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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，也都知道它基於 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，而且也不夠新。所以，我這里寫一篇《X Window 的奧秘》，以最新的 Ubuntu-14.04 Desktop 為例，展示如何學習 X Window。
先說一點題外話。在上一篇《打造屬於自己的Vim》發表后，評論中有人讓共享一下配置文件。當時我說：配置文件又不長，自己照着圖片敲一下代碼嘛。結果這個“照着圖片敲代碼”的事情我今天自己干了一遍，好在沒花多少時間，幾分鍾而已。原因是因為我今天折騰 X Window 的時候，把系統給掛掉了，然后重裝系統，然后，就只好再設置一遍 Vim 了。
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。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 14.04 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台機器上，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，在一台機器上運行程序，而在另外一台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，我在一台本地機器上運行 Ubuntu 14.04 桌面版，而在另外一台遠程機器上運行 CentOS 5.10（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 偏偏是我面前的這台 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 和虛擬控制台
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，因為在同一台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？
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：一台計算機可以有多個 display，一個 display 可以有多個屏幕。所以，display 相當於是計算機配備的一套輸入輸出設備，一般情況下，一台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，還有虛擬控制台這樣的高級特性。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台中進行切換。在 Ubuntu 14.04 中，虛擬控制台 1 到 6 運行的getty，也就是字符界面，虛擬控制台 7 運行的是 Xorg。（Fedora 中不一樣，虛擬控制台 1 運行的是圖形界面，其它的是字符界面。）
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 :1 -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。啟動 X Server 后的效果如下圖：
按 Ctrl+Alt+F7 回到 display :0，再用 ps 命令看一下，會發現系統中有兩個 Xorg 在運行，一個運行在虛擬控制台 7，一個運行在虛擬控制台 8。如下圖：
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。然后按 Ctrl+Alt+F8 切換虛擬控制台，看效果。命令見上圖，程序運行效果見下圖：
遠程連接 X Server
如果能讓遠程機器上的 GVim 也把窗口顯示在本地機器的屏幕上，那就比較過癮了。所以，使用 ssh 連接到 CentOS-5.10，然后使用 gvim -display ubuntu-14:1 命令，希望將 GVim 顯示到 Ubuntu 的 display :1 上。由於是遠程連接，所以 hostname 不能省略，需寫成 ubuntu-14:1，也可以使用 IP 地址，寫成 192.168.1.103:1。如下圖：
很可惜，連接失敗。
失敗的原因是遠程訪問 X Server 需要安全認證。這個可以理解，就像登陸郵箱需要輸入用戶名和密碼一樣，如果 X Server 不要認證就可以隨便連接的話，那豈不是桌面上垃圾窗口滿天飛？安全認證的方式有很多種，具體請參考 man Xsecurity。安全認證可以使用 xhost 和 xauth 這兩個程序來進行，具體使用方法參考它們的文檔。
先用 xhost 來授權，這個比較簡單。為了運行 xhost，需要在 X Server 上有一個終端，所以運行一個 xterm，如下圖：
在 xterm 中輸入 sodu xhost +192.168.1.109，這樣，CentOS-5.10 中運行的 GUI 程序都可以連接到這個新開啟的 X Server 了。如下圖：
在 CentOS-5.10 中運行 GVim，如下圖：
窗口顯示在 Ubuntu 中，如下圖：
新啟動的 X Server 界面比較丑陋，我們還是想讓遠程機器上的 GUI 程序直接顯示在 Ubuntu 的桌面環境中。所以，指定 display 為 :0，如下圖：
