Linux 桌面玩家指南：09. X Window 的奧秘

原文:Linux 桌面玩家指南：09. X Window 的奧秘

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前言

大名鼎鼎的 X Window 大家肯定不陌生。都知道它是 Unix/Linux 下面的窗口系統，也都知道它基于 Server/Clinet 架構。在網上隨便搜一搜，也可以找到不少 X Window 的介紹。有不少文章為了給用戶留一個直觀的印象，往往先讓系統進入純文本界面，然后使用 startx 來啟動圖形界面，或者直接使用 X 來啟動 X Server，再然后運行一個 xterm 來做示范。我覺得以上這些文章對 X Window 的理解有限，不夠深入。所以，我這里寫一篇《X Window 的奧秘》，以最新的 Ubuntu-18.10 Desktop 為例，展示如何學習 X Window。

10 月是一個比較開心的月份。在這個月中，陸續發布了最新的 Ubuntu 18.10 和 Fedora 29，還有人在我的博客中問關于 CentOS 7 的問題。CentOS 7 固然是一個優秀的發行版，但并不是作為桌面系統的首選，Gnome 的版本太舊，官方倉庫中的軟件包也不夠豐富，美化起來比較困難。在這一篇中，我要展示遠程連接 X Server 的操作，需要兩個外觀差距稍微大一點的 Linux 桌面系統，所以選擇了 CentOS 7 和 Ubuntu 18.10。

Ubuntu 18.10 這次外觀大變樣，使用了 Yaru 主題，下面的截圖展示了其中 Terminal 和 GVim 的外觀：

而 CentOS 7 默認的外觀實在太丑，所以我給他換上了最流行的 adapta-gtk-theme 和 paper-icon-theme，下面的截圖展示了其中 Terminal 和 GVim 的外觀：

這兩種風格應該是比較好區分的，在后文中，很容易通過外觀來判斷一個 GUI 程序究竟來自于哪一個系統。

了解自己機器上的 X Window

X Window 其實是一種規范，它有很多不同的實現，在 Linux 系統下最流行的是實現 Xorg 和 XFree86，微軟 Windows 系統下也有 X Window 的實現，蘋果的 Mac 也是 X Window 的一種實現。要了解自己機器上運行的 X Window 究竟是哪一個，可以使用查看進程的ps命令，如下圖：

從上圖可以看出，Ubuntu 18.10 使用的 X Window 是 Xorg。如果使用ps -ef命令，還可以看到 Xorg 運行時的命令行參數。

想了解 X Window，下面這些文檔需要看一遍先：

下面來說一下也許是眾所周知的基礎知識：X Window 是一個分層的架構，它分為 Serve 和 Client。X Server 負責圖形界面的顯示，（也負責用戶的輸入），而Client 程序需要連接到 X Server，然后請求 X Server 繪制圖形界面，同時從 X Server 接受用戶的輸入。在桌面系統上，X Server 和 Client 程序往往安裝在同一臺機器上，日常使用基本感覺不到它是分層的。但是很顯然，X Server 和 Client 也可以分別運行在不同的機器上，在一臺機器上運行程序，而在另外一臺機器上顯示圖形界面。

X Window 中的 Server 和 Client 的概念和我們平時接觸到的“Server/Client”概念剛好相反。很多熟悉 Internet 原理的人，第一次接觸 X Window 的這兩個概念都會搞錯。比如，我在一臺本地機器上運行 Ubuntu 18.10 桌面版，而在另外一臺遠程機器上運行 CentOS 7（純字符界面），當我用 ssh 從 Ubuntu 連接到 CentOS 的時候，Ubuntu 是 Client，而 CentOS 是 Server。在 X Window 中，Server 偏偏是我面前的這臺 Ubuntu，X Server 運行在 Ubuntu 上。我可以在 CentOS 中運行 GVim，但是窗口顯示在 Ubuntu 中，這時，GVim 是一個 Client 程序，它在遠程機器上運行，而它的窗口顯示在本地。

理解 display 和虛擬控制臺

前面提到網上很多介紹 X Window 的文章都是先讓系統進入字符界面，然后手動啟動一個 X Server。其實這完全沒有必要，因為在同一臺機器上完全可以運行多個 X Server，只需要讓每個 X Server 的 display 不同即可。那么 display 究竟是什么呢？

