Linux 桌面玩家指南：09. X Window 的奥秘

原文:Linux 桌面玩家指南：09. X Window 的奥秘

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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 下面的窗口系统，也都知道它基于 Server/Clinet 架构。在网上随便搜一搜，也可以找到不少 X Window 的介绍。有不少文章为了给用户留一个直观的印象，往往先让系统进入纯文本界面，然后使用 startx 来启动图形界面，或者直接使用 X 来启动 X Server，再然后运行一个 xterm 来做示范。我觉得以上这些文章对 X Window 的理解有限，不够深入。所以，我这里写一篇《X Window 的奥秘》，以最新的 Ubuntu-18.10 Desktop 为例，展示如何学习 X Window。

10 月是一个比较开心的月份。在这个月中，陆续发布了最新的 Ubuntu 18.10 和 Fedora 29，还有人在我的博客中问关于 CentOS 7 的问题。CentOS 7 固然是一个优秀的发行版，但并不是作为桌面系统的首选，Gnome 的版本太旧，官方仓库中的软件包也不够丰富，美化起来比较困难。在这一篇中，我要展示远程连接 X Server 的操作，需要两个外观差距稍微大一点的 Linux 桌面系统，所以选择了 CentOS 7 和 Ubuntu 18.10。

Ubuntu 18.10 这次外观大变样，使用了 Yaru 主题，下面的截图展示了其中 Terminal 和 GVim 的外观：

而 CentOS 7 默认的外观实在太丑，所以我给他换上了最流行的 adapta-gtk-theme 和 paper-icon-theme，下面的截图展示了其中 Terminal 和 GVim 的外观：

这两种风格应该是比较好区分的，在后文中，很容易通过外观来判断一个 GUI 程序究竟来自于哪一个系统。

了解自己机器上的 X Window

X Window 其实是一种规范，它有很多不同的实现，在 Linux 系统下最流行的是实现 Xorg 和 XFree86，微软 Windows 系统下也有 X Window 的实现，苹果的 Mac 也是 X Window 的一种实现。要了解自己机器上运行的 X Window 究竟是哪一个，可以使用查看进程的ps命令，如下图：

从上图可以看出，Ubuntu 18.10 使用的 X Window 是 Xorg。如果使用ps -ef命令，还可以看到 Xorg 运行时的命令行参数。

想了解 X Window，下面这些文档需要看一遍先：

下面来说一下也许是众所周知的基础知识：X Window 是一个分层的架构，它分为 Serve 和 Client。X Server 负责图形界面的显示，（也负责用户的输入），而Client 程序需要连接到 X Server，然后请求 X Server 绘制图形界面，同时从 X Server 接受用户的输入。在桌面系统上，X Server 和 Client 程序往往安装在同一台机器上，日常使用基本感觉不到它是分层的。但是很显然，X Server 和 Client 也可以分别运行在不同的机器上，在一台机器上运行程序，而在另外一台机器上显示图形界面。

X Window 中的 Server 和 Client 的概念和我们平时接触到的“Server/Client”概念刚好相反。很多熟悉 Internet 原理的人，第一次接触 X Window 的这两个概念都会搞错。比如，我在一台本地机器上运行 Ubuntu 18.10 桌面版，而在另外一台远程机器上运行 CentOS 7（纯字符界面），当我用 ssh 从 Ubuntu 连接到 CentOS 的时候，Ubuntu 是 Client，而 CentOS 是 Server。在 X Window 中，Server 偏偏是我面前的这台 Ubuntu，X Server 运行在 Ubuntu 上。我可以在 CentOS 中运行 GVim，但是窗口显示在 Ubuntu 中，这时，GVim 是一个 Client 程序，它在远程机器上运行，而它的窗口显示在本地。

理解 display 和虚拟控制台

前面提到网上很多介绍 X Window 的文章都是先让系统进入字符界面，然后手动启动一个 X Server。其实这完全没有必要，因为在同一台机器上完全可以运行多个 X Server，只需要让每个 X Server 的 display 不同即可。那么 display 究竟是什么呢？

