探究X Window System运行原理与启动过程

╰半橙微兮° 2021-11-04 20:36 478阅读 0赞

探究X Window System运行原理与启动过程

作者：xdkui

  1. 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。
  3. 一) 基本运行原理  
  4. 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。  
  6. 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。
  8. 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)。
  10. 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？。  
  11. 总结下运行过程吧：  
  12. (1) 用户通过鼠标键盘对X server下达操作命令  
  13. (2) X server利用Event传递用户操作信息给X client  
  14. (3) X client进行程序运算  
  15. (4) X client利用Request传回所要显示的结果  
  16. (5) X server将结果显示在屏幕上
  18. 二) 启动过程  
  19. 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：  
  20. startx \[\[client\] options .....\] \[-- \[server\] options ....\]  
  21. xinit \[\[client\] options \] \[-- \[server\] \[display\] options\]  
  22. 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。  
  23. 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：  
  24. \#!/bin/sh  
  25. userclientrc=$HOME/.xinitrc                     \#用户的client定义文件  
  26. userserverrc=$HOME/.xserverrc                   \#用户的server定义文件  
  27. sysclientrc=/usr/X11R6/lib/X11/xinit/xinitrc    \#系统的client  
  28. sysserverrc=/usr/X11R6/lib/X11/xinit/xserverrc  \#系统的server  
  29. defaultclient=/usr/X11R6/bin/xterm              \#默认的client程序  
  30. defaultserver=/usr/X11R6/bin/X                  \#默认的server程序  
  31. defaultclientargs=""                            \#下面定义了client和server的参数变量  
  32. defaultserverargs=""  
  33. clientargs=""  
  34. serverargs=""
  36. \#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  
  37. if \[ -f $userclientrc \]; then  
  38.     defaultclientargs=$userclientrc  
  39. elif \[ -f $sysclientrc \]; then  
  40.     defaultclientargs=$sysclientrc  
  41. fi
  43. \#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  
  44. if \[ -f $userserverrc \]; then  
  45.     defaultserverargs=$userserverrc  
  46. elif \[ -f $sysserverrc \]; then  
  47.     defaultserverargs=$sysserverrc  
  48. fi
  50. \#下面循环处理client和server的参数  
  51. whoseargs="client"  
  52. while \[ x"" != x \]; do                        \#若第一个参数为空，退出循环  
  53.     case "" in  
  54.     \# '' required to prevent cpp from treating "/\*" as a C comment.  
  55.     /''\*|./''\*) \#如果是/\*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)  
  56.         if \[ "$whoseargs" = "client" \]; then    \#如果当前是在处理client的参数  
  57.             if \[ x"$clientargs" = x \]; then     \#如果clientargs为空,则赋值给client变量，也即上面\#startx使用方法里的\[client\]参数  
  58.                 client=""  
  59.             else  
  60.                 clientargs="$clientargs "     \#否则clientargs赋值为$clientargs ，即上面\#startx使用\#方法里的options参数  
  61.             fi  
  62.         else                                    \#当前在处理server的参数，代码的含义同上  
  63.             if \[ x"$serverargs" = x \]; then  
  64.                 server=""  
  65.             else  
  66.                 serverargs="$serverargs "  
  67.             fi  
  68.         fi  
  69.     ;;  
  70.     --)\#如果为--，则表示开始处理server的参数，--为client和server参数的分界  
  71.     whoseargs="server"  
  72.     ;;  
  73.     \*)  
  74.     if \[ "$whoseargs" = "client" \]; then        \#处理给client程序的参数  
  75.         clientargs="$clientargs "  
  76.     else                                        \#处理给server程序的参数  
  77.     \# display must be the FIRST server argument  
  78.     \#屏幕编号必须为第一个给server程序的参数，以的形式(x为数字)，这可从上面startx和xinit 的使用  
  79.     \#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：  
  80.     \#xinit /usr/bin/X11/xeyes -display localhost:1 -- /usr/bin/X11/X :1 -dpi 70&  
