linux X系统 X窗口系统（X Window System）

      Xorg是一个开放源代码的跨平台的图形系统，它是UNIX和Linux的主要图形系统，它的前身是XFree86。 Xorg是在桌面环境中提供显示和图形输入设备支持的主要架构。 它支持多种输入设备，如键盘，鼠标，触摸屏，手写板，视觉辅助设备，扫描仪等。 它还支持多种输出设备，如显示器，投影仪，打印机等。 Xorg的主要功能是提供图形界面，它能够支持多种图形硬件，包括显卡，控制器，扩展卡，显示器，绘图板，扫描仪，多种输入设备，以及其他类型的外围设备。

Xorg的核心是X服务器，它负责管理系统的图形输入输出，并提供应用程序和窗口管理器之间的接口。 X服务器以客户端/服务器模式运行，它接收来自客户端的请求，并将其处理结果发送回客户端。 X服务器负责管理系统的图形设备，处理图形输入输出，以及管理窗口系统。

Xorg还提供了一个驱动程序框架，它可以让开发人员轻松地为新的图形硬件创建驱动程序。 这样，开发人员就可以使用Xorg的驱动程序框架，编写可以支持新的图形硬件的驱动程序，从而使新的图形硬件能够与Xorg的其他组件一起工作，从而提供更好的图形显示效果。

Xorg还提供了一个图形库，它可以让开发人员轻松地为应用程序创建图形界面。 它提供了一个标准的应用程序编程接口（API），可以让开发人员轻松地创建图形界面，而不必担心底层的图形硬件的细节。 Xorg的图形库可以支持多种图形硬件，包括显示器，绘图板，扫描仪，多种输入设备等。

Xorg是一个功能强大的图形系统，它可以支持多种图形硬件，提供图形界面，以及提供图形库，从而让开发人员轻松地为应用程序创建图形界面。 它是UNIX和Linux系统的主要图形系统，也是许多桌面环境的主要架构。

X窗口系统（X Window System）是Linux主流使用的图形界面系统，如果准备或者正在使用Linux图形界面，有必要了解一下其基本概念、工作原理和历史。

中文名称：X窗口系统

英文名称：X Window System

英文简称：X

官方网址：https://x.org

介　　绍：是一种以像素方式显示的软件窗口系统架构和协议规范。

作　　者：Bob Scheifler、Jim Gettys

授权方式：MIT[1]

发布日期：1984年5月

最新版本：X11R7.7

基本概念

历史

1984年，MIT开始研究X Window System，用于在Unix上支持GUI界面，X Window System研究时是作为应用软件进行开发的，而不是操作系统。而且X Window System是作为架构规范进行研究，因此需要人和组织对其进行实现和包装（和linux一样，要有发行版）。

1987年，X版本更新到X11，这一版有非常明显的进步，因此后面X Window System也被称为X11，X11有通过网络功能访问GUI界面的功能，

1994年，X11R6发布，后来的架构都基于此版本。

1995年发布X11R6.3。

前面提到X Window System是作为架构规范进行研究的，需要有人去实现，而1992年开始的XFree86项目就是这样一个被广泛使用的实现，名称来源于X+Free+X86架构。

2004年的时候，XFree86不在以GPL协议发布，而是另外成立了公司。X.Org基金会就从XFree86的派生出了另一个窗口系统，称为X.Org Server的X Window System。

现在X11最新的版本是X11R7.6，X.Org发布的X Window实现最新版本为1.11。

因此，我们称X、X Window、X11、xf86都是指代X Window System。

X的作用

X能为GUI环境提供基本的框架：在屏幕上描绘、体现图像与移动程序窗口，同时也受理、运行、及管理电脑与鼠标、键盘的交互程序。不过，X并没有管辖到用户界面的部份（可以理解为界面样式，如gnome和kde就外观完全不同），而是由其他以X为基础的界面实现来负责，也因为如此，以X为基础环境所开发成的视觉样式非常地多；不同的程序可能有完全不同的用户界面。

X的架构

X Window System由X Server（服务器）和X Client（客户端）两部分组成。X采行C/S的架构模型，由一个X服务器与多个X客户端程序进行通讯，服务器接受对于图形输出（窗口）的请求并反馈用户输入（键盘、鼠标、触摸屏），服务器可能是一个能显示到其他显示系统的应用程序，也可能是控制某个PC的视频输出的系统程序，也可能是个特殊硬件。前面提到的Xorg基金会发布的X.org Server就是一个服务端。

