Linux折腾记（三）：X Window的奥秘

　　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，而且也不够新。所以，我这里写一篇《X Window的奥秘》，以最新的Ubuntu-14.04 Desktop为例，展示如何学习X Window。

　　先说一点题外话。在上一篇《打造属于自己的Vim》发表后，评论中有人让共享一下配置文件。当时我说：配置文件又不长，自己照着图片敲一下代码嘛。结果这个“照着图片敲代码”的事情我今天自己干了一遍，好在没花多少时间，几分钟而已。原因是因为我今天折腾X Window的时候，把系统给挂掉了，然后重装系统，然后，就只好再设置一遍Vim了。

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。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 14.04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 14.04桌面版，而在另外一台远程机器上运行CentOS 5.10（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？

　　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 14.04中，虚拟控制台1到6运行的getty，也就是字符界面，虚拟控制台7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。）

　　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 :1 -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。启动X Server后的效果如下图：

　　按Ctrl+Alt+F7回到display :0，再用ps命令看一下，会发现系统中有两个Xorg在运行，一个运行在虚拟控制台7，一个运行在虚拟控制台8。如下图：

　　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。然后按Ctrl+Alt+F8切换虚拟控制台，看效果。命令见上图，程序运行效果见下图：

远程连接X Server

　　如果能让远程机器上的GVim也把窗口显示在本地机器的屏幕上，那就比较过瘾了。所以，使用ssh连接到CentOS-5.10，然后使用gvim -display ubuntu-14:1命令，希望将GVim显示到Ubuntu的display :1上。由于是远程连接，所以hostname不能省略，需写成ubuntu-14:1，也可以使用IP地址，写成192.168.1.103:1。如下图：

　　很可惜，连接失败。

　　失败的原因是远程访问X Server需要安全认证。这个可以理解，就像登陆邮箱需要输入用户名和密码一样，如果X Server不要认证就可以随便连接的话，那岂不是桌面上垃圾窗口满天飞？安全认证的方式有很多种，具体请参考man Xsecurity。安全认证可以使用xhost和xauth这两个程序来进行，具体使用方法参考它们的文档。

　　先用xhost来授权，这个比较简单。为了运行xhost，需要在X Server上有一个终端，所以运行一个xterm，如下图：

　　在xterm中输入sodu xhost +192.168.1.109，这样，CentOS-5.10中运行的GUI程序都可以连接到这个新开启的X Server了。如下图：

　　在CentOS-5.10中运行GVim，如下图：

　　窗口显示在Ubuntu中，如下图：

　　新启动的X Server界面比较丑陋，我们还是想让远程机器上的GUI程序直接显示在Ubuntu的桌面环境中。所以，指定display为:0，如下图：

　　结果很不幸，无法打开display。连接不上，为什么呢？是安全认证的问题吗？不是，是lightdm的问题，请继续往下看。

理解lightdm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/usr/bin/X :1来启动了一个X Server。直接启动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 14.04中，使用lightdm取代了传统的xdm、gdm等显示管理器。简单来说，就是由lightdm负责启动X Server和其它的X程序。不知道为什么，lightdm在启动X Server的时候，给X Server加上了-nolisten tcp参数，所以远程计算机就没有办法连接到Ubuntu的桌面了。（从第1张图片可以看到该参数。）

　　下一步的目标就是更改lightdm的配置，去掉这个-nolisten tcp参数。不过要达成这个目标还真是艰难啊，我的系统挂掉然后重装就是在这里折腾出来的。在这里我要狠狠滴吐槽一下freedesktop.org，在X Window所用的软件中，freedesktop.org贡献很大，比如lightdm、xft、fontconfig、freetype都是这个组织贡献的，可是，你就不能把文档写详细点吗？不仅是lightdm的文档不行，xft、freetype的文档也都不行。

　　lightdm的man page非常简略，使用sudo dpkg -L lightdm也找不出该软件包中有价值的东西。没办法，另辟蹊径吧。在使用sudo dpkg -L lightdm查看该软件包的文件时，发现它的log文件放在/var/log/lightdm文件夹下，过去看看：

　　终于，从log文件中看到了lightdm启动的全过程。首先，看到它从哪几个目录加载配置文件，接着，看到它启动X Server。从下图光标所在的行可以看到X Server启动的所有参数，包括-nolisten tcp选项。

　　继续看log文件，下面光标所在的行显示lightdm怎么启动gnome-session：

　　同时，我发现/etc/lightdm/目录下没有lightdm.conf文件，而/usr/share/doc/lightdm/目录下有一个lightdm.conf.gz文件，把该文件当文档看了一下，发现里面果然就是lightdm的配置的解释。赶快将该文件复制到/etc/lightdm/目录下并解压，如下图：

　　然后用Vim编辑/etc/lightdm/lightdm.conf文件，将xserver-allow-tcp=false一行前面的注释去掉，并且改为xserver-allow-tcp=true。如下图：

　　最后，重启系统。再用ps查看进程，发现-nolisten tcp选项已经没有了。

搞定xauth

　　搞定了-nolisten tcp之后，要想从远程计算接连接到Ubuntu桌面，还是需要安全认证。在前面的例子中，我使用了xhost。xhost是最简单的认证方式。在这里我要试一下别的认证方式，比如MIT-MAGIC-COOKIE-1。如上图，先使用xauth list命令查看一下当前的授权记录，发现只有一条，而且display是ubuntu-14/unix:0，很显然，这是一个本地授权，所以需要使用xauth add命令添加一个使用ip地址的授权，后面的key照抄就行了。最后，使用xauth extract和xauth merge配合管道和ssh将该授权记录合并到CentOS-5.10中。

　　在CentOS-5.10中启动GVim，指定display为192.168.1.103:0，GVim窗口就出现在了Ubuntu中。如下图：

X Server的配置

　　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。

现有的图形界面中可以运行嵌套的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：

 

 

　　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 命令，就可以在现有图形界面中打开一个窗口模式的X Server，如下图：

　　以后再启动GUI程序，就可以通过程序的-display选项让程序运行在这个嵌套的X Server中，如下图：

　　怎么样，是不是很好玩呢？除了好玩，还很有用，比如调试窗口管理器啊、连接远程桌面啊什么的都用得着。当然，我这里只是简单展示一下原来X Window还可以这么玩。

总结：

　　1.在一个Linux系统中存在多个虚拟控制台，所以可以启动多个X Server；

　　2.启动X Server的方式有两种，一种是使用/usr/bin/X、startx、xinit手动启动，一种是通过显示管理器启动；

　　3.Ubuntu使用的显示管理器是lightdm，这是一个比较新的、轻量级的显示管理器，但是文档不够详细；

　　4.远程计算机连接本地的X Server，需要X Server开放TCP端口，还要搞定安全认证；

　　5.X Server的配置，可以通过命令行参数，可以通过环境变量，还可以通过配置文件；

　　6.可以在现有的图形界面下以窗口模式运行嵌套的X Server，常用的软件是Xephyr；

　　7.我的《玩转Linux系统的方法论》中介绍的方法不够用，还要加上两条：①使用ps命令查看进程；②查看程序启动的log文件。