WayLand的架構(gòu)和協(xié)議

1. Wayland簡(jiǎn)介

1.1 Wayland是啥？為啥它這么重要？

嘿，你知道嗎？有時(shí)候咱們用電腦的時(shí)候，是不是覺得圖形界面有點(diǎn)慢、有點(diǎn)卡？那是因?yàn)槲覀冞€在用一個(gè)叫X Window System (X11)的老伙計(jì)。這個(gè)老伙計(jì)雖然功不可沒，但畢竟年紀(jì)大了，有些力不從心啦。這時(shí)候就輪到我們的新朋友——Wayland登場(chǎng)了！

1.2 Wayland背后的故事：它是怎么來的？

話說2008年的時(shí)候，有個(gè)叫Kristian H?gsberg的人，他想：“為什么不能有一個(gè)更好的方式來處理圖形呢？”于是他就開始了Wayland項(xiàng)目。經(jīng)過多年的努力，Wayland逐漸成長(zhǎng)起來，現(xiàn)在已經(jīng)被很多主流桌面環(huán)境如GNOME和KDE Plasma所采用?？梢哉f，Wayland已經(jīng)成為了Linux社區(qū)的新寵兒。

1.3 Wayland的夢(mèng)想：它想帶給我們什么？

簡(jiǎn)單來說，Wayland想讓你的電腦圖形體驗(yàn)變得更棒！它通過簡(jiǎn)化圖形渲染流程，直接與硬件對(duì)話，減少不必要的通信層，從而提高了性能和安全性。對(duì)于開發(fā)者而言，這意味著更少的代碼維護(hù)工作；對(duì)于用戶來說，則意味著更流暢的操作體驗(yàn)。

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2. Wayland架構(gòu)

2.1 X和Wayland：兩者架構(gòu)有何不同？

來聊聊X是怎么處理輸入到顯示的

想象一下，當(dāng)你在使用基于X的應(yīng)用時(shí)，每次你點(diǎn)擊鼠標(biāo)或者敲擊鍵盤，都會(huì)觸發(fā)一系列復(fù)雜的步驟，直到最終的變化出現(xiàn)在屏幕上。這個(gè)過程有點(diǎn)像一個(gè)接力賽，每個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。

首先，內(nèi)核會(huì)通過evdev輸入驅(qū)動(dòng)捕捉來自設(shè)備（如鼠標(biāo)或鍵盤）的事件，并將這些事件發(fā)送給X Server。這里，內(nèi)核做了很多重活，它負(fù)責(zé)管理硬件并將各種特定于設(shè)備的事件協(xié)議轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的Linux evdev標(biāo)準(zhǔn)格式。

接下來，X Server要決定哪個(gè)窗口應(yīng)該接收這個(gè)事件，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給那些已經(jīng)注冊(cè)了該類型事件監(jiān)聽的客戶端。但是，這里有個(gè)小問題——X Server并不完全清楚窗口的實(shí)際位置和狀態(tài)，因?yàn)檫@些是由合成器控制的，而合成器可能會(huì)對(duì)窗口進(jìn)行各種變換（縮放、旋轉(zhuǎn)、特效等），這些變化是X Server所不了解的。

然后，接收到事件的客戶端根據(jù)需要更新用戶界面。比如，你可能點(diǎn)擊了一個(gè)復(fù)選框，或者鼠標(biāo)指針進(jìn)入了某個(gè)按鈕區(qū)域，這時(shí)就需要高亮顯示。因此，客戶端會(huì)向X Server發(fā)送渲染請(qǐng)求。

當(dāng)X Server收到渲染請(qǐng)求后，它會(huì)把任務(wù)交給顯卡驅(qū)動(dòng)，讓其直接編程硬件完成渲染工作。同時(shí)，X Server還會(huì)計(jì)算出渲染影響的屏幕區(qū)域，并向合成器發(fā)送一個(gè)損壞事件（damage event），告知合成器需要重新組合那一部分屏幕內(nèi)容。

