你不知道的Wayland:XWindow的前生今世

? ? ? Wayland是什么呢？它是X Window？還是要取代X Window？它的優(yōu)勢(shì)在哪里？Linux桌面/移動(dòng)會(huì)因此有什么變化？在本篇中，我將回顧歷史，展望未來，通過簡(jiǎn)易的文字，來先回顧一下X Window，從而繼續(xù)解答Wayland。

注：在下對(duì)X Window的理解僅限于表面，文章中會(huì)有不少技術(shù)、歷史方面的錯(cuò)誤，若有大俠指出，不勝感激！

古老的X Window和現(xiàn)代的桌面技術(shù)

X Window在1984年由MIT研發(fā)，它的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一是：提供機(jī)制，而非策略。舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子吧：X Window提供了生成窗口（Window）的方法，但它沒規(guī)定窗口要怎么呈現(xiàn)（map）或擺放（place），這個(gè)策略是由外部程序——窗口管理器（Window Manager）所決定的。另外一個(gè)X Window的主要特點(diǎn)便是：Server/Client網(wǎng)絡(luò)模型。不論是本地、遠(yuǎn)程的應(yīng)用程序，都統(tǒng)一通過Server/Client模型來運(yùn)作，比如：讓遠(yuǎn)程的應(yīng)用程序跑在本地上。

X Window在推出之后快速演化，在1987年時(shí)候，其核心協(xié)議已經(jīng)是第11版本了，簡(jiǎn)稱：x11。這個(gè)版本已經(jīng)將“提供機(jī)制，而非策略”這個(gè)哲學(xué)貫徹地非常徹底，以致于核心協(xié)議基本穩(wěn)定，不需要特別大的改動(dòng)。于是乎，你看到了，現(xiàn)在是2010年，整整23年了，X Window依然是X11。

你可能會(huì)詫異，23年了，X Window的核心都沒有特別大的變化，它能適應(yīng)現(xiàn)代桌面的快速發(fā)展嗎？這就要再次提到X Window的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)了，X Window在核心層之外提供一個(gè)擴(kuò)展層，開發(fā)者可以開發(fā)相應(yīng)擴(kuò)展，來實(shí)現(xiàn)自己的擴(kuò)展協(xié)議，比方說：

標(biāo)準(zhǔn)的Window都是矩形的，我如何用它來畫一個(gè)圓形的窗口？X Window協(xié)議并未提供，但是通過“shape”這個(gè)擴(kuò)展，X Window可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則的窗體。

所以啊，這23年，X Window除了繼續(xù)完善核心協(xié)議、驅(qū)動(dòng)以外，很大程度上，都是擴(kuò)展使它保持“與時(shí)俱進(jìn)”，比如說：

要多頭顯示支持，這個(gè)是由“Xinerama”擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的；

要有多媒體視頻回放的支持，這個(gè)是由“X Video”擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的;

OpenGL的3D支持，則是通過“GL”擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)的；

Compiz那樣的合成桌面特效是怎么弄的？沒錯(cuò)，還需要一個(gè)新的擴(kuò)展，它便是：“Composite”；

甚至Keyboard的支持，都是通過“X Keyboard Extension”（也就是“XKB”）的！

X Window的核心，基本上就是在處理Server/Client、驅(qū)動(dòng)之類的，而外部的那些支持，基本上全是通過“擴(kuò)展”進(jìn)行的。這沒什么不好，X Window的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精良，盡管是擴(kuò)展，但它們沒有任何效能上的問題。通過擴(kuò)展方便地實(shí)現(xiàn)了一些對(duì)新技術(shù)、新事物的支持，而且方便維護(hù)，這再好不過了。

所以你看到了盡管23年過去了，基于X Window的GNOME、KDE，還能保持與同期Windows、Mac OS X競(jìng)爭(zhēng)甚至某些方面更好，你就不得不佩服這些前輩在最初設(shè)計(jì)時(shí)定下的設(shè)計(jì)哲學(xué)是多么正確了。

雖然擴(kuò)展的眾多沒有給X Window造成什么問題，也跟X Window的設(shè)計(jì)哲學(xué)相符，但是其Server/Client的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，卻一直倍受質(zhì)疑，這便是：

X Window的效率問題

經(jīng)常聽到有人說，X Window的Server/Client結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響效率，導(dǎo)致Linux桌面的效應(yīng)速度一直不如Windows、Mac OS X。事實(shí)是不是這樣呢？讓我們還是透過原理來說話吧。

