显示服务（Display Server）

参考Linux 图形界面的显示原理是什么？ - silaoA的回答 - 知乎，Linux 图形界面的显示原理是什么？ - 韩朴宇的回答 - 知乎

大名鼎鼎的X窗口系统（X Window System，也可以叫做 X11 或者 X）是1980s由MIT提出的以位图图像显示图形化界面的一套软件规范及协议，之所以叫“X11”是因为目前是该协议迭代的第11个版本。可以在终端运行 sudo X -version 来查看：

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X.Org X Server 1.21.1.4
X Protocol Version 11, Revision 0
Current Operating System: Linux lsn-Y9000X 6.2.0-37-generic #38~22.04.1-Ubuntu SMP PREEMPT_DYNAMIC Thu Nov  2 18:01:13 UTC 2 x86_64
Kernel command line: BOOT_IMAGE=/@/boot/vmlinuz-6.2.0-37-generic root=UUID=adf7b9ab-203e-4441-8333-c7bb1a2ecfcc ro rootflags=subvol=@ quiet splash vt.handoff=7
xorg-server 2:21.1.4-2ubuntu1.7~22.04.2 (For technical support please see http://www.ubuntu.com/support)
Current version of pixman: 0.40.0
	Before reporting problems, check http://wiki.x.org
	to make sure that you have the latest version.

其架构如下图所示。

由于采用了C/S 架构，好处就是服务端和客户端不用在同一台电脑上，客户端可以基于网络通信。

为了方便编写 GUI 程序，一些图形库如 GTK、QT等，作为 X Window System的客户端工作。客户端将绘图请求发送给服务端，服务端操纵显卡或视频终端把位图图像绘制出来，并处理键盘鼠标的事件，发送给客户端（注意，和人进行交互的是服务端，这里可能有点难以理解。举个例子就是，当我们将鼠标向右移动，X Server会检测到鼠标的移动，然后告知X Client，经过X Client的运算，原来是要将鼠标指针向右移动25个像素。将这个结果传回X Server，X Server就操作硬件去绘图了）。

X Window System 毕竟只是一套协议，并不是程序实现。XFree86 是该协议的早期开源实现，而Xorg 则是这套协议使用最广的软件实现。

如果想启动图形页面，系统必定要运行Xorg服务，而启动Xorg的方式有两种，一种是借助xinit这个工具从终端中启动，另一种是通过显示管理器来启动（下面讲桌面环境时会详述）。

xinit

使用 startx 来寻找运行 X的参数。

  • X Server 的参数方面：

    • 使用startx 后面带的参数
    • 若无参数，则寻找用户家目录的文件 ~/.xserverrc
    • 若无上述两者，则使用 /etc/X11/xserverrc
    • 若无上述三者，则单纯运行 /usr/bin/X（即直接运行 X Server）

  • X Client 的参数方面

    • 使用startx 后面带的参数
    • 若无参数，则寻找用户家目录的文件 ~/.xinitrc
    • 若无上述两者，则使用 /etc/X11/xinit/xinitrc
    • 若无上述三者，则单纯运行GUI程序

根据上述流程找到启动 X 所需要的参数后，接下来 startx 会调用 xinit 来启动 Xorg。

在没有参数的情况下，xinit 默认会寻找 /etc/X11/xinit/xinitrc 和 /etc/X11/xinit/xserverrc 这两个配置文件来初始化。

总之，xinit 的任务是来启动 X Server和X Client，而启动的参数由 startx 来寻找。

X Server的启动文件

X server 启动的脚本与参数是通过 /etc/X11/xinit/xserverrc 文件来启动的。不过如果你的系统中没有该文件，并且家目录下也没有 ~/.serverrc 的时候，系统默认会去运行 /usr/bin/X 这个指令。这也是 X server最原始的启动方式。