Linux系统在/etc/sysconfig目录中有键盘、鼠标等硬件的配置文件，但是因为X Server只是一个应用软件，因此他有自己的配置文件。X Server只有在run level 3的时候才会启动，因此只有在这个时候才会去用这些配置文件。

X的一大特点在于“网络透明性”：应用程序（“客户端”应用程序）所运行的机器，不一定是用户本地的机器（显示的“服务器”）。X中所提及的“客户端”和“服务器”等字眼用词也经常与人们一般想定的相反，“服务器”反而是在用户本地端的自有机器上运行，“客户端”是运行与远程服务器上的。客户端和服务器可以在同一台计算机上，也可以不是，或许其架构和操作系统也不同，但都能运行。

X Window Manager

这是一个特殊的X Client，负责管理所有的X Client。X Client之间是相互平等的，相互也不知道对方的存在。因此需要有个Window Manager对他们进行管理。主要负责：

• 提供许多的配置选项，包括任务栏、背景桌面的设置等等；
• 管理虚拟桌面 (virtual desktop)，Ubuntu里面称为工作区；
• 提供窗口控制参数，如窗口的大小、重叠次序、窗口移动、窗口最小化等。

Gnome，KDE，XFCE就是所谓的X Window Manager
因此，在一台Linux机器上，我们必须要安装Xorg的X Server，才能接收到键盘等交互设备的输入、才能在窗口上绘制图形界面。为了更好的管理图形界面，于是还需要安装Gnome这样的X Window Manager。

Display Manager

如果已经登录了，在文字界面下输入startx就可以启动X图形系统。但是一般的图形界面linux系统会在系统启动后让你进行登录，这个登录界面就是Display Manager了，主要提供登录的功能，并且载入用户选择的X Window Manager的配置（我们可以在ubuntu启动的时候选择使用Gnome3还是Gnome Classical，或者可能还有Xfce，如果你安装了XFCE的话）。
gdm就是Gnome Display Manager了。

启动X Window System的流程

文字界面下使用startx启动X图形系统，startx实际上是一个Shell脚本，其作用是使用当前用户默认的X Server的配置启动X Window System。startx实际上是通过执行xinit来启动X图形系统的。
X Server的启动参数才/etc/X11/xinit/xserverrc中，X Client的参数在/etc/X11/xinit/xinitrc。具体的参数另行撰文

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X窗口系统经过了将近40年的发展，存在很多技术或非技术的概念让人迷糊，先简单梳理一下：
    X窗口系统（X Window System）：简称X，诞生于1984年。其存在的作用是允许多个图形应用程序共享一组输入设备（鼠标和键盘）和输出设备（显卡和显示器）。注意X窗口系统仅是一种架构和协议规范，并不是可独立运行的图形软件系统。
    X11：X的第11个版本，发布于1987年。此版本主要改善了协议的兼容性，使其获得了广泛应用和厂商支持。
    X.org：X11版本的一个开源实现，几乎所有主流Linux发行版都预置了X.org软件安装包。
    Freedesktop.org：专注X窗口系统在不同操作系统之间的互操作性和技术共享。互操作性实际上是指制定规范，使所有的软件协调一致地运行，例如自动启动（Autostart）、桌面项（Desktop entries）等。技术共享主要是指开发和代码托管，例如大名鼎鼎的DBus、NetworkManager、fontconfig均托管于此，实际上X.org的源代码也托管在这里。
    Cross-Desktop Group（XDG）：常出现在Freedesktop.org的规范中，用于规定跨软件通用的变量和配置等。例如：基本目录（basedir）规范中定义了环境变量XDG_CONFIG_HOME表示用户配置文件主目录。
    扩展窗口管理器提示规范（EWMH）：此规范定义了窗口管理器、合成管理器和应用程序之间的交互。例如：要读取一个软件运行实例的名称怎么办呢？只要遵循此规范中定义的名为_NET_WM_NAME通用窗口属性就可以了。

工作原理

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图1: X窗口系统架构

X基于C/S模型，其核心组件是X服务（X Server）和X库（X Library）。X服务通过设备库（Device Library）输出显示和回传输入，并多路复用给所有X客户应用程序。X客户应用程序是指具体的图形应用程序，通过X库与X服务相连，例如窗口管理软件、网页浏览软件和文本编辑软件等都属于X客户应用。