  81.     \#xinit /usr/bin/X11/xeyes -display localhost:1 -- /usr/bin/X11/X -dpi 70 :1&  
  82.     \#即可看出不把屏幕编号作为第一个server参数的后果  
  83.         if \[ x"$serverargs" = x \] && expr "" : ':\[0-9\]\[0-9\]\*$' > /dev/null 2>&1; then  
  84.             display=""  
  85.         else \#处理屏幕编号以外的参数  
  86.             serverargs="$serverargs "  
  87.         fi  
  88.     fi  
  89.     ;;  
  90.     esac  
  91.     shift \#所有参数左移一次  
  92. done
  94. \# process client arguments  
  95. if \[ x"$client" = x \]; then \#如果client程序为空  
  96. \# if no client arguments either, use rc file instead  
  97.     if \[ x"$clientargs" = x \]; then             \#且clientargs为空，赋值$defaultclientargs给client程序  
  98.         client="$defaultclientargs"  
  99.     else  
  100.         client=$defaultclient                   \#使用默认的client程序  
  101.     fi  
  102. fi  
  104. \# process server arguments处理server参数，同上  
  105. if \[ x"$server" = x \]; then  
  106. \# if no server arguments or display either, use rc file instead  
  107.     if \[ x"$serverargs" = x -a x"$display" = x \]; then  
  108.         server="$defaultserverargs"  
  109.     else  
  110.         server=$defaultserver  
  111.     fi  
  112. fi  
  113. \#…………省略授权代码若干
  115. xinit $client $clientargs -- $server $display $serverargs       \#把处理过的参数交由xinit程序处理  
  116. \#…………  
  117. 由上面代码可以得出startx主要是置X client和X server所在的位置，并处理相关参数，最后交给xinit处理。可以看出startx 设置X client的位置是先搜寻$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 -- $HOME/.xserverrc 。如果用户目录不存在那两个文件，则等价于xinit /usr/X11R6/lib/X11/xinit/xinitrc -- /usr/X11R6/lib/X11/xinit/xserver。别的情况类推。  
  119. 至于xinit，则根据startx传过来的参数启动X server，成功后根据xinitrc启动X client。  
  120. 以上即为X Window System的启动过程，startx只是负责一些参数传递，真正的X启动由xinit实现。实际上可以分为启动X server和启动X client两部分。下面在用户目录下构造.xinitrc(即X client)和.xserverrc(即X server)文件。在.xserverrc里写入/usr/bin/X11/X :1。.xinitrc里写入/usr/bin/X11/xeyes -display localhost:1。这就是最简单的X server + X client了，只不过把屏幕编号从默认的0改为了1，这里X server即是/usr/bin/X11/X 程序，X client即是/usr/bin/X11/xeyes 程序。  
  121. 总结下单机用startx启动过程吧：  
  122. (1) startx置X client和X server的位置，处理参数并调用xinit  
  123. (2) xinit根据传过来的参数启动X server，成功后呼叫X client  
  124. (3) 根据xinitrc设置相关资源，启动窗口管理器,输入法和其他应用程序等X client程序。
  126. 但还未搞清楚gnome是怎么起来的！gnome当然属于X client了，看上面启动过程第(3)步。  
  127. 这里分两种情况看吧，第一种是用系统的xinitrc文件。看/etc/X11/xinit/xinitrc文件(我的sarge装x-window-system-core和gnome-core)，里面只包含了. /etc/X11/Xsession一句话。接着看/etc/X11/Xsession这个脚本，只看关键部分吧。最后面有：
  129. SESSIONFILES=$(run\_parts $SYSSESSIONDIR)  
  130. if \[ -n "$SESSIONFILES" \]; then  
  131.     for SESSIONFILE in $SESSIONFILES; do  
  132.         . $SESSIONFILE  
  133.     done  
  134. fi  
  135. exit 0  
  137. 接着看run\_parts()，位于本文件中间:  
  138. run\_parts () \{  
  139.     \# until run-parts --noexec is implemented  
  140.     if \[ -z "" \]; then  
  141.         internal\_errormsg "run\_parts() called without an argument."  
  142.     fi  
  144.     if \[ ! -d "" \]; then  
  145.         internal\_errormsg "run\_parts() called, but "" does not exist or is"  
  146.         "not a directory."  
  147.     fi  
  149.     for F in $(ls ); do  
  150.         if expr "$F" : '\[\[:alnum:\]\_-\]+$' > /dev/null 2>&1; then  
  151.             if \[ -f "/$F" \]; then  
  152.                 echo "/$F"  
  153.             fi  
  154.         fi  
  155.     done  
  156. \}
  158. 大概意思就是run\_parts () 把$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  
  159. for SESSIONFILE in $SESSIONFILES; do  
  160.     . $SESSIONFILE  
  161. done
