X Window 架構概述
X Window 架構概述
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
Email：gexbob@gmail.com
Blog：http://blog.csdn.net/exbob
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修訂歷史
Revision 1.0.1
2001-05-22
Revised by: dm
一些語法修正，由Bill Staehle指出。
Revision 1.0
2001-05-20
Revised by: dm
初始發行。
本文檔描述了X Window的架構，給出了對於X Window設計的更好理解, 包括X的組件，這些組件結合起來構成的可運行圖形環境，這些組件作為窗口管理器該怎樣選擇，工具包和構件庫，桌面環境。
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1. 序言
2. 簡介
3. X Window系統架構：概覽
4. 窗口管理器
5. 客戶端應用
6. 部件庫或工具包
7. 目前為止我們所擁有的
8. 桌面環境的救贖
9. 特定桌面環境
10. 怎麼把它們組合到一起
11. X系統中一天
12. 版權和許可
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1. 序言
這個文檔的目的是提供一個X-Window系統架構的概述，希望人們更好的理解它為什麼要這樣設計，X的組件是怎樣組合起來形成一個可工作的圖形環境，怎樣選擇這些組件。
我們探討一些經常被提到的概念，如果沒有相關的技術背景，這些概念可能被混淆，例如部件（widgets）和工具包（toolkits），窗口管理器（window managers）和桌面環境（desktop environments）。還提供了一些例子，展示了這些組件在日常使用的應用程序中如何相互作用。
這個文檔故意寫得不太偏重技術，它基於作者的經驗知識，以非技術方式引入，它可以從各種意見中吸取營養，包括更深入的例子和解釋，以及技術上的更正。作者歡迎所有關於這個文檔的問題和意見，Email：roadmr@entropia.com.mx 。
2. 簡介
回到UNIX還是新鮮事物的時代，大約是1970年，圖形用戶介面還是一個奇怪的東西，只被一個實驗室（Xerox's PARC）使用。可是今天，任何操作系統只要想擁有競爭力，就必須有一個GUI子系統。GUI界面提供了良好的易用性。這不是UNIX所關心的，UNIX有它的傳統，某種程度來講，多功能比易用性更好。但是，有幾個原因使得UNIX系統需要有一個GUI。例如，UNIX的多任務特性，在給定的時間內要運行多個程序。GUI提供了多種控制方式，可以在同一時間在屏幕上顯示多個運行的程序。所以，某些類型的信息更適合在圖形界面上顯示（有些甚至只能在圖形界面上顯示，例如pr0n和其他圖形數據）。
歷史上，UNIX有很多學術上的改進。一個好的例子是，70年代末加入了BSD網路代碼，這是加州大學伯克利分校的工作成果。事實證明，X Window系統也是一個學術項目的結果，即MIT的雅典娜項目，它成為了現代UNIX（類UNIX系統）中大部分GUI子系統的基礎，包括Linux和BSD。
從一開始，UNIX就是一個多用戶、多任務的分時操作系統。隨著網路技術的加入，它還允許用戶遠程連接和執行任務。以前，這是通過串列終端或網路連接（telnet）完成的。
當開發UNIX下的GUI系統的時候，這些概念都被加入到了設計中。事實上，X是一個相當複雜的設計，這是經常被提到的一個缺點。可是，正因如此，它才是一個真正多功能的系統，當我們解釋GUI的各個部分在UNIX下是怎樣結合的時候，這些都會變的很清晰。
