display manager调用,但有的display manager只调用Xsession而不是xinitrc,故为了startx和display manager两种方式下都可正常启动GUI,最好把X client启动的程序放在Xsession文件里。远程运行X client程序需要设置DISPLAY环境变量,设置为 主机名称:屏幕编号(如192.168.1.2:0,则表示X server是192.168.1.2这台机器上的0号屏幕);或是给X client程序加个—display参数。由于条件限制,只测试了位于TCP/IP网络环境,X server为192.168.1.2,X client为192.168.1.1。 
1) Windows系统做X server 
a) 用ssh或telnet方式 
Windows下面的X server软件有很多种,我这里使用X-win32。在Windows里运行X-win32程序,则相当于本地机器是个X server。远程登录上Debian(我这里是用VMware仿真网络环境,直接进虚拟机即可^_^),运行: 
xdkui@xclient:~$export DISPLAY=192.168.1.2:0 
xdkui@xclient:~$xterm& 
这时即在Windows里的X server里看到了xterm了,至于X client还运行什么程序就看你的需要了,文件管理器阿,资源查看器等。当然,这里X-win32要设置好授权,好像默认是禁止接入控制,即任何X client都可使用这个X server。 
 b) XDMCP方式 
常见的Display Manager有xdm,gdm,kdm等。我这里使用的是gdm。需要修改gdm的配置文件/etc/X11/gdm/gdm.conf,修改[xdmcp]段的Enable=true,使得可以远程登录,在X client运行gdm。 
在X-win32里建一个XDMCP的session,查询方式,填入IP为运行gdm的机器地址。连接,即可看到登录界面,下面的就不用说了,享受吧:) 
2) Linux与Linux互联 
a) ssh或telnet方式 
在linux本地起个X server,需要注意授权问题,建立文件/etc/X0.hosts,填入X client的IP192.168.1.1,其中X0.hosts表示本地第0个屏幕允许连接的X client地址,建立X1.hosts文件则是本地第1个屏幕允许连接的X client地址,以此类推,man xserver里有。运行 
xdkui@xserver:~$X& 
运行该程序时别加-nolisten参数,否则不会在网络上侦听。 
这个时候Ctrl+Alt+F7是X server,返回Ctrl+Alt+F1还可以ssh上X client机器上。 
然后登录上X client,运行 
xdkui@xclient:~$xterm –display 192.168.1.2:0 
即可在本地的X server里看到xterm了,如果有的话,还可把gnome-session也显示在本地来。同样可以在linux里的VMware里做这个测试,需要用点手腕了^_^见下 
b) XDMCP方式 
在我们的X client里运行gdm(别忘了修改gdm.conf),然后在本地X server的CUI下面运行X -query 192.168.1.1(X client开gdm机器的地址)。可以看到登录界面了吧。 
我是在linux里的VMware里做的测试,说说所用的手腕吧。在Ctrl+Alt+F1的CUI下正常运行startx&启动GUI,这时Ctrl+Alt+F7即为我的X server,X client启动的gnome,然后在这里运行VMware打开Debian虚拟机,并运行gdm。然后回到Ctrl+Alt+F1,运行X :1 -query 192.168.1.1。看到登录界面了吧。这时Ctrl+Alt+F7为我的0号屏幕,里面运行了虚拟机。Ctrl+Alt+F8为1号屏幕,在远程GUI登录X client。相当于我在本地起了两个X server。 

X Window System设计的真是相当神奇,使用方法更是眼花缭乱。佩服……… 

PS:这篇文章参考了人民邮电出版的《X Window彻底研究》,有小部分是里面的原话。有兴趣可以看看,不过里面只有2~3章值得一看,不到一个小时即可翻完,但确有助于理解X Window System。打了这么多字,希望对想了解的朋友有帮助,不然可就辛苦我了阿:)小弟水平有限,如有错误之处,还请指正^_^
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