最后，合成器會(huì)通知X Server，由它來決定是直接復(fù)制合成器的后臺(tái)緩沖區(qū)到前臺(tái)緩沖區(qū)，還是執(zhí)行一次頁面翻轉(zhuǎn)（pageflip）。這一步驟對(duì)于處理窗口重疊等情況非常重要，但對(duì)于總是全屏顯示的合成器來說，就顯得多余了，因?yàn)樗肓瞬槐匾纳舷挛那袚Q。

現(xiàn)在輪到Wayland登場(chǎng)啦！

在Wayland的世界里，整個(gè)流程變得更加簡(jiǎn)潔高效。這里的關(guān)鍵點(diǎn)在于，合成器就是顯示服務(wù)器本身，這意味著我們可以直接從內(nèi)核獲取事件并立即傳遞給合成器，而不需要經(jīng)過額外的中間層。我們還把KMS（模式設(shè)置）和evdev的控制權(quán)交給了合成器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了架構(gòu)。

這個(gè)過程大致如下：

• 內(nèi)核依舊負(fù)責(zé)捕捉輸入事件并通過evdev接口發(fā)送給合成器。這部分與X的情況相似，所以我們可以繼續(xù)利用內(nèi)核中已有的輸入驅(qū)動(dòng)。

• 合成器則會(huì)根據(jù)它的場(chǎng)景圖（scenegraph）來確定哪個(gè)窗口應(yīng)該接收事件。由于合成器掌控著所有窗口的狀態(tài)及其可能應(yīng)用的各種變換，它可以準(zhǔn)確地選擇正確的窗口，并將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為窗口本地坐標(biāo)。只要合成器能夠計(jì)算出針對(duì)輸入事件的逆變換，那么理論上可以對(duì)窗口施加任何類型的變換。

• 客戶端接收到事件后，就像之前一樣更新用戶界面。不過，在Wayland下，渲染是在客戶端這邊完成的，之后只需告訴合成器哪些區(qū)域被更新了即可。

• 合成器收集來自各個(gè)客戶端的損壞請(qǐng)求，然后重新組合屏幕內(nèi)容。這個(gè)時(shí)候，合成器可以直接調(diào)用ioctl命令通過KMS安排頁面翻轉(zhuǎn)，無需再經(jīng)過X Server這一環(huán)。

這樣做的好處是減少了不必要的通信開銷，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和效率。Wayland的設(shè)計(jì)使得每個(gè)組件都能專注于自己最擅長(zhǎng)的事情，從而構(gòu)建出了一個(gè)更加流暢且安全的圖形環(huán)境。

2.2 Wayland的圖像渲染

在Wayland的世界里，所有的視覺內(nèi)容都是通過緩沖區(qū)來管理的。應(yīng)用程序想要顯示任何東西時(shí)，它會(huì)在自己的內(nèi)存空間中創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)圖像緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)提交給合成器(compositor)。合成器扮演著藝術(shù)家的角色，負(fù)責(zé)將這些圖像組合成最終的畫面，展示給用戶。

Wayland利用現(xiàn)代GPU的強(qiáng)大功能，確保無論是播放視頻還是運(yùn)行3D游戲，都能提供即時(shí)響應(yīng)的速度。所有繪圖命令都通過DMA-BUF接口發(fā)送給GPU，這保證了即使在多任務(wù)環(huán)境中也能保持高效運(yùn)作。

客戶端渲染機(jī)制

當(dāng)X Server被移除后，傳統(tǒng)的X客戶端渲染機(jī)制也隨之消失。但Wayland引入了直接渲染（direct rendering）作為替代方案，這一機(jī)制已經(jīng)在X的DRI2中有所體現(xiàn)。在直接渲染模式下，客戶端和合成器共享一塊視頻內(nèi)存緩沖區(qū)?？蛻舳随溄拥饺?code>OpenGL這樣的渲染庫，該庫知道如何編程硬件，并能夠直接將內(nèi)容渲染到共享緩沖區(qū)中。合成器則可以將這塊緩沖區(qū)用作texture，當(dāng)它合成桌面時(shí)就能顯示出更新的內(nèi)容。

