X Window 與 Wayland 圖形介面程式設計實戰

X Window System 長期以來作為 Unix-like 系統的圖形介面根本，其生態系統相當成熟，但 Wayland 作為新一代顯示伺服器協定，以更簡潔的架構和更高的效能逐漸受到關注。本文除了介紹 X Window System 的核心概念和 Xlib、XCB 程式函式庫的使用範例外，也涵蓋了 Wayland 的基本架構和與 X Window System 的比較。此外，文章還探討了 GTK、Qt 等跨平台 GUI 工具包的應用，以及 Gnuplot 在圖形繪製方面的應用。最後，文章也關注了桌面環境的資安議題，並對未來圖形介面技術的發展趨勢進行了預測，提供開發者一個全面的技術視野。

#include <xcb/xcb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    xcb_connection_t *connection = xcb_connect(NULL, NULL);
    if (xcb_connection_has_error(connection)) {
        fprintf(stderr, "無法連線到 X 伺服器\n");
        exit(1);
    }

    const xcb_setup_t *setup = xcb_get_setup(connection);
    xcb_screen_iterator_t iter = xcb_setup_roots_iterator(setup);
    xcb_screen_t *screen = iter.data;

    xcb_window_t window = xcb_generate_id(connection);
    uint32_t mask = XCB_CW_BACK_PIXEL | XCB_CW_EVENT_MASK;
    uint32_t values[2];
    values[0] = screen->black_pixel;
    values[1] = XCB_EVENT_MASK_EXPOSURE | XCB_EVENT_MASK_KEY_PRESS;
    xcb_create_window(connection, screen->root_depth, window, screen->root,
                      0, 0, 800, 600, 10,
                      XCB_WINDOW_CLASS_INPUT_OUTPUT, screen->root_visual,
                      mask, values);

    xcb_map_window(connection, window);

    while (1) {
        xcb_generic_event_t *event;
        event = xcb_wait_for_event(connection);
        if (event) {
            switch (event->response_type & ~0x80) {
                case XCB_EXPOSE:
                    break;
                case XCB_KEY_PRESS:
                    free(event);
                    xcb_destroy_window(connection, window);
                    xcb_disconnect(connection);
                    return 0;
            }
            free(event);
        }
    }

    return 0;
}

持續交付作業驅動模式：

輸出驅動：

這些範例展示瞭如何使用 Xlib 函式庫來建立和管理 X 視窗，並處理使用者事件。透過這些案例，開發者可以更好地理解 X Window System 的工作原理，並應用於實際專案中。

X Window System 及其他圖形化桌面技術

在現代電腦系統中，圖形化使用者介面（GUI）已成為標準組態。X Window System（簡稱 X11 或 X）是其中最著名的一個系統，特別是在類別 Unix 作業系統上。此外，Wayland、Xwayland、Wayfire、GTK、Qt 以及 Gnuplot 等技術也在圖形化應用中扮演重要角色。本文將探討這些技術的基本概念及其應用。

X Window System 簡介

X Window System 是一個用於在多種硬體平台上提供圖形化使用者介面的系統。它主要由三個部分組成：X 伺服器、X 客戶端和 X 資源管理器。X 伺服器負責管理顯示裝置，而 X 客戶端則是執行在伺服器上的應用程式。X 資源管理器則負責管理視窗的佈局和外觀。

基本程式碼範例

以下是一個使用 Xlib（X Window System 的 C 語言繫結）建立簡單視窗的程式碼範例：

#include <X11/Xlib.h>
#include <X11/Xutil.h>
#include <X11/Xos.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