介紹X的架構之前，簡單介紹一下它的歷史，還有它是如果進入Linux系統的。
X是由雅典娜項目開發，在1984年發行。1988年，一個叫做「X Consortium 」的實體接手X，之後開始處理它的開發和發布。X規範是自由提供的，這個聰明的舉動使X得到了很大程度的普及。下面介紹XFree86是什麼。XFree86是我們在Linux系統上使用的X實體，XFree86也可以工作在其他操作系統上，例如BSD系列、OS/2和其他。儘管它的名字中帶有86，它依然支持其他CPU架構。
3. X Window系統架構：概覽
X被設計為客戶端—伺服器的架構（client-server）。應用軟體作為客戶端，他們通過伺服器進行溝通和發布請求，當然也可以從伺服器接受信息。
X server維護一個獨立的顯示控制器和處理來自client的請求。從這一點上來看，使用這種模式的優點是顯而易見的。應用程序（client）只需要知道怎樣同server溝通，而不需要關注實際圖像顯示設備的細節。最基本的，client會告訴server一些這樣的東西：「畫一條從這裡到那裡的線」，或者「顯示一個文本字元串，使用這個字體，在屏幕的這個位置」。
這與只用圖形庫寫應用沒什麼不同。但是，X模式更進一步。它不限制client和server在同處一台電腦。使用這個協議可以讓client和server通過網路進行溝通，事實上，「進程間通信機制提供了可靠的位元組流」。當然，更好的方法是使用TCP/IP協議。可以看到，X的模式是很強大的。一個經典的例子是，在Cray計算機上運行一個處理器密集陣應用程序，在Solaris 伺服器上運行一個資料庫監視器，在小型BSD郵件伺服器上運行一個E-mail應用，在SGI伺服器上運行一個可視化應用，然後，將以上這些都顯示在我的Linux平台的屏幕上。
目前為止，我們已經看到X server是一個處理實際圖形顯示的東西。由於X server是運行在用戶使用的實際計算機上，它的職責是處理所有與用戶的交互。這包括監聽滑鼠和鍵盤。所有這些信息都要傳達給client，還有對它進行響應。
X提供了一個庫，稱作Xlib，負責處理所有低級的client-server通信任務。很顯然，client調用Xlib中的函數進行工作。
這樣看來，一切都工作的很好。我們有一個server負責虛擬輸出和數據輸入，客戶端應用程序，兩者之間可以通過一種方法互相通信。假設client和server之間有一個互動，client可以讓server在屏幕上分配一指定的矩形區域。作為client，我並不關心我被現實在屏幕的哪個位置，我只是告訴server「給我一個X乘以Y像素大小的區域」，然後調用函數執行類似「畫一條從這裡到那裡的線」，「用戶是否在我的屏幕範圍內移動滑鼠」等等。
4. 窗口管理器
可是，我們沒有提到X server怎樣處理client在屏幕現實範圍內的操作（調用窗口）。顯然，對於任何使用GUI的用戶，對需要對「client windows」進行控制。通常情況下，你可以對窗口進行移動和排列；改變大小；最大化或最小化。那麼，X server是怎樣處理這些任務呢？答案是：不能。
X的設計原則之一就是「只提供機制，不提供策略」。所以，X server提供了一個操作窗口的方法（機制），並沒有說怎樣表現這種機制（策略）。
這些機制和策略可以歸結為：有一個程序的責任是管理屏幕空間。這個程序決定了窗口的位置，為用戶提供了控制窗口外觀、位置和大小的機制，通常還會提供一些「裝飾」，例如標題、邊框和按鈕，這些是我們對窗口本身的控制。這個控制窗口的程序稱作「窗口管理器」。