  163. 这个for循环执行时也先被执行。看到/etc/X11/Xsession.d目录下有个55gnome-session\_gnomerc文件，里面提到了STARTUP变量。然后运行：  
  164. [xdkui@Debian:/etc/X11/Xsession.d$][xdkui_Debian_etc_X11_Xsession.d] grep STARTUP \*  
  165. 看到50xfree86-common\_determine-startup文件。里面有  
  166. if \[ -z "$STARTUP" \]; then  
  167.     if \[ -x /usr/bin/x-session-manager \]; then  
  168.         STARTUP=x-session-manager  
  169.     elif \[ -x /usr/bin/x-window-manager \]; then  
  170.         STARTUP=x-window-manager  
  171.     elif \[ -x /usr/bin/x-terminal-emulator \]; then  
  172.         STARTUP=x-terminal-emulator  
  173.     fi  
  174. fi
  176. 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  
  177. [xdkui@Debian:/etc/X11/Xsession.d$][xdkui_Debian_etc_X11_Xsession.d] grep STARTUP \*  
  178. 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：  
  179. exec $STARTUP  
  180. 好了，到这里就启动我们的X client了，终于完了^\_^。总结下这第一种方式的启动过程，简单的说就是依次顺序查找/usr/bin/x-session-manager ，x-window-manager，/usr/bin/x-terminal-emulator 这三个文件。如果存在则启动之，也即X client。如果三个都不存在则报错退出了。看/usr/bin/x-session-manager文件可以看到是个符号连接，最终连接到/usr/bin/gnome-session，也就是gnome 了。至于我们在gnome 启动时可能会设置启动输入法等程序，那就归gnome-session管了，也就不再分析了。可以试着把/usr/bin/x-session-manager 改为指向xfce4-session(如果安装了的话) ，再startx就会启动xfce4环境了。大概RedHat的switchdesk工具就是改这个连接实现的吧？。或者删掉/usr/bin/x-session-manager ，再startx，只启动了/usr/bin/x-window-manager 所指向的window manager了吧，我这里是blackbox。  
  182. 下面看第二种情况，即用户目录的xinitrc文件$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。  
  184. 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:  
  185. [xdkui@Debian:~$X][xdkui_Debian_X] :1&
  187. 看到了一个灰色的全屏幕和一个鼠标指针，这就是X server了，其屏幕编号为1。下面构造X client，按Ctrl+Alt+F1回到刚才的CUI(Ctrl+Alt+F7对应本机的第一个启动的X server，Ctrl+Alt+F8对应第二个，有人说F7对应屏幕编号为0的X server实际上是不对的，如果第一个启动的屏幕编号为1，第二个启动的编号为0,则F7对应1屏幕，F8对应0屏幕)，运行命令:xdkui@Debian:~$xeyes -display localhost:1&
  189. 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  
  190. [xdkui@Debian:~$X][xdkui_Debian_X]&  
  191. 开启一个屏幕编号0的X server，CUI下再运行  
  192. [xdkui@Debian:~$xterm][xdkui_Debian_xterm]&
  194. 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  
  195. [xdkui@Debian:~$X][xdkui_Debian_X]&  
  196. 然后  
  197. [xdkui@Debian:~$gnome-session][xdkui_Debian_gnome-session]
  199. 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。
  201. 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 ^\_^
  203. 三) 跨网络运行X Window System  
  204. 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。
  206. 1) Windows系统做X server  
  207. a) 用ssh或telnet方式  
  208. 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：  
  209. [xdkui@xclient:~$export][xdkui_xclient_export] DISPLAY=192.168.1.2:0  
  210. [xdkui@xclient:~$xterm][xdkui_xclient_xterm]&  
  211. 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。
  213. b) XDMCP方式  
  214. 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。  
  215. 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
  217. 2) Linux与Linux互联  
  218. a) ssh或telnet方式  
  219. 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  
  220. [xdkui@xserver:~$X][xdkui_xserver_X]&  
  221. 运行该程序时别加-nolisten参数，否则不会在网络上侦听。  
  222. 这个时候Ctrl+Alt+F7是X server，返回Ctrl+Alt+F1还可以ssh上X client机器上。  
  223. 然后登录上X client，运行  
  224. [xdkui@xclient:~$xterm][xdkui_xclient_xterm] –display 192.168.1.2:0  
  225. 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  
  227. b) XDMCP方式  
  228. 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。  
  229. 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。  
  231. X Window System设计的真是相当神奇，使用方法更是眼花缭乱。佩服………

转载于:https://www.cnblogs.com/F4ncy/archive/2005/02/12/103959.html

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