硬件支持的重要性

為了使Wayland能有效工作，良好的硬件支持至關(guān)重要。這包括但不限于模式設(shè)置/顯示管理和EGL/GLES2等功能。此外，Wayland還需要一種機(jī)制來高效地在進(jìn)程間共享緩沖區(qū)，這部分涉及到客戶端和服務(wù)器端兩個(gè)方面的工作。

• 客戶端實(shí)現(xiàn)：定義了一個(gè)Wayland EGL平臺(tái)，它包含了一套原生類型（如EGLNativeDisplayType、EGLNativeWindowType和EGLNativePixmapType），以及創(chuàng)建這些類型的接口。這是將EGL棧及其緩沖區(qū)共享機(jī)制綁定到通用Wayland API的膠水代碼。開源實(shí)現(xiàn)中，mesa EGL棧中的wayland-egl.c和platform_wayland.c文件實(shí)現(xiàn)了這一功能。

• 服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)：Wayland的服務(wù)器端即為合成器，它通常集成了任務(wù)切換器、應(yīng)用啟動(dòng)器、鎖屏界面等核心用戶體驗(yàn)組件。服務(wù)器運(yùn)行在一個(gè)模式設(shè)置API之上（如內(nèi)核模式設(shè)置、OpenWF Display或其他類似技術(shù)），并通過EGL/GLES2合成器和硬件疊加層（如果有的話）來組合最終用戶界面。為了讓合成器能夠處理來自客戶端的Wayland共享緩沖區(qū)，必須啟用EGL_WL_bind_wayland_display擴(kuò)展，這樣合成器就可以從任意Wayland共享緩沖區(qū)創(chuàng)建一個(gè)EGLImage對(duì)象。這個(gè)過程首先需要綁定EGL顯示到Wayland顯示，之后每當(dāng)合成器接收到客戶端發(fā)來的緩沖區(qū)（通常是通過調(diào)用eglSwapBuffers時(shí)），它可以將wl_buffer指針傳遞給eglCreateImageKHR函數(shù)，以EGLClientBuffer參數(shù)的形式創(chuàng)建一個(gè)EGL圖像，用于后續(xù)作為紋理或通過模式設(shè)置代碼作為疊加平面使用。

3. Wayland協(xié)議

WayLand協(xié)議, 是WayLand客戶端與WayLand合成器之間的通訊協(xié)議

官方提供的WayLand協(xié)議的參考實(shí)現(xiàn)
https://gitlab.freedesktop.org/wayland/wayland

官方提供的WayLand合成器的參考實(shí)現(xiàn)
https://gitlab.freedesktop.org/wayland/weston

3.1 協(xié)議傳輸與消息格式

Wayland 協(xié)議通過UNIX域流套接字進(jìn)行傳輸，通常情況下，該套接字的端點(diǎn)名為wayland-0（盡管可以通過環(huán)境變量WAYLAND_DISPLAY來更改）。從Wayland 1.15版本開始，實(shí)現(xiàn)可以選配支持位于文件系統(tǒng)任意位置的服務(wù)器套接字端點(diǎn)，只需將WAYLAND_DISPLAY設(shè)置為服務(wù)器端點(diǎn)監(jiān)聽的絕對(duì)路徑即可。

每條消息被構(gòu)造成由多個(gè)32位字組成的序列；值以主機(jī)的字節(jié)序表示。消息頭部包含兩個(gè)32位字：

• 第一個(gè)字是發(fā)送者的對(duì)象ID（32位）。
• 第二個(gè)字分為兩部分：高16位是消息大小（以字節(jié)為單位），從頭部開始計(jì)算（即最小值為8字節(jié)）；低16位是請(qǐng)求或事件的操作碼。

有效載荷描述了請(qǐng)求或事件的參數(shù)。每個(gè)參數(shù)總是對(duì)齊到32位邊界；如果需要填充，填充字節(jié)的值未定義。沒有前綴描述類型，而是隱式地從XML規(guī)范推斷出來。