一句话概括就是：X服务是输入输出硬件的控制器，X客户应用实现各种各样的用户功能。
对于使用者最关心的窗口是指屏幕上可以进行绘图的区域。X将窗口以树状层次结构进行组织，就像一张桌子上放了许多书或堆叠或平铺，如下图所示：

图2: X窗口组织结构[4]

上图中1是根窗口，与整个屏幕对应；2和3是顶层窗口；4和5是2的子窗口。超出父窗口的部分（虚线）不会显示出来。

特点

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1. 支持广泛的硬件平台和操作系统；

2. 网络协议透明性；

3. 版本向后兼容，具有扩展性；

局限

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1. 开源驱动质量参差不齐，需要额外安装厂商提供的闭源驱动；

2. 安全性方面，网络连接数据未加密，需要借助ssh软件实现数据加密；

体验X.org

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本次仅体验X.org，没有任何的窗口管理系统或桌面系统，让读者对X.org有一个完整的视觉感受。
体验的硬件配置是2核心2.1MHz的CPU、2GB内存、10GB磁盘、键盘、鼠标、显示器，操作系统是Fedora。需要先安装好操作系统并登录到终端命令行屏幕。

1、安装X.org

sudo dnf install xorg-x11-server-Xorg \                 xorg-x11-xinit \                 xorg-x11-drv-libinput \                 xorg-x11-drv-qxl \                 xterm

以上是最小化安装所需核心软件包（dnf会自动安装依赖的其它软件包），xorg-x11-server-Xorg是X服务，xorg-x11-xinit是启动X的辅助程序，xorg-x11-drv-libinput是输入设备驱动，xorg-x11-drv-qxl是输出显示设备驱动，本次试验在qemu虚拟机中进行因此安装qxl显示驱动，读者安装时根据自己显卡类型安装合适驱动，主流的nvidia、amdgpu、ati、intel显卡都有对应的预置安装包，最后那一个软件包xterm是终端模拟器，本次体验用到的图形应用程序。

2、本地运行

xinit

xinit主要干两件事，第一件是启动X服务，第二件是运行~/.xinitrc文件中配置的X客户程序，如果没有配置默认启动xterm。运行顺利的话会看到如下的屏幕界面：

左上灰色和白色界面区域是xterm终端模拟软件，是顶层窗口。整个黑色窗口包括被xterm遮蔽的部分是根窗口，根窗口在启动X服务时创建。
此时可以在xterm中运行命令，或者启动另一个X客户应用程序。但是无法移动、调整窗口，如果存在多个窗口的话也不能调整窗口堆叠顺序。要实现这样的功能有两种方式，第一种方式安装窗口管理软件或桌面系统，另一种方式是在X客户应用程序中开发实现。
X服务运行资源使用情况：

 PID USER PR NI   VIRT   RES   SHR S %CPU %MEM   TIME+ COMMAND8866 root 20  0 111.1m 17.4m 11.6m S  0.3  0.9 0:02.28 /usr/libexec/Xorg :0

可以看出X服务运行时占用资源非常少（CPU 0.3%，内存 0.9%），可以留下大部分资源运行用户应用程序。
3、远程运行
这种方式的优点是只要远程主机中安装有需要运行的X客户应用程序，就可以将其输入输出重定向到本机，达到远程运行本地输入输出的目的。
出于安全考虑，默认未开启远程端口，需要手工增加参数-listen启动X服务：

xinit -- -listen tcp

启动后默认监听6000端口。注意，对于“远程运行”模式，本机是X服务端，远程主机是X客户端。要运行远程主机的程序，需要先通过ssh登录到远程主机：

ssh -X [email protected]

这里的-X参数表示启用“远程运行”模式，也就是远程主机会连接到本机X服务监听的6000端口。登录远程主机成功后，启动仅在远程主机安装的galculator计算器软件：

galculator

成功运行之后效果如下：

可以看到在本机出现了计算器软件的界面，显示效果和操作与本机运行无异。

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在了解了X窗口系统的工作原理之后，可以更容易地找出需求的解决办法，例如：不喜欢根窗口那个黑色背景，只需要通过工具软件或编程给根窗口填充一张漂亮的图片即可。

如果仅仅安装X.org，还无法满足日常图形界面操作的所有需求，但可以满足例如POS机、展示机和服务台这样只需要启动固定应用程序的应用场景，以实现尽可能地节约资源，如果能合理利用远程运行也可以降低系统维护成本。