這張，便是當(dāng)前X Window系統(tǒng)的架構(gòu)圖，稍微解釋一下：

X Client：圖形應(yīng)用程序，如Firefox、Pidgin等；

X Server：你看不見的控制中心；

Compositor：合成桌面系統(tǒng)，如Compiz；

Kernel/KMS/evdev：這便是Linux Kernel，后面會(huì)提到KMS技術(shù)了，其中還有一項(xiàng)evdev，是管理輸入設(shè)備的。

通過這些箭頭，你已經(jīng)可以明白一些X Window的工作機(jī)制了，不過還從一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景來解釋一下，想像一下，當(dāng)你點(diǎn)擊了Firefox（X Client）的“刷新”按鈕，將會(huì)發(fā)生以下事情：

你用鼠標(biāo)點(diǎn)擊了Firefox的“刷新”按鈕，這時(shí)內(nèi)核收到了鼠標(biāo)發(fā)來的事件，并將其通過evdev輸入驅(qū)動(dòng)發(fā)送至了X Server。這時(shí)內(nèi)核實(shí)際上做了很多事情，包括將不同品牌的鼠標(biāo)發(fā)出的不同信號(hào)轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)的“evdev”輸入信息。

這時(shí)X Server可以判斷哪個(gè)Window該收到這個(gè)消息，并將某座標(biāo)按下按鈕的消息發(fā)往X Client——Firefox。但事實(shí)上X Server并不知道它得到的窗口信息是不是正確！為什么呢？因?yàn)楫?dāng)前的Linux桌面早已經(jīng)不是10年前的那樣了，現(xiàn)在是“Composite”即合成桌面的時(shí)代，合成桌面的一個(gè)特點(diǎn)便是：Compositor（如Compiz）管理窗口的一切，X Server只能知道屏幕的某個(gè)點(diǎn)收到了鼠標(biāo)消息，卻不知道這個(gè)點(diǎn)下面到底有沒有窗口——誰知道Compiz是不是正在搞一個(gè)漂亮的、緩慢的動(dòng)畫，把窗口收縮起來了呢？

假設(shè)應(yīng)用場(chǎng)景沒這么復(fù)雜，F(xiàn)irefox順利地收到了消息，這時(shí)Firefox要決定該如何做：按鈕要有按下的效果。于是Firefox再發(fā)送請(qǐng)求給X Server，說：“麻煩畫一下按鈕按下的效果?！?/p>

當(dāng)X Server收到消息后，它就準(zhǔn)備開始做具體的繪圖工作了：首先它告訴顯卡驅(qū)動(dòng)，要畫怎么樣一個(gè)效果，然后它也計(jì)算了被改變的那塊區(qū)域，同時(shí)告訴Compiz那塊區(qū)域需要重新合成一下。

Compiz收到消息后，它將從緩沖里取得顯卡渲染出的圖形并重新合成至整個(gè)屏幕——當(dāng)然，Compiz的“合成”動(dòng)作，也屬于“渲染（render）”，也是需要請(qǐng)求X Server，我要畫這塊，然后X Server回復(fù)：你可以畫了。

整個(gè)過程可能已經(jīng)明了了，請(qǐng)求和渲染的動(dòng)作，從X Client->X Server，再從X Server->Compositor，而且是雙向的，確實(shí)是比較耗時(shí)的，但是，事實(shí)還不是如此。介于X Window已有的機(jī)制，盡管Compiz已經(jīng)掌管了全部最終桌面呈現(xiàn)的效果，但X Server在收到Compiz的“渲染”請(qǐng)求時(shí)，還會(huì)做一些“本職工作”，如：窗口的重疊判斷、被覆蓋窗口的剪載計(jì)算等等（不然它怎么知道鼠標(biāo)按下的坐標(biāo)下，是Firefox的窗口呢）——這些都是無意義的重復(fù)工作，而且Compiz不會(huì)理會(huì)這些，Compiz依然會(huì)在自己的全屏幕“畫布”上，畫著自己的動(dòng)畫效果……

從這個(gè)過程，基本可以得出結(jié)論：

X Client <-> X Server <-> Compositor，這三者請(qǐng)求渲染的過程，不是很高效；

X Server，Compositor，這兩者做了很多不必要的重復(fù)工作和正文切換。

當(dāng)然，這里我沒有直接說明這種模式有沒有給X Window造成效率問題，因?yàn)槲覀冞€少一個(gè)對(duì)照組。再看對(duì)照組之前，再來看看X Server的另一個(gè)趨勢(shì)：

從“什么都做”到“做得越來越少”的X Window

X Window剛出現(xiàn)那會(huì)，主要提供一個(gè)在操作系統(tǒng)內(nèi)核上的抽象層，來實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖形環(huán)境。所謂圖形環(huán)境，最主要的便是：圖形＋文字。當(dāng)時(shí)的X Window便提供“繪圖”和“渲染文字”的機(jī)制。圖形桌面上的圖案和文字，都通過X Window合成并繪制出來。