以下是參數(shù)類型的表示方式：

• int, uint

  • 表示32位有符號(hào)或無符號(hào)整數(shù)值。

• fixed

  • 有符號(hào)的24.8定點(diǎn)數(shù)。它是一種提供符號(hào)位、23位整數(shù)精度和8位小數(shù)精度的有符號(hào)十進(jìn)制類型。在C API中，它作為一個(gè)不透明的結(jié)構(gòu)體，并提供了轉(zhuǎn)換為雙精度浮點(diǎn)數(shù)和整數(shù)的幫助函數(shù)。

• string

  • 以一個(gè)無符號(hào)的32位長(zhǎng)度（包括空終止符）開頭，接著是字符串內(nèi)容，包含終止的空字節(jié)，然后是對(duì)齊到32位邊界的填充?？罩涤瞄L(zhǎng)度為0表示。

• object

  • 32位對(duì)象ID?？罩涤肐D為0表示。

• new_id

  • 32位對(duì)象ID。一般情況下，新對(duì)象使用的接口可以從XML推斷出來，但在接口未指定的情況下，new_id之前會(huì)有一個(gè)指定接口名稱的字符串，以及一個(gè)指定版本的無符號(hào)整數(shù)。

• array

  • 以32位數(shù)組大小（以字節(jié)為單位）開頭，接著是數(shù)組內(nèi)容的直接拷貝，最后是對(duì)齊到32位邊界的填充。

• fd

  • 文件描述符并不存儲(chǔ)在消息緩沖區(qū)中，而是在UNIX域套接字消息的輔助數(shù)據(jù)（msg_control）中。

Wayland協(xié)議并未明確規(guī)定輔助數(shù)據(jù)在流中的確切位置，只規(guī)定文件描述符的順序與消息及其內(nèi)部的fd參數(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的順序相同。

這意味著流中的任何字節(jié)，甚至是消息頭部，都可能攜帶帶有文件描述符的輔助數(shù)據(jù)。

客戶端和合成器(compositor)應(yīng)當(dāng)排隊(duì)等待接收的數(shù)據(jù)，直到他們有完整的消息可供處理，因?yàn)槲募枋龇赡軙?huì)早于或晚于對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)到達(dá)。

3.2 核心接口概述

Wayland協(xié)議設(shè)計(jì)了一套核心接口，用于客戶端與服務(wù)器之間的交互。這些接口提供了請(qǐng)求、事件和錯(cuò)誤（實(shí)際上也是特殊類型的事件）的功能，如前文所述。雖然具體的合成器(compositor)實(shí)現(xiàn)可能會(huì)提供作為擴(kuò)展的自有接口，但有一些接口是預(yù)期一定會(huì)存在的。

以下是Wayland的核心接口：

1. wl_display

   • 作為核心全局對(duì)象，它充當(dāng)了客戶端與Wayland服務(wù)器之間通信的起點(diǎn)。通過這個(gè)接口，客戶端可以獲取其他全局對(duì)象，并發(fā)送或接收消息。

2. wl_registry

   • 全局注冊(cè)表對(duì)象，用來枚舉當(dāng)前可用的全局對(duì)象?？蛻舳耸褂么私涌趤戆l(fā)現(xiàn)并綁定到它們需要的服務(wù)。

3. wl_callback

   • 回調(diào)對(duì)象通常用于異步操作的完成通知，比如幀同步。

4. wl_compositor

   • 合成器(compositor)單例，提供創(chuàng)建surface和其他圖形資源的方法。

5. wl_shm_pool 和 wl_shm

   • 這兩個(gè)接口共同支持共享內(nèi)存池的創(chuàng)建和管理，使得圖像數(shù)據(jù)可以直接在客戶端和合成器(compositor)之間交換。