在 X Window 中，可以通過hostname:display_number.screen_number來指定一個屏幕。可以這樣理解：一臺計算機可以有多個 display，一個 display 可以有多個屏幕。所以，display 相當于是計算機配備的一套輸入輸出設備，一般情況下，一臺電腦只配一套鍵盤鼠標和一個顯示器，特殊情況下，可以配多個顯示器。

現在問題出來了，我的電腦只有一套鍵盤鼠標和一個顯示器，也就是只有一個 display，那又怎么能運行多個 X Server 呢？那是因為在 Linux 中，還有虛擬控制臺這樣的高級特性。只需要同時按下 Ctrl+Alt+F1、Ctrl+Alt+F2、...、Ctrl+Alt+F7，就可以在不同的虛擬控制臺中進行切換。在 Ubuntu 18.10 中，虛擬控制臺 3 到 6 運行的是 agetty，也就是字符界面，虛擬控制臺 2 運行的是 Xorg。（Fedora 中不一樣，虛擬控制臺 1 運行的是圖形界面，其它的是字符界面。）如下圖：

我們可以直接運行 X Server 程序來啟動 X Server。/usr/bin/X 和 Xorg 都是 X Server 程序。其實 /usr/bin/X 是 Xorg 的符號鏈接，用哪一個都是一樣的。

啟動 X Server 的時候可以指定 display 參數，因為可以省略掉 hostname 和 screen_number，所以可以用:0，:1這樣的格式來指定 display。在我的機器上，本來就有一個 X Server 在運行，display :0 已經被占用了，所以我使用 sudo X vt8 :1 -auth /run/user/1000/gdm/Xauthority -retro 來在 display :1 上再運行一個 X Server，如下圖：

其中的 -retro 參數是為了讓 X Server 的背景顯示為斜紋，否則背景為純黑色，那就看不出來是否啟動了 X Server。vt8 參數指定將新啟動的 X Server 放到第 8 個虛擬控制臺。:1參數指定新啟動的 X Server 的 display number。啟動 X Server 后的效果如下圖：

按 Ctrl+Alt+F2 回到 display :0，在新啟動的 X Server 中運行一個 GVim 看看效果。運行 GVim 時，使用-display :1參數指定窗口顯示在新啟動的 X Server 上，使用 -geometry參數指定窗口的大小和位置。

再按 Ctrl+Alt+F8 切換到 display :1，看效果。如下：

不知道為什么，在 Ubuntu 18.10 中的虛擬控制臺中切換兩下，新啟動的 X Server 就會崩潰退出。而且切換到虛擬控制臺 8 再切換回來，我的 Ubuntu 桌面的分辨率也變成了 800x600，非常不爽。當然，這里的展示只是為了證明能在一臺機器上運行兩個 X Server，能看到效果就行。

遠程連接 X Server

前面展示的在一個系統中運行兩個 Xorg 并不是很吸引人，畢竟新啟動的 X Server 太丑了，而且 Xorg 的參數一大堆，不是很容易搞。既然 X Client 和 X Server 可以分布在不同的機器上，那么，如果我們能夠把別的系統中的 GUI 程序顯示到本地機器中，那才比較過癮。理論上講，如果在前面提到的 CentOS 7 中運行gvim -display 192.168.40.135:0命令（這里的 192.168.40.135 是 Ubuntu 18.10 系統的內網 IP），就應該可以把界面顯示到 Ubuntu 18.10 桌面上，反之，如果在 Ubuntu 18.10 中運行gvim -display 192.168.40.130:0命令（這里的 192.168.40.130 是 CentOS 7 系統的內網 IP），就可以把界面顯示到 CentOS 7 中。

但是，這是行不通的。行不通的原因首先是 Xorg 復雜的認證機制。如果沒有認證機制把關，隨便就能讓別的系統把圖形界面甩過來，那桌面上豈不是垃圾窗口滿天飛嗎？其次，Xorg 在啟動時往往會帶上-nolisten tcp參數，禁止接受從 TCP/IP 網絡上傳過來的連接請求。要禁用該選項，往往需要去更改 gdm 的配置文件。

我這里就不折騰這些復雜的認證機制和命令行參數了，我這里來點簡單的。最簡單的把遠程機器上的圖形界面帶回本地桌面的方式，是使用 SSH 的 X11 Forwarding 功能。該功能用起來非常簡單，只需要在使用ssh命令連接遠程機器的時候，加上-X或者-Y參數就可以了。如下圖，我在 Ubuntu 18.10 中使用ssh -X 192.168.40.130遠程連接到 CentOS 7 中，然后再運行gvim命令，該 GVim 窗口就顯示在了 Ubuntu 的桌面中。