运行 X Server时，较早版本的系统 Xorg会去读取 /etc/X11/xorg.conf 这个配置文件，从CentOS 6以后，X Server在每次启动的时候会自动检测系统上面的显卡芯片、屏幕类型等等，然后自行搭配最佳的驱动程序，因此，/etc/X11/xorg.conf 这个文件已经不再被需要了。当然，你可以自己新建这个文件，一旦X Server检测到有这个文件存在，将会优先按照这个文件的配置来执行。

如果只是想要修改部分设置，并不是每个组件都要自行设置的话，可以在 /etc/X11/xorg.conf.d 目录下新建以 .conf 结尾的文件，将需要的额外项目加进去即可。

如果想要知道X Server具体用的什么设置，可以通过查看 /var/log/Xorg.0.log 日志来获取。

X Client 的启动文件

如果家目录下没有 ~/.xinitrc，此时 X Client会默认把 /etc/X11/xinit/xinitrc 作为启动脚本。

在我的 CentOS7.9上，/etc/X11/xinit/xinitrc 的内容如下：

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#!/bin/sh
# Copyright (C) 1999 - 2005 Red Hat, Inc. All rights reserved. This
# copyrighted material is made available to anyone wishing to use, modify,
# copy, or redistribute it subject to the terms and conditions of the
# GNU General Public License version 2.
#
# You should have received a copy of the GNU General Public License
# along with this program; if not, write to the Free Software
# Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
#
# Authors:
#	Mike A. Harris <mharris@redhat.com>

# Mandatorily source xinitrc-common, which is common code shared between the
# Xsession and xinitrc scripts which has been factored out to avoid duplication
. /etc/X11/xinit/xinitrc-common

# The user may have their own clients they want to run.  If they don't,
# fall back to system defaults.
if [ -f $HOME/.Xclients ]; then
    exec $CK_XINIT_SESSION $SSH_AGENT $HOME/.Xclients || \
    exec $CK_XINIT_SESSION $SSH_AGENT $HOME/.Xclients
elif [ -f /etc/X11/xinit/Xclients ]; then
    exec $CK_XINIT_SESSION $SSH_AGENT /etc/X11/xinit/Xclients || \
    exec $CK_XINIT_SESSION $SSH_AGENT /etc/X11/xinit/Xclients
else
    # Failsafe settings.  Although we should never get here
    # (we provide fallbacks in Xclients as well) it can't hurt.
    [ -x /usr/bin/xsetroot ] && /usr/bin/xsetroot -solid '#222E45'
    [ -x /usr/bin/xclock ] && /usr/bin/xclock -geometry 100x100-5+5 &
    [ -x /usr/bin/xterm ] && xterm -geometry 80x50-50+150 &
    [ -x /usr/bin/twm ] && /usr/bin/twm
fi

这个文件会将很多其他的文件参数引进来，包括 /etc/X11/xinit/xinitrc-common 与 /etc/X11/xinit/Xclients 等。

不过分析到最后，X client 最终是要去加载 GNOME 或者 KDE 等桌面环境而已。

关于X 和 Wayland

该部分有时间了再写

实验

多用户模式 muti-user.target

说了这么多理论，接下来我们通过几个实验来检测一下上面的理论。

测试的环境是在 CentOS 7.9 上面进行的：CentOS Linux release 7.9.2009 (Core)。我这个环境安装的时候已经装起 GNOME 了，我们要在字符界面开始，因此首先要干掉 GNOME 或者开机的时候不启动它。

配置字符界面的方式可通过 cat /etc/inittab 来查看。

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# inittab is no longer used when using systemd.
#
# ADDING CONFIGURATION HERE WILL HAVE NO EFFECT ON YOUR SYSTEM.
#
# Ctrl-Alt-Delete is handled by /usr/lib/systemd/system/ctrl-alt-del.target
#
# systemd uses 'targets' instead of runlevels. By default, there are two main targets:
#
# multi-user.target: analogous to runlevel 3
# graphical.target: analogous to runlevel 5
#
# To view current default target, run:
# systemctl get-default
#
# To set a default target, run:
# systemctl set-default TARGET.target
#