6. wl_buffer

   • 表示一個(gè)surface的內(nèi)容，可以由多種不同方式創(chuàng)建，包括但不限于共享內(nèi)存。

7. wl_data_offer, wl_data_source, wl_data_device 和 wl_data_device_manager

   • 這組接口支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸功能，例如剪貼板和拖放操作。

8. wl_shell 和 wl_shell_surface

   • 提供了創(chuàng)建桌面風(fēng)格surface的方法，并為這些surface提供了額外的元數(shù)據(jù)接口。

9. wl_surface

   • 屏幕上的surface，是所有可視內(nèi)容的基礎(chǔ)元素。

10. wl_seat

    • 輸入設(shè)備的集合，每個(gè)seat代表一組輸入設(shè)備，比如鍵盤、鼠標(biāo)和觸控屏。

11. wl_pointer, wl_keyboard, wl_touch

    • 分別對(duì)應(yīng)指針、鍵盤和觸摸屏等輸入設(shè)備的具體接口。

12. wl_output

    • 描述合成器(compositor)輸出區(qū)域的信息，比如顯示器的幾何屬性和模式。

13. wl_region

    • 定義了一個(gè)不規(guī)則形狀的區(qū)域，可以應(yīng)用于surface以控制其可見性或其他特性。

14. wl_subcompositor 和 wl_subsurface

    • 支持子surface組合，允許將一個(gè)surface嵌入到另一個(gè)surface中，形成復(fù)雜的用戶界面布局。

上述接口構(gòu)成了Wayland協(xié)議的基本構(gòu)建塊，確保了客戶端應(yīng)用程序能夠與合成器(compositor)進(jìn)行高效且安全的通信。

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4. Wayland對(duì)X11應(yīng)用的支持

為了讓那些還沒遷移到Wayland上的老應(yīng)用繼續(xù)工作，Wayland引入了一個(gè)叫做XWayland的小幫手。它實(shí)際上就是一個(gè)小型的X Server，可以在Wayland環(huán)境中運(yùn)行，接受來自傳統(tǒng)X11客戶端的連接請(qǐng)求，并將它們適配到新的顯示協(xié)議之上。這樣一來，用戶就可以在同一桌面上同時(shí)運(yùn)行兩種類型的應(yīng)用程序，無縫切換毫無壓力。

盡管Wayland本身并不需要傳統(tǒng)的X窗口管理器，但在某些情況下（例如通過XWayland運(yùn)行X11應(yīng)用時(shí)），它們?nèi)匀话缪葜匾巧４藭r(shí)，Wayland合成器會(huì)充當(dāng)“超級(jí)管理員”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)不同類型的窗口行為，確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 X11 應(yīng)用程序的連接方式

X11應(yīng)用程序連接到Xwayland的方式就如同它連接到任何其他X服務(wù)器一樣。Xwayland負(fù)責(zé)處理所有的X11請(qǐng)求，并且在另一端，它作為一個(gè)Wayland客戶端連接到了Wayland合成器(compositor)。

4.2 X Window Manager (XWM) 和 Wayland Window Manager (WWM)

XWM是Wayland合成器(compositor)不可或缺的一部分。它使用標(biāo)準(zhǔn)的X11窗口管理協(xié)議來管理所有通過Xwayland運(yùn)行的X11窗口。重要的是，XWM充當(dāng)了Xwayland窗口狀態(tài)和Wayland合成器(compositor)的WWM之間的橋梁。這樣，WWM就可以統(tǒng)一管理所有類型的窗口，無論是原生的Wayland窗口還是X11（即Xwayland）窗口。這對(duì)于提供一致的用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。

4.3 Xwayland的工作原理

由于Xwayland依賴Wayland進(jìn)行輸入和輸出操作，所以它不需要像Xorg那樣使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這意味著不會(huì)使用任何xf86-video-*或xf86-input-*模塊。此外，Xwayland服務(wù)器沒有配置文件。對(duì)于可選的硬件加速渲染，Xwayland采用了GLAMOR庫。

4.4 單一實(shí)例的Xwayland

通常，一個(gè)Wayland合成器(compositor)只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Xwayland實(shí)例。這是因?yàn)樵S多X11應(yīng)用程序假設(shè)它們可以通過X服務(wù)器與其他X11應(yīng)用程序通信，而這需要共享同一個(gè)X服務(wù)器實(shí)例。這也意味著，除非Wayland合成器(compositor)特別選擇通過為特定應(yīng)用程序生成獨(dú)立的Xwayland實(shí)例來打破這種通信，否則Xwayland不會(huì)保護(hù)或隔離各個(gè)X11客戶端。值得注意的是，X11客戶端與Wayland客戶端之間是天然隔離的。

