探究X Window System运行原理与启动过程

探究X Window System运行原理与启动过程

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^_^