Display *dis;
int screen;
Window win;
GC gc;

void init_x();
void close_x();
void redraw();

int main() {
    XEvent event;
    KeySym key;
    char text[255];
    init_x();

    while (1) {
        XNextEvent(dis, &event);
        if (event.type == Expose && event.xexpose.count == 0) {
            redraw();
        }
        if (event.type == KeyPress &&
            XLookupString(&event.xkey, text, 255, &key, 0) == 1) {
            if (text[0] == 'q') {
                close_x();
            }
            printf("You pressed the %c key\n", text[0]);
        }
        if (event.type == ButtonPress) {
            int x = event.xbutton.x,
                y = event.xbutton.y;
            strcpy(text, "Linux Rocks");
            XSetForeground(dis, gc, rand() % event.xbutton.x % 255);
            XDrawString(dis, win, gc, x, y, text, strlen(text));
        }
    }
}

void init_x() {
    unsigned long black, white;
    dis = XOpenDisplay((char *)0);
    screen = DefaultScreen(dis);
    black = BlackPixel(dis, screen);
    white = WhitePixel(dis, screen);
    win = XCreateSimpleWindow(dis, DefaultRootWindow(dis), 0, 0,
                              300, 300, 5, black, white);
    XSetStandardProperties(dis, win, "Report", "E", None, NULL, 0, NULL);
    XSelectInput(dis, win, ExposureMask | ButtonPressMask | KeyPressMask);
    gc = XCreateGC(dis, win, 0, 0);
    XSetBackground(dis, gc, white);
    XSetForeground(dis, gc, black);
    XClearWindow(dis, win);
    XMapRaised(dis, win);
}

void close_x() {
    XFreeGC(dis, gc);
    XDestroyWindow(dis, win);
    XCloseDisplay(dis);
    exit(1);
}

void redraw() {
    XClearWindow(dis, win);
}

內容解密：

初始化函式 init_x：這個函式負責連線到 X 伺服器並建立一個簡單的視窗。它設定顏色、視窗屬性以及事件掩碼。
事件迴圈：在 main 函式中，我們進入了一個無限迴圈，等待並處理事件。當視窗暴露時，我們會重繪視窗；當按鍵事件發生時，我們會檢查按下的是否為 ‘q’ 鍵，如果是則關閉程式；當按下滑鼠鍵時，我們會在視窗上畫出一段文字。
關閉函式 close_x：這個函式負責釋放資源並關閉連線。
重繪函式 redraw：這個函式清除視窗內容，使其重新顯示。

Wayland 與其他替代技術

Wayland 是一個較新的顯示伺服器協定，旨在取代 X Window System。它設計更為簡潔且效能更高，並且更容易進行安全管理。然而，由於歷史原因和相容性問題，許多現有的應用程式仍然依賴於 X Window System。

Wayland 的基本概念

Wayland 的設計理念是將顯示伺服器和客戶端之間的通訊簡化為最小範圍的 API 處理，這使得 Wayland 在效能和安全性上都有顯著改進。然而，這也意味著需要更多的工作來移植現有的應用程式。

GTK 與 Qt

GTK 和 Qt 是兩個流行的圖形化工具包，廣泛應用於桌面應用程式開發。GTK 是由 GNOME 桌面環境開發的，而 Qt 則由 KDE 桌面環境開發。

GTK 的基本概念

GTK 提供了一組完整的工具和控制元件來構建桌面應用程式。它支援多種語言（如 C、C++ 和 Python），並且具有跨平台的能力。

Qt 的基本概念

Qt 是一個功能豐富的 C++ 框架，提供了強大的 GUI 工具和多媒體支援。它也支援多種平台（如 Windows、macOS 和 Linux），並且具有豐富的檔案和社群支援。

Gnuplot 的應用

Gnuplot 是一個強大的圖形繪製工具，常用於科學和工程領域。它支援多種資料格式和輸出格式，並且可以與多種程式語言進行整合。

Gnuplot 的基本使用

Gnuplot 的基本使用包括讀取資料檔案、設定繪圖引數以及生成圖表。以下是一個簡單的 Gnuplot 命令範例：

set terminal png
set output 'output.png'
plot 'data.txt' with lines

內容解密：

設定輸出格式：使用 set terminal png 命令設定輸出格式為 PNG。
設定輸出檔案：使用 set output 'output.png' 命令設定輸出檔案名為 ‘output.png’。
繪製圖表：使用 plot 'data.txt' with lines 命令從 ‘data.txt’ 檔案中讀取資料並以線條形式繪製。