結果很不幸，無法打開 display。連接不上，為什么呢？是安全認證的問題嗎？不是，是 lightdm 的問題，請繼續往下看。
理解 lightdm 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 /usr/bin/X :1 來啟動了一個 X Server。直接啟動 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 14.04 中，使用 lightdm 取代了傳統的 xdm、gdm 等顯示管理器。簡單來說，就是由 lightdm 負責啟動 X Server 和其它的 X 程序。不知道為什么，lightdm 在啟動 X Server 的時候，給 X Server 加上了 -nolisten tcp 參數，所以遠程計算機就沒有辦法連接到 Ubuntu 的桌面了。（從第 1 張圖片可以看到該參數。）
下一步的目標就是更改 lightdm 的配置，去掉這個 -nolisten tcp 參數。不過要達成這個目標還真是艱難啊，我的系統掛掉然后重裝就是在這里折騰出來的。在這里我要狠狠滴吐槽一下 freedesktop.org，在 X Window 所用的軟件中，freedesktop.org 貢獻很大，比如 lightdm、xft、fontconfig、freetype 都是這個組織貢獻的，可是，你就不能把文檔寫詳細點嗎？不僅是 lightdm 的文檔不行，xft、freetype 的文檔也都不行。
lightdm 的 man page 非常簡略，使用 sudo dpkg -L lightdm 也找不出該軟件包中有價值的東西。沒辦法，另辟蹊徑吧。在使用 sudo dpkg -L lightdm 查看該軟件包的文件時，發現它的 log 文件放在 /var/log/lightdm 文件夾下，過去看看：
終於，從 log 文件中看到了 lightdm 啟動的全過程。首先，看到它從哪幾個目錄加載配置文件，接着，看到它啟動 X Server。從下圖光標所在的行可以看到 X Server 啟動的所有參數，包括 -nolisten tcp 選項。
繼續看 log 文件，下面光標所在的行顯示 lightdm 怎么啟動 gnome-session：
同時，我發現 /etc/lightdm/ 目錄下沒有 lightdm.conf 文件，而 /usr/share/doc/lightdm/ 目錄下有一個 lightdm.conf.gz 文件，把該文件當文檔看了一下，發現里面果然就是 lightdm 的配置的解釋。趕快將該文件復制到 /etc/lightdm/ 目錄下並解壓，如下圖：
然后用 Vim 編輯 /etc/lightdm/lightdm.conf 文件，將 xserver-allow-tcp=false 一行前面的注釋去掉，並且改為 xserver-allow-tcp=true。如下圖：
最后，重啟系統。再用 ps 查看進程，發現 -nolisten tcp 選項已經沒有了。
搞定 xauth
搞定了 -nolisten tcp 之后，要想從遠程計算接連接到 Ubuntu 桌面，還是需要安全認證。在前面的例子中，我使用了 xhost。xhost 是最簡單的認證方式。在這里我要試一下別的認證方式，比如 MIT-MAGIC-COOKIE-1。如上圖，先使用 xauth list 命令查看一下當前的授權記錄，發現只有一條，而且 display 是 ubuntu-14/unix:0，很顯然，這是一個本地授權，所以需要使用 xauth add 命令添加一個使用 ip 地址的授權，后面的 key 照抄就行了。最后，使用 xauth extract 和 xauth merge 配合管道和 ssh 將該授權記錄合並到 CentOS-5.10 中。
在 CentOS-5.10 中啟動 GVim，指定 display 為 192.168.1.103:0，GVim 窗口就出現在了 Ubuntu中。如下圖：
X Server 的配置
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。
現有的圖形界面中可以運行嵌套的 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 命令，就可以在現有圖形界面中打開一個窗口模式的 X Server，如下圖：
以后再啟動 GUI 程序，就可以通過程序的 -display 選項讓程序運行在這個嵌套的 X Server 中，如下圖：
怎么樣，是不是很好玩呢？除了好玩，還很有用，比如調試窗口管理器啊、連接遠程桌面啊什么的都用得着。當然，我這里只是簡單展示一下原來 X Window 還可以這么玩。
總結：
1.在一個 Linux 系統中存在多個虛擬控制台，所以可以啟動多個 X Server；
2.啟動 X Server 的方式有兩種，一種是使用 /usr/bin/X、startx、xinit 手動啟動，一種是通過顯示管理器啟動；
3.Ubuntu 使用的顯示管理器是 lightdm，這是一個比較新的、輕量級的顯示管理器，但是文檔不夠詳細；
4.遠程計算機連接本地的 X Server，需要 X Server 開放 TCP 端口，還要搞定安全認證；
5.X Server 的配置，可以通過命令行參數，可以通過環境變量，還可以通過配置文件；
6.可以在現有的圖形界面下以窗口模式運行嵌套的 X Server，常用的軟件是 Xephyr；