「窗口管理器只是X的一個客戶端程序——它不是X window系統的一部分，儘管它享有一些特權——所以，窗口管理器不是唯一的，而是有很多，它們提供了不同的用戶與窗口的交互方式和不同的窗口布局、修飾、鍵盤和色調的風格。」
X的架構提供了用於窗口管理器執行這些窗口操作的方法，但確實沒有提供一個窗口管理器。
另外，由於窗口管理器是一個外部元件，可以很容易的根據你的參數設定窗口，例如，你希望它看起來是什麼樣子，你想要它怎樣執行，你想要它出現在哪裡，等等。有些窗口管理器比較簡單和醜陋（例如twm）；還有一些是華而不實的；還有介於兩者之間的；fvwm, amiwm, icewm, windowmaker, afterstep, sawfish, kwm, 還有數不清的其他窗口管理器。每一種口味都有對應的窗口管理器。
窗口管理器是一個「meta-client」，最基本的使命是管理其他客戶端程序。大部分窗口管理器會提供一些額外的設施（有些會提供很多）。 可是，有個功能是大部分窗口管理器都有的——啟動應用程序的方法。有些窗口管理器會提供一個命令盒子，你可以在這裡寫標準命令（用於啟動應用程序）。還有一些窗口管理器會提供某種類型的應用程序啟動菜單。這些不是標準配置。由於X沒有制度關於如何啟動應用程序的策略，這項功能在客戶端程序中實施。那麼，通常情況下，窗口管理器所負責的這個功能（個體之間會由差異），它的唯一使命就是如果啟動客戶端應用程序，就像一個程序啟動平台。當然，人們已經寫了大量的「啟動程序」的應用。
5. 客戶端應用
下面讓我們關注一些客戶端程序。假設你想要從頭開始寫一個客戶端程序，並且只用X提供的設施。你很快就會發現，Xlib是漂亮的斯巴達，想要在屏幕上放一個按鈕、文本，或是為用戶提供的漂亮空間（滾動條，單選框），這些事竟是令人恐怖的複雜。
幸運的是，有人為我們提供了一個庫，可以解決這些控制項的編程問題。這些控制項通常稱作「部件」（widget library ），所以，這個庫稱作「部件庫」。我只需從庫中調用一個帶參數的函數就可以在屏幕上顯示一個按鈕。這些部件包括菜單、按鈕、單選按鈕、滾動條和畫布。
「canvas」（畫布）是一個有趣的部件，它是客戶端上的一個子空間，我能在裡面話一些東西。可以理解，我不能直接使用Xlib，那樣會幹擾部件庫，這個庫本身提供了在畫布內畫任意圖像的方法。
由於部件庫確實可以在屏幕上畫各種元素，以及解釋用戶的輸入動作，這個庫要對每個客戶端的外觀和行為負責。從開發者的角度來看，部件庫也有一些API（設置函數），定義了我想要用到的部件。
6. 部件庫和工具包
原始的部件庫是為雅典娜項目開發的，理所當然應該是雅典娜部件庫，也被稱作雅典娜部件。它非常基礎，非常簡陋，安裝現在的標準來看，它的使用方便並不直觀（例如，要移動一個滾動條或滑塊，你不能拖動，你要點擊右邊的按鈕讓它向上滑，或者點擊左邊的按鈕讓它向下滑），正因如此，現在幾乎沒有被使用了。
像窗口管理器一樣，考慮到不同的設計目的，工具包（toolkit）也有很多種。最早的工具包之一是著名的Motif，這是開發軟體基金會（OSF）的Motif圖像環境的一部分，由一個窗口管理器和一個匹配工具包組成。OSF的歷史超出了本文檔的討論範圍。Motif工具包優於雅典娜部件，在80年代和90年代初使用廣泛。
這些年，Motif不是一個受歡迎的選擇。它不是免費的，如果你想要一個開發許可證（即用它編譯你自己的程序），你需要向OSF Motif繳費，儘管可以發布一個針對Motif的二進位連接。至少對於Linux用戶來說，最知名的Motif應用可能就是Netscape Navigator/Communicator。
有一段時間，Motif是唯一正常可用的工具包。有很多軟體圍繞著Motif。於是人們開始開發替代品，產生了豐富的工具包，例如XForms, FLTK等等。