可以通过 systemctl get-default 来查看现在的 target。关于target,参考 Systemd中的 target 是什么？有什么用？如何使用？ 这篇文章中也有关于 systemd 和 systemctl 的相关链接，不了解的来这里补补知识。

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[lsn@localhost sysconfig]$ systemctl get-default 
graphical.target

可以看到现在是图形用户界面模式，我们需要将其改为多用户模式，只需要 systemctl set-default multi-user.target 即可。

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[lsn@localhost sysconfig]$ systemctl set-default multi-user.target
Removed symlink /etc/systemd/system/default.target.
Created symlink from /etc/systemd/system/default.target to /usr/lib/systemd/system/multi-user.target.

当然如果你安装的时候选择的是最小化安装（Minimal Installation），就没有上述的步骤，但是该安装需要自己手动安装一下 X。

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sudo yum group install "X Window System"
# 为了方便测试，还需要安装 xorg-x11-apps
sudo yum install xorg-x11-apps

tty 与 X 端口

本部分参考 如何在 Linux 中不使用功能键在 TTY 之间切换。

linux 默认有 7 个 tty，从 tty1～tty7。在字符界面下，要查看当前所在的 tty,只需要输入 tty 即可。

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[lsn@localhost ~]$ tty
/dev/tty1

除了按快捷键 CTRL+ALT+F2 切换到 tty2 外，还可以用命令 chvt 2 切换。

要查看活动的虚拟控制台总数，运行

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[lsn@localhost ~]$ fgconsole
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要移除未使用的虚拟终端，只需要输入

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[lsn@localhost ~]$ deallocvt

想要开启 X Server，只需要在 tty 中输入 X :0 即可，这个 :0 参数用来指定启动的接口，其中，X :0 会在 tty2 中开启，:0 对应 tty2,:1 对应 tty3,以此类推。

由于 X 是可以进行网络通信的，X Server默认会将 6000端口用作网络监听。hostname:0 对应 6000,hostname:1对应6001,以此类推。

X 启动流程测试

当在 tty 中输入 X :0 &后，X Server 会在 tty2 中启动，系统也会跳转到 tty2 中，但此时的 tty2 中是一片乌黑，因为此时虽然 X Server 启动了，但是并没有任何的 X Client 启动，一个 GUI 也没有。

我们需要通过按 CTRL+ALT+F1 切换到 tty1 中。

随后我们在 tty1 中输入 xclock -display :0 &，然后再按 CTRL+ALT+F2 切换到 tty2 中，此时就会发现：

前面说过了，X Window System 是 C/S 架构的，X Client 和 X Server 可以通过网络通信。我们接下来做一个测试，再打开一个虚拟机，两个虚拟机的 ip 如下图所示：

那么此时有趣的事情来了，这里参考 快速理解 X server, DISPLAY 与 X11 Forwarding，如何让 X Server 和 X Client 分别处于不同的机器上运行呢？

这里，运行 X Server 的虚拟机的 ip 是 192.168.61.130，运行 X Client 的虚拟机的 ip 是 192.168.61.129。如果我在 192.168.61.129 上运行 xeyes，但是让它在 192.168.61.130 上显示，该怎么做呢？很简单，在 192.168.61.129 中引入一个环境变量 export DISPLAY=192.168.61.130:0.0 就可以了！

那么这样做有什么用呢？或者说这样做的使用场景是什么呢？ 想象一下，假如我现在需要训练一个神经网络模型，我的服务器性能非常强悍，是一个有着 20 块 A100 的集群。由于我用 PyCharm 用习惯了，但是服务器是又没有装桌面环境的，这个时候，我就可以在我的笔记本电脑中跑一个 X Server 服务，在服务器上跑 PyCharm，但是显示在我的笔记本电脑上。我直接像使用本地的 PyCharm 一样写代码、调试、运行，但是用的却是服务器上的 GPU 资源！

那么问题又来了，怎样在 Windows 的电脑上显示远程机器的 GUI 呢？点开上面的参考连接吧，里面有个 X11 Forwarding 正是你需要的，除此之外，有个开源软件叫 MobaXterm，将 X11 Forwarding 集成了，更方便使用，参考 远程显示(操作) 服务器 GUI 程序(图形化界面) (基于 X11 Forwarding + Centos + MobaXterm)。下图是一个我在做测试时的例子，good luck for you!