桌面環境與資安考量

在現代桌面環境中，資安問題也變得越來越重要。無論是使用 X Window System、Wayland 還是其他技術，都需要注意以下幾點：

事件處理安全性：確保所有事件處理函式都經過充分測試並且不會引發未知行為。
許可權管理：確保每個應用程式只擁有必要的許可權。
資料加密：對敏感資料進行加密儲存和傳輸。

未來趨勢與預測

隨著技術的不斷進步，我們可以預見以下幾個趨勢：

Wayland 的普及：隨著更多應用程式轉向 Wayland，這項技術將逐漸取代傳統的 X Window System。
跨平台開發：越來越多的開發者會選擇跨平台工具（如 Qt 和 GTK）來構建應用程式。
強化資安措施：未來的桌面環境將更加註重資安問題，並且會採取更多措施來保護使用者資料。

內容解密：

X Window System 是最早且最廣泛使用的一套 GUI 技術。
Wayland 作為其替代品，提供了更好的效能和安全性。
GTK 和 Qt 是兩大主要 GUI 工具包。
GNOME 和 KDE 分別根據 GTK 和 Qt 建立其桌面環境。
Xwayland 和 Wayfire 是 Wayland 上的一些附加技術或擴充套件。

使用 XCB 開發 X Window System 互動式應用

在這一節中，玄貓將詳細介紹另一個官方的客戶端函式庫，即 XCB（X C Binding），它可以用來開發 X Window System 的互動式客戶端應用程式。玄貓將先從技術選型考量開始，探討在撰寫 XCB 客戶端應用程式之前需要考慮的基本頂層問題。接著，玄貓會展示如何編譯和連結 XCB 程式，最後提供一些基本的 XCB 程式範例。

XCB 的基本結構

XCB 是一個更高效的函式庫，比起它的前輩 Xlib，有多種優勢，這些優勢線上上檔案中都有詳細說明。對於初學者來說，XCB 的客戶端應用程式結構與 Xlib 的基本結構相似。以下是使用 XCB 撰寫的客戶端應用程式的基本操作流程：

建立連線：使用 xcb_connect() 建立與 X 伺服器的連線。如果無法連線，則優雅地終止程式。
取得螢幕資訊：向伺服器查詢物理螢幕的資訊，並使用這些資訊計算視窗引數，如大小和位置等。
建立視窗：使用 xcb_create_window() 在物理螢幕上建立一個視窗。
設定標準屬性：為視窗管理器設定標準屬性。
選擇事件型別：指定需要接收和回應的事件型別。
載入字型：如果需要在視窗中輸出文字，則載入所需的字型。
建立圖形上下文：建立一個圖形上下文（GC）來控制繪圖請求。
顯示視窗：使用 xcb_map_window() 顯示視窗。
事件迴圈：進入無限迴圈（或邏輯迴圈），處理伺服器可能傳送的事件，並向客戶端發送回呼。

#include <xcb/xcb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 建立與 X 伺服器的連線
    xcb_connection_t *connection = xcb_connect(NULL, NULL);
    if (xcb_connection_has_error(connection)) {
        fprintf(stderr, "無法連線到 X 伺服器\n");
        exit(1);
    }

    // 處理其餘邏輯...