一個(gè)典型的例子，如果你要用X來畫點(diǎn)，就要在你的程序中通過“XDrawPoint”來進(jìn)行，X Server收到消息后，便會(huì)畫出相應(yīng)的點(diǎn)。

現(xiàn)在，稍微接觸過圖形開發(fā)的人都知道了，在X Window下，一般都通過GTK+和Qt來進(jìn)行了。更深一層的是，通過Cairo（Qt不是）來繪制圖形。Cairo是什么？它是一個(gè)繪圖＋渲染引擎，著名的瀏覽器Firefox，便是使用Cairo來渲染網(wǎng)頁和文字的。

Cairo是一個(gè)全能的、跨平臺(tái)的矢量繪圖庫，它不是簡(jiǎn)單的包裝一下各個(gè)平臺(tái)的繪圖庫而已，盡管它最初是基于X Window開發(fā)出來的繪圖庫?，F(xiàn)在Cairo支持各種不同的后端，來向其輸出圖形，比如X、Windows的GDI、Mac OS X的Quartz，還有各種文件格式：PNG、PDF，當(dāng)然還有SVG?？梢哉f，Cairo是一個(gè)很徹底的、全能的繪圖庫，現(xiàn)在無論繪制什么圖形，都不會(huì)考慮到用XLib了。

在Cairo之上，還有文字排版庫：Pango，同樣很明顯的，處理文字排版，都不會(huì)用XFont之類的東西了，而是直接用Pango畫。當(dāng)然Pango也是跨平臺(tái)的。

盡管在Linux平臺(tái)下，Cairo、Pango的發(fā)揮依然是基于X Window的，但X Window充其量?jī)H僅是一個(gè)“backend”而已，并不是少它不行。同理，跨平臺(tái)的GTK+、Ｑt也只是視X為其中所支持的后端之一，假如哪天X真的不在了，更換一個(gè)新后端，當(dāng)前的GNOME、KDE也能完整的跑起來。

再提另外一個(gè)比較典型的關(guān)于“X曾經(jīng)做的，但現(xiàn)已不做”的例子，便是“模式設(shè)置（mode-setting）”，說通俗點(diǎn)，就是“分辨率的設(shè)置”，但后面會(huì)說明不僅僅如此。

大家都知道，Linux只是一個(gè)內(nèi)核，它只有控制臺(tái)，通過Shell來進(jìn)行交互，而控制臺(tái)默認(rèn)是80x24（單位：字符）的，要進(jìn)入分辨率1024x768或更高的圖形模式，就需要X進(jìn)行一次“模式設(shè)置”，設(shè)置正確的分辨率等等。

盡管后來Linux也支持了各種用戶層（user-space）的模式設(shè)置，讓終端也支持標(biāo)準(zhǔn)的分辨率，但是X的模式設(shè)置與此是不相干的，所以一兩年前，在Linux的啟動(dòng)過程中，從終端進(jìn)入圖形界面時(shí)，屏幕會(huì)“閃”一下，這時(shí)便在進(jìn)行“模式設(shè)置”——這里就一定要用“模式設(shè)置”這個(gè)術(shù)語了，因?yàn)榧词菇K端是1024的，進(jìn)入X圖形也是1024的，模式的變更還是要進(jìn)行。

后來呢，嗯，2009年初期，KMS（內(nèi)核模式設(shè)置）終于出現(xiàn)了?。?！很少關(guān)心桌面圖形的Linux內(nèi)核，在當(dāng)時(shí)引入了“內(nèi)核級(jí)”的模式設(shè)置，也就是說，在內(nèi)核載入完畢、顯示驅(qū)動(dòng)初始化后很短的時(shí)間內(nèi)，即設(shè)置好標(biāo)準(zhǔn)的分辨率和色深，通過在X層做相應(yīng)的更改，從此X的初始化就可以省去“模式設(shè)置”這一過程了！也就是從Fedora 10開始，Linux的啟動(dòng)非常平滑、漂亮，沒有任何閃爍了?，F(xiàn)在的Ubuntu 10.10也一樣，KMS的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。

X從此又少了一樣圖形任務(wù)……“X淚奔～你們都不要我了?！?/p>

可以說，這20多年來，X從“什么都做”已經(jīng)到了“做的越來越少”。絕大多數(shù)的開發(fā)者開發(fā)圖形應(yīng)用程序，已經(jīng)可以完全無視X的存在了，X現(xiàn)在更像是一個(gè)中間人的角色。那么，X這個(gè)中間人會(huì)不會(huì)有一天，完全被其他事物所取代呢？

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