已經有些時間沒有聽到Motif了，特別是在自由軟體世界。原因是：就許可、性能（Motif被普遍認為像一頭豬）和功能而言已經有了更好的替代品。
有一個知名並廣泛使用的工具包是Gtk，它是GIMP項目專門設計用來替代Motif的。Gtk現在非常流行，因為它相對較輕，功能豐富，可擴展，而且完全免費。GIMP的0.6發行版的更新日誌里包含了「Bloatif has been zorched 」，這句話是給Motif的臃腫的遺囑。
另一個目前很流行的工具包是Qt。直到KDE項目的出現，它才開始出名，KDE利用了Qt的所有GUI元素。當然，我們不會深入Qt的許可問題和KDE/GNOME的分離性。Gtk說來話長，因為它的歷史伴隨著Motif的替換而變的很有趣。Qt沒什麼可說的，因為它真的很流行。
最後，另一個值得一提的替代品是LessTif，這個名字是對於Motif的雙關語，LessTif的目標是成為免費的，兼容Motif API的替代品。並不清楚LessTif的目標已經達到了怎樣的程度，倒不如幫助那些使用Motif代碼的應用，在它們想要移植到其他的工具包時，有個一個免費的替代品。
7. 目前為止我們所擁有的
現在，我們已經知道，X有一個client-server架構，我們的應用程序就是client。在這個client-server架構的圖形系統下，有多種可選的窗口管理器，它管理著我們的屏幕空間。client是我們真正完成工作的地方，而且，可以使用不同的工具包進行客戶端編程。
困境就從這裡產生了。各種窗口管理器使用各自不同的方法管理客戶端，它們的功能和外觀各不相同。同樣的，由於每個客戶端使用不同的工具包，它們的外觀和性能也會不同。由於沒有人說作者必須用同一個工具包寫應用程序，下面這種情況很可能在用戶運行程序是出現，比方說，六個不同的應用，都使用不同的工具包，那麼它們的外觀和性能也不同。這是由於應用之間的功能不一致而造成的困境。如果你一直使用一個用雅典娜組件寫的程序，你會注意到，它和用Gtk所寫的程序不太一樣。通過使用這些外觀和體驗差別很大的應用，會讓你記住是一個困境。這基本上否定了一個GUI環境的優勢。
從技術角度來看，使用多種不同的工具包會增加對資源的佔用。現代操作系統都支持動態鏈接庫。這意味著，如果我有兩三個使用Gtk的應用程序，還有一個Gtk動態鏈接庫，那麼這幾個應用程序將共享這個Gtk。這樣就節省了資源。另一方面，如果我有一個Gtk應用，一個Qt應用，一些基於雅典娜的程序，一個基於Motif的程序（例如Netscape），一個使用FLTK的程序，還有其他一些使用XForms，那我就要在內存中載入六個不同的庫，每個庫還要有一個不同的工具包。請記住，這些工具包提供的功能基本相同。
還用另外一些問題。每一種窗口管理器的啟動程序的方式是不同的。有些窗口管理器有漂亮的啟動程序菜單；有些則沒有，它們希望我們打開一個程序啟動箱，或者使用一個組合鍵，要不就是打開一個xterm，然後調用命令啟動你的程序。所有，困境就是因為沒有一個標準。
最後，我們的計劃沒有覆蓋到一些GUI環境的細節。例如有效的配置，或者「控制面板」；還有圖形文件管理器。當然，這些可以寫成客戶端應用。在典型的自由軟體時尚中，有數百種文件管理器，數百種系統配置程序，可以想象，處理這些不同的軟體組件將是更大的困境。
8. 桌面環境的救贖
先說一下桌面環境的概念是怎麼來的。一個桌面環境應該提供一套設施和指導，用於規範我們之前提到的所有東西，以便我們前面提到的問題最小化。