在 X Window 中，可以通过hostname:display_number.screen_number来指定一个屏幕。可以这样理解：一台计算机可以有多个 display，一个 display 可以有多个屏幕。所以，display 相当于是计算机配备的一套输入输出设备，一般情况下，一台电脑只配一套键盘鼠标和一个显示器，特殊情况下，可以配多个显示器。

现在问题出来了，我的电脑只有一套键盘鼠标和一个显示器，也就是只有一个 display，那又怎么能运行多个 X Server 呢？那是因为在 Linux 中，还有虚拟控制台这样的高级特性。只需要同时按下 Ctrl+Alt+F1、Ctrl+Alt+F2、...、Ctrl+Alt+F7，就可以在不同的虚拟控制台中进行切换。在 Ubuntu 18.10 中，虚拟控制台 3 到 6 运行的是 agetty，也就是字符界面，虚拟控制台 2 运行的是 Xorg。（Fedora 中不一样，虚拟控制台 1 运行的是图形界面，其它的是字符界面。）如下图：

我们可以直接运行 X Server 程序来启动 X Server。/usr/bin/X 和 Xorg 都是 X Server 程序。其实 /usr/bin/X 是 Xorg 的符号链接，用哪一个都是一样的。

启动 X Server 的时候可以指定 display 参数，因为可以省略掉 hostname 和 screen_number，所以可以用:0，:1这样的格式来指定 display。在我的机器上，本来就有一个 X Server 在运行，display :0 已经被占用了，所以我使用 sudo X vt8 :1 -auth /run/user/1000/gdm/Xauthority -retro 来在 display :1 上再运行一个 X Server，如下图：

其中的 -retro 参数是为了让 X Server 的背景显示为斜纹，否则背景为纯黑色，那就看不出来是否启动了 X Server。vt8 参数指定将新启动的 X Server 放到第 8 个虚拟控制台。:1参数指定新启动的 X Server 的 display number。启动 X Server 后的效果如下图：

按 Ctrl+Alt+F2 回到 display :0，在新启动的 X Server 中运行一个 GVim 看看效果。运行 GVim 时，使用-display :1参数指定窗口显示在新启动的 X Server 上，使用 -geometry参数指定窗口的大小和位置。

再按 Ctrl+Alt+F8 切换到 display :1，看效果。如下：

不知道为什么，在 Ubuntu 18.10 中的虚拟控制台中切换两下，新启动的 X Server 就会崩溃退出。而且切换到虚拟控制台 8 再切换回来，我的 Ubuntu 桌面的分辨率也变成了 800x600，非常不爽。当然，这里的展示只是为了证明能在一台机器上运行两个 X Server，能看到效果就行。

远程连接 X Server

前面展示的在一个系统中运行两个 Xorg 并不是很吸引人，毕竟新启动的 X Server 太丑了，而且 Xorg 的参数一大堆，不是很容易搞。既然 X Client 和 X Server 可以分布在不同的机器上，那么，如果我们能够把别的系统中的 GUI 程序显示到本地机器中，那才比较过瘾。理论上讲，如果在前面提到的 CentOS 7 中运行gvim -display 192.168.40.135:0命令（这里的 192.168.40.135 是 Ubuntu 18.10 系统的内网 IP），就应该可以把界面显示到 Ubuntu 18.10 桌面上，反之，如果在 Ubuntu 18.10 中运行gvim -display 192.168.40.130:0命令（这里的 192.168.40.130 是 CentOS 7 系统的内网 IP），就可以把界面显示到 CentOS 7 中。

但是，这是行不通的。行不通的原因首先是 Xorg 复杂的认证机制。如果没有认证机制把关，随便就能让别的系统把图形界面甩过来，那桌面上岂不是垃圾窗口满天飞吗？其次，Xorg 在启动时往往会带上-nolisten tcp参数，禁止接受从 TCP/IP 网络上传过来的连接请求。要禁用该选项，往往需要去更改 gdm 的配置文件。

我这里就不折腾这些复杂的认证机制和命令行参数了，我这里来点简单的。最简单的把远程机器上的图形界面带回本地桌面的方式，是使用 SSH 的 X11 Forwarding 功能。该功能用起来非常简单，只需要在使用ssh命令连接远程机器的时候，加上-X或者-Y参数就可以了。如下图，我在 Ubuntu 18.10 中使用ssh -X 192.168.40.130远程连接到 CentOS 7 中，然后再运行gvim命令，该 GVim 窗口就显示在了 Ubuntu 的桌面中。