反之，如果在 CentOS 7 中使用ssh -X 192.168.40.135遠程連接到 Ubuntu 18.10 中，在運行gvim命令，就可以把 Ubuntu 中的 GVim 顯示到 CentOS 7 的桌面中，如下圖：

SSH 的 X11 Forwarding 是一個非常強大的功能。我們甚至可以把 Linux 中的圖形界面顯示到 Windows 中，只需要在 Windows 中運行一個 X Server 即可。我選擇的軟件是 XMing，然后使用 PuTTY 連接到 Linux 系統。在 PuTTY 的設置中，開啟 X11 Forwarding 功能，如下圖：

然后可以把 Linux 桌面中的圖形界面帶入 Windows 桌面，如下圖：

理解 DisplayManager 和 X Window 桌面環境的啟動過程

X Server 的啟動方式有兩種，一種是通過顯示管理器啟動，另一種是手動啟動。在前面的例子中，我通過直接運行sudo X vt8 :1 -auth /run/user/1000/gdm/Xauthority -retro來啟動了一個 X Server，這就是手動啟動。手動啟動 X Server 的方法還有運行 startx 或者 xinit。手動啟動 X Server 的缺點就是啟動的 X Server 不好看。而顯示管理器啟動的不僅有 X Server，還有一大堆的 Client 程序，構成了一個完整的桌面環境，界面當然就漂亮多了。

顯示管理器（Display Manager）是什么呢？前面我講到 display 就是一個電腦配備的一套鍵盤鼠標和顯示器，那么顯示管理器就是這一套設備的管理器了。顯示管理器可以直接管理這些設備，所以它可以控制 X Server 的運行，由它來啟動 X Server 那是再合適不過了。系統啟動過程是這樣的：內核加載-->init程序運行-->顯示管理器運行--> X Server 運行-->顯示管理器連接到 X Server，顯示登錄界面-->用戶登錄后，登錄界面關閉，加載桌面環境。從上面的流程可以看出，顯示管理器是 X Server 的父進程，它負責啟動 X Server，當 X Server 啟動后，它又變成了 X Server 的一個 Client 程序，連接到 X Server 顯示歡迎界面和登錄界面，最后，顯示管理器又是所有桌面環境的父進程，它負責啟動桌面環境需要的其它 Client 程序。

在 Ubuntu 的早期版本中，使用 lightdm 取代了傳統的 xdm、gdm 等顯示管理器。從 Ubuntu 17.10 開始，Ubuntu 放棄了 Unity 桌面而回歸 Gnome 3，則顯示管理器又變回 gdm 了。

可以使用不同的方法對 X Server 進行配置，前面的例子是直接指定命令行參數。除了指定命令行參數，還可以使用環境變量和配置文件。X Server 的配置文件為一般是 /etc/X11/xorg.conf 或 /etc/X11/xorg.conf.d/ 目錄下的 .conf 文件，當然，配置文件也可以放在其它的目錄中，具體信息，請參看 man xorg.conf。

如果沒有配置文件，X Server 將在啟動的時候自動檢測硬件，然后生成一個內置的配置。Ubuntu 系統就沒有配置文件。不過沒關系，如果需要使用配置文件的時候，可以通過 X Server 的 -configure 參數生成一個配置文件，里面包含當前自動檢測出的配置。如果需要任何個性化的配置，對該文件進行修改即可。

運行嵌套的 X Server

我們上面運行的 X Server 都是直接占用了計算機的整個顯示器和鍵盤鼠標，事實上，在現有的圖形界面中，還可以以窗口模式運行另外一個 X Server，稱為 nested X Server。最常用的 nested X Server 是 Xephyr，在 Ubuntu 中可以通過如下命令安裝它：

sudo aptitude install xserver-xephyr

Xephyr 的使用非常簡單，可以通過man Xephyr命令查看它的使用手冊。如果輸入Xephyr :1 -screen 1024x768命令，就可以在現有圖形界面中打開一個窗口模式的 X Server，其中-screen參數用來指定 X Server 顯示區域的大小。以后再啟動 GUI 程序，就可以通過程序的 -display :1 選項讓程序運行在這個嵌套的 X Server 中，如下圖：