4.5 Xwayland的兼容性挑戰(zhàn)

盡管Xwayland盡可能地兼容傳統(tǒng)的X服務(wù)器，但要達(dá)到100%的兼容幾乎是不可能的。特別是桌面環(huán)境組件中的X11窗口管理器基本上不受支持。一個(gè)X11窗口管理器無法識(shí)別原生的Wayland窗口，因此它只能管理X11窗口。然而，必須有一個(gè)XWM來保留獨(dú)占的窗口管理角色，以便Wayland合成器(compositor)可以適當(dāng)?shù)仫@示X11窗口。對(duì)于其他的桌面環(huán)境組件，如分頁器和面板，為了在WWM中通過XWM支持它們而添加必要的接口往往被認(rèn)為是不值得的。

4.6 窗口標(biāo)識(shí)與同步通信

在Xwayland中，一個(gè)X11窗口可能會(huì)對(duì)應(yīng)于Wayland中的一個(gè)wl_surface對(duì)象。這個(gè)wl_surface對(duì)象用于輸入和輸出：它被輸入事件引用，并用于向Wayland合成器(compositor)提供X11窗口的內(nèi)容。X11窗口和wl_surface存在于不同的協(xié)議流中，因此需要將它們匹配起來以使XWM能夠正常工作。

當(dāng)Xwayland在Wayland上創(chuàng)建一個(gè)wl_surface時(shí)，它也會(huì)發(fā)送一個(gè)類型為原子"WL_SURFACE_ID"的X11 ClientMessage給對(duì)應(yīng)的X11窗口，該消息的第一個(gè)32位數(shù)據(jù)元素?cái)y帶的是wl_surface的Wayland對(duì)象ID。這是XWM關(guān)聯(lián)wl_surface與X11窗口的方法。需要注意的是，創(chuàng)建wl_surface的請(qǐng)求和ID消息可能以任意順序到達(dá)Wayland合成器(compositor)。因此，在實(shí)現(xiàn)XWM時(shí)，需要格外小心以避免（隨機(jī)）死鎖。強(qiáng)烈建議所有來自XWM的X11通信都應(yīng)該是異步的，因?yàn)樽C明同步或阻塞的X11調(diào)用不會(huì)導(dǎo)致死鎖通常是極其困難的。所有Wayland通信已經(jīng)天生就是異步設(shè)計(jì)的。

5. 總結(jié)

本文介紹了Wayland作為新一代顯示服務(wù)器協(xié)議，旨在替代傳統(tǒng)的X Window System (X11)，為Linux及其他類Unix系統(tǒng)提供更高效、安全的圖形界面體驗(yàn)。

Wayland通過簡(jiǎn)化圖形渲染流程，直接與硬件對(duì)話，減少了不必要的通信層，提高了性能。其架構(gòu)中合成器即為顯示服務(wù)器，可直接從內(nèi)核獲取事件并傳遞給合成器，避免了額外中間層，從而減少通信開銷。Wayland利用現(xiàn)代GPU功能確保圖像內(nèi)容即時(shí)響應(yīng)，通過DMA-BUF接口發(fā)送繪圖命令保持高效運(yùn)作。

在Wayland協(xié)議方面，它定義了一套核心接口，用于客戶端與服務(wù)器之間的交互，包括wl_display、wl_registry等，確保應(yīng)用程序能與合成器進(jìn)行高效安全通信。

此外，為了兼容傳統(tǒng)X11應(yīng)用，引入了XWayland作為小型X Server，在Wayland環(huán)境中運(yùn)行，使新舊應(yīng)用無縫共存。然而，盡管XWayland盡力兼容，仍存在一定的兼容性挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于X11窗口管理器的支持有限。