桌面環境的概念對於Linux來說是新的東西，但是這些東西在其他操作系統（例如Windows和Mac OS）中本來就存在。例如，MacOS，它是最早的圖形用戶介面之一，為整個計算機會話提供了一個非常一致的感觀。再例如，操作系統提供了很多我們前面提到的細節：它提供了一個默認的文件管理器，一個全系統控制面板，還有一個所有應用都使用的獨立工具包（所以它們看起來都差不多）。應用窗口由系統（嚴格的將是窗口管理器）負責管理。最後，還有一套指南告訴開發者應該怎麼表現他們的應用，如何設計外觀和布局，以及根據系統中的其他應用設計外觀。所有這些都是為了保證應用程序的一致性和易用性。
這引出了一個問題，「為什麼X的開發者沒有將桌面環境的事情放在首位？」。這是有道理的；畢竟，這樣就可以避免前面提到的所有問題。答案就是，在X的設計過程中，它的設計者選擇將它設計得儘可能的靈活。比如說，MacOS提供了大多數機制/策略規範，但是他們不鼓勵人們玩弄這些東西，結果就是失去了多功能性，如果我不喜歡MacOS管理窗口的方式，或者工具包沒有提供我需要的功能，我只能怪自己倒霉。X下就不會發生這樣的事，靈活的代價就是更大的複雜性。
在Linux/Unix和X下，一切都歸結於統一和堅持。以KDE為例，KDE包含一個單一的窗口管理器（kwm），負責管理和控制窗口的行為。它用了一個特定的圖形工具包（Qt），以至於KDE應用的控制和外觀都差不多。KDE提供了一套桌面環境庫，這是Qt的擴展，用來完成一些常見的編程工作，例如創建菜單、「關於」框，編寫工具欄，程序間通信，列印，選擇文件，等等。這使得程序員的工作更加簡單，並且標準化。KDE還為程序員提供了一套設計和行為指南，如果每個人都按照指南來做，那麼KDE程序的外觀和操作就會很相似。最後，KDE還為桌面環境提供一些組件，一個啟動器面板（kpanel），一個標準的文件管理器，還有一個配置程序（控制面板），通過它可以全方位的控制計算機環境，比如設置桌面背景和標題欄的顏色。
KDE面板相當於Windows操作系統的任務欄。在這上面可以啟動應用程序，還可以在上面顯示將小程序（applets）。它還提供了大多數用戶都離不開的實時時鐘。
9. 特定桌面環境
我們以KDE為例，但它不是Unix系統上最早的桌面環境。最早的可能是CDE（Common Desktop Environment），OSF的另一個兄弟。根據CDE FAQ：「Common Desktop Environment是Unix的標準桌面，為最終用戶、系統管理員和應用開發者提供一貫的跨平台服務。」可是，CDE沒有足夠豐富的功能和易用性。除了Motif，CDE幾乎在自由軟體世界消失了，最終被更好的平台替代。
在Linux下，最流行的桌面環境是KDE和GNOME，但是不止這兩個。在網上可以輕易的搜索到半打桌面環境：GNUStep、ROX、GTK+XFce、UDE。它們都提供前面提到的基礎功能。GNOME和KDE擁有來自社區和業界的最廣泛的支持，所以它們是最優秀的之一，為用戶和應用程序提供大量的服務。
我們提過在KDE下有很多提供特定服務的組件。作為一個好的桌面環境，GNOME在這方面也一樣。最明顯的差別是GNOME並不要求使用特定的窗口管理器（這方面KDE有kwm）。GNOME一直試圖做到與窗口管理器無關，但是要承認，大多數用戶與他們的窗口管理器聯繫緊密，而強迫他們使用不同的窗口管理器會損害他們的觀眾。GNOME原本青睞Enlightenment窗口管理器，現在它們更喜歡用Sawfish，但是GNOME控制面板一直有一個窗口管理器選擇框。
除此以外，GNOME使用Gtk工具包，並且通過gnome-lib提供了一套高級功能和工具。GNOME有它自己的一套編程方法，可以確保兼容的應用之間行為一致；它提供了一個面板，一個文件管理器（gmc）和一個控制面板（gnome控制中心）。
10. 怎樣把它們組合到一起
