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My Unix World

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【转】探究X Window System运行原理与启动过程  

2009-02-05 18:04:19|  分类: graphics-x-servi |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:xdkui 出处:chinaunix.net


  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………

总结:

             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。

             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。

    启动X窗口的分步骤方法:

     (1) xinit
    (2) gnome-session

尚存问题:

    Gnome 和Gnome2 在配置文件和启动过程有何不同

     在Fedora Gnome2中 如果是root用户 /root/.gnome2/ 中是否需要session目录 有何作用

  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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