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：

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 : 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。

（京山游侠于2014-06-08日发布于博客园，转载请注明出处。）