    // 清理並離開
    xcb_disconnect(connection);
    return 0;
}

內容解密：

建立連線：xcb_connect() 用來建立與 X 伺服器的連線。若連線失敗，則會傳回錯誤狀態，並終止程式執行。
處理錯誤：若 xcb_connection_has_error() 測試結果為真，則表示連線失敗，並輸出錯誤訊息並離開程式。

編譯和連結 XCB 程式

要編譯和連結一個簡單的 XCB 程式，可以使用以下指令：

gcc -o my_xcb_program my_xcb_program.c -lxcb

基本範例

以下是一個簡單的 XCB 範例，展示如何建立一個基本的視窗：

#include <xcb/xcb.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 建立與 X 伺服器的連線
    xcb_connection_t *connection = xcb_connect(NULL, NULL);
    if (xcb_connection_has_error(connection)) {
        fprintf(stderr, "無法連線到 X 伺服器\n");
        exit(1);
    }

    // 取得螢幕資訊
    const xcb_setup_t *setup = xcb_get_setup(connection);
    xcb_screen_iterator_t iter = xcb_setup_roots_iterator(setup);
    xcb_screen_t *screen = iter.data;

    // 建立視窗
    xcb_window_t window = xcb_generate_id(connection);
    uint32_t mask = XCB_CW_BACK_PIXEL | XCB_CW_EVENT_MASK;
    uint32_t values[2];
    values[0] = screen->black_pixel;
    values[1] = XCB_EVENT_MASK_EXPOSURE | XCB_EVENT_MASK_KEY_PRESS;
    xcb_create_window(connection, screen->root_depth, window, screen->root,
                      0, 0, 800, 600, 10,
                      XCB_WINDOW_CLASS_INPUT_OUTPUT, screen->root_visual,
                      mask, values);

    // Map the window on the screen
    xcb_map_window(connection, window);

    // Main event loop
    while (1) {
        xcb_generic_event_t *event;
        event = xcb_wait_for_event(connection);
        if (event) {
            switch (event->response_type & ~0x80) {
                case XCB_EXPOSE:
                    // Handle expose event
                    break;
                case XCB_KEY_PRESS:
                    // Handle key press event and exit
                    free(event);
                    xcb_destroy_window(connection, window);
                    xcb_disconnect(connection);
                    return 0;
            }
            free(event);
        }
    }

    return 0;
}

內容解密：

取得螢幕資訊：xcb_get_setup() 和 xcb_setup_roots_iterator() 用來取得螢幕資訊。這些資訊包括螢幕的深度、根視覺和背景畫素等。
建立視窗：xcb_generate_id() 用來生成一個唯一的視窗 ID。xcb_create_window() 則用來在螢幕上建立一個新視窗。
事件迴圈：xcb_wait_for_event() 用來等待事件。根據事件型別（如暴露事件或鍵盤按壓事件），執行相應的處理邏輯。

概述比較

玄貓鼓勵讀者從線上資源和書籍中組織自己的檔案集合，並進行比較。對於初學者來說，這樣做可以幫助理解各自系統從頂層概述到最低層細節之間的差異。以下是一些關鍵函式及其描述：

XLookupString：將鍵盤事件轉換為 ASCII 字串、鍵碼和 ComposeStatus。
XSetForeground：設定指定圖形上下文（GC）的前景屬性。
XDrawString：在指定的繪圖實體上繪製文字字元。
XSetStandardProperties：提供簡單應用程式以單一呼叫設定最基本屬性的方法。

心得

透過對比和實踐演練後，玄貓認為雖然兩者都是強大且靈活的工具函式庫。而瞭解它們之間的不同與共通點將能讓開發者更靈活地選擇合適工具去針對各種需求進行開發。未來將有更多高效能及簡化後之框架出現且被廣泛採用以提升開發效率及相容性。

一些技術觀點

除了基礎知識外，玄貓認為深入理解工具函式庫本身之設計與背後技術可讓開發者更靈活地針對不同情境進行開發及調整策略。

特別注意事項

每次重新編譯前務必確認原始碼清潔且所有依賴函式庫已經正確組態完成
不同版本之間可能存在隱藏錯誤及不相容問題務必考慮同步更新或檢查版本更新日誌

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。