反之，如果在 CentOS 7 中使用ssh -X 192.168.40.135远程连接到 Ubuntu 18.10 中，在运行gvim命令，就可以把 Ubuntu 中的 GVim 显示到 CentOS 7 的桌面中，如下图：

SSH 的 X11 Forwarding 是一个非常强大的功能。我们甚至可以把 Linux 中的图形界面显示到 Windows 中，只需要在 Windows 中运行一个 X Server 即可。我选择的软件是 XMing，然后使用 PuTTY 连接到 Linux 系统。在 PuTTY 的设置中，开启 X11 Forwarding 功能，如下图：

然后可以把 Linux 桌面中的图形界面带入 Windows 桌面，如下图：

理解 DisplayManager 和 X Window 桌面环境的启动过程

X Server 的启动方式有两种，一种是通过显示管理器启动，另一种是手动启动。在前面的例子中，我通过直接运行sudo X vt8 :1 -auth /run/user/1000/gdm/Xauthority -retro来启动了一个 X Server，这就是手动启动。手动启动 X Server 的方法还有运行 startx 或者 xinit。手动启动 X Server 的缺点就是启动的 X Server 不好看。而显示管理器启动的不仅有 X Server，还有一大堆的 Client 程序，构成了一个完整的桌面环境，界面当然就漂亮多了。

显示管理器（Display Manager）是什么呢？前面我讲到 display 就是一个电脑配备的一套键盘鼠标和显示器，那么显示管理器就是这一套设备的管理器了。显示管理器可以直接管理这些设备，所以它可以控制 X Server 的运行，由它来启动 X Server 那是再合适不过了。系统启动过程是这样的：内核加载-->init程序运行-->显示管理器运行--> X Server 运行-->显示管理器连接到 X Server，显示登录界面-->用户登录后，登录界面关闭，加载桌面环境。从上面的流程可以看出，显示管理器是 X Server 的父进程，它负责启动 X Server，当 X Server 启动后，它又变成了 X Server 的一个 Client 程序，连接到 X Server 显示欢迎界面和登录界面，最后，显示管理器又是所有桌面环境的父进程，它负责启动桌面环境需要的其它 Client 程序。

在 Ubuntu 的早期版本中，使用 lightdm 取代了传统的 xdm、gdm 等显示管理器。从 Ubuntu 17.10 开始，Ubuntu 放弃了 Unity 桌面而回归 Gnome 3，则显示管理器又变回 gdm 了。

可以使用不同的方法对 X Server 进行配置，前面的例子是直接指定命令行参数。除了指定命令行参数，还可以使用环境变量和配置文件。X Server 的配置文件为一般是 /etc/X11/xorg.conf 或 /etc/X11/xorg.conf.d/ 目录下的 .conf 文件，当然，配置文件也可以放在其它的目录中，具体信息，请参看 man xorg.conf。

如果没有配置文件，X Server 将在启动的时候自动检测硬件，然后生成一个内置的配置。Ubuntu 系统就没有配置文件。不过没关系，如果需要使用配置文件的时候，可以通过 X Server 的 -configure 参数生成一个配置文件，里面包含当前自动检测出的配置。如果需要任何个性化的配置，对该文件进行修改即可。

运行嵌套的 X Server

我们上面运行的 X Server 都是直接占用了计算机的整个显示器和键盘鼠标，事实上，在现有的图形界面中，还可以以窗口模式运行另外一个 X Server，称为 nested X Server。最常用的 nested X Server 是 Xephyr，在 Ubuntu 中可以通过如下命令安装它：

sudo aptitude install xserver-xephyr

Xephyr 的使用非常简单，可以通过man Xephyr命令查看它的使用手册。如果输入Xephyr :1 -screen 1024x768命令，就可以在现有图形界面中打开一个窗口模式的 X Server，其中-screen参数用来指定 X Server 显示区域的大小。以后再启动 GUI 程序，就可以通过程序的 -display :1 选项让程序运行在这个嵌套的 X Server 中，如下图：