每個用戶都可以自由的選擇感覺最好的桌面環境。最終的結果是，如果你使用純kde或純gnome系統，整個環境的感觀就非常一致；並且應用程序之間的溝通會更好。我們不可能在一個應用程序中使用多種不同的工具包。現代Linux桌面環境提供的設備還使用了一些其他的小技術，例如組件架構（KDE有Kparts，GNOME用Bonobo），它允許你在文字處理文檔中嵌入表格或圖表；還有整體列印設備，就像是Windows中的印刷背景；還有腳本語言，可以讓更多的高級用戶編寫程序將多個應用結合到一起，讓它們用有趣的方式進行協作。
在Unix的桌面環境概念中，一個程序可以在多個環境中運行。我可以想象在GNOME中用Konqueror，在KDE中用Gnumeric。它們只是程序而已。當然，一個桌面環境的整體理念是一致的，所以，堅持使用那些你喜歡的環境中的應用是有道理的。但是，如果你想要處理掉一個不太合適的應用，並且不影響環境中的其他部分，你完全可以自由的去做。
11. X系統中的一天
下面是一個例子，在Linux系統的桌面環境中，一個典型的GNOME會話是怎樣運行的。假設它們工作在X之上。
當Linux系統啟動X時，X server啟動並初始化圖形設備，然後等待客戶端的應答。首先啟動gnome-sessiong，並且設置工作會話。一個會話包括我同意打開的應用，它們在屏幕上的位置，等等。然後啟動面板。面板通常出現在屏幕的底部，有點像桌面環境的儀錶盤。我們可以用它來啟動程序，看到正在運行的程序，還可以控制工作環境。然後，窗口管理器會啟動。因為我們正在使用GNOME，無法確定是哪種窗口管理器，這裡假設是Sawfish。最後，文件管理器啟動。文件管理器負責處理桌面圖標。至此，我的GNOME環境就完全準備好了。
到目前為止，所有啟動的程序都是客戶端，都連接到了X server。現在我們看到的X server和client是在同一台計算機上，但是就像我們前面看到的，這不是必須的。
現在，我們可以打開一個xterm來執行一些命令。當我們點擊xterm圖標時，面板會啟動xterm程序。它是一個X client應用，所以，當它啟動時會連接X server並顯示它的界面。當X server為xterm分配屏幕空間時，它會讓窗口管理器（Sawfish）為窗口裝飾一個漂亮的標題欄，並決定它顯示的位置。
讓我們用一下瀏覽器。點擊面板上的Netscape圖標，啟動一個瀏覽器。這個瀏覽器可不是GNOME的設備，它用的是Gtk工具包。所以，它和桌面環境中的其它部分不是特別協調。
接著打開「File」菜單。Motif在屏幕上提供了一個控制器，所以，Motif庫的工作就是適當的調用相關的Xlib，為顯示菜單在屏幕上繪製必要的元素，並且讓我選擇「exit」選項來關閉應用。
現在我們打開一個Gnumeric電子表格。有些時候我需要用到xterm，所以我點擊它。Sawfish檢測到了我的動作，然後對現有的窗口做些改變，將xterm放在了最上層，並且將焦點移動到xterm上面，這樣我就可以在它上面工作了。
之後，我回到電子表格，想要列印這個文檔。Gnumeric是一個GNOME應用，所以它可以使用GNOME環境提供的設備。當我列印時，Gnumeric調用gnome-print庫，連接印表機並且列印。
12. 版權和許可
Copyright (c) 2001 by Daniel Manrique
在自由軟體社區發行的GNU Free Documentation License，Version1.1或之後版本的條款下（不包含不變章節、封面文字和封底文字），授予複製、發布和修改該文檔的許可權。在這裡可以找到許可協議的衣服拷貝。
《解決方案》
謝謝分享
《解決方案》
看著不錯，就是這時間上...
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