桌面环境

窗口管理器（Window Manger）

窗口管理器（Window Manger, WM）是为了实现一个屏幕上显示多个X程序，实现调整程序的大小，标题栏、最小化、最大化、关闭按钮等这些功能。如果没有 DM，那么一次只能运行一个 GUI 应用，而且分辨率是锁死的，显然不符合用户的使用习惯（当然一些特定的需求除外，后面还会提到）。

显示管理器（Display Manger）

显示管理器（Display Manger, DM）又叫登录管理器，用于开机后显示登录界面，并启动窗口管理器等X组件。没有显示管理器，Linux 开机后会直接显示命令行登录界面。

桌面环境（Desktop Environment）

把 WM、DM 以及文件管理器及其它应用，主题，图形库，通用的组件，进程间通信用的 Dbus 等等打包起来，就形成当今 Linux 下的桌面环境（Destop Environment）。

下表列出了一些常见的DE及其自带的 DM和WM：

桌面环境 显示（登录）管理器 窗口管理器
GNOME GDM gnome-wm
KDE KDM,SDDM Kwin
XFCE —— XFWM
LXDE LXDM Openbox

还有国内的 Deepin 操作系统的系统桌面环境叫 DDE。

除了上面列出的，还有很多的 DM 和 WM。例如，常见的 DM 还有：LightDM，SDDM，XDM 等；常见的 WM 还有：DWM，i3WM，awesome，xmonad 等等。

需要指出的是，不一定非要使用桌面环境自带的显示管理器来加载桌面环境，比如 GNOME，也可以使用 LightDM 来加载桌面环境。

操作系统如何把桌面环境加载起来？

通过 xinit

上文提到，xinit 可以启动 X Server 和 X Client，那么很自然的想法就是通过执行 startx 来调用 xinit 运行 X Server，然后通过 X Client 配置文件 xinitrc，在配置文件中启用窗口管理器。如果你用过 archlinux 的话， 一定对 DWM 等平铺式窗口管理器印象深刻吧哈哈哈。我当时配置 DWM 的时候还不懂为什么要用 startx，在 .xinitrc 里写 exec dwm，现在看来豁然开朗。

既然 GNOME 也是一种 X Client，那肯定也可以通过 .xinitrc 来启动。（//TODO 空了再来做启动的实验好了）

通过显示管理器

通过上文，我们可以梳理出一个大致的脉络：计算机上电，boot 引导操作系统，加载操作系统内核，通过 systemctl 来启动显示管理器服务， 由显示管理器将前端（窗口管理器和桌面环境）加载起来。

你可以使用命令 cat /etc/X11/default-display-manager 来查看当前系统使用的显示管理器，可以使用sudo dpkg-reconfigure gdm3 来切换系统的显示管理器。（//FIXME 如何知道系统现在有哪些显示管理器呢？）

本文以 SDDM 和 LightDM 为例，展示显示管理器是如何加载桌面环境的。

这部分内容参考 ubuntu下图形程序自启动的几种方法

大多数显示管理器会从 /usr/share/xsessions/（对于 Wayland 来说该路径为 /usr/share/wayland-sessions） 下面读取可用的 .desktop 文件。在安装各种窗口管理器时会在该目录下生成对应的 .desktop 文件。比如安装 ubuntu （ubuntu 应该是从 18.04 版本开始将默认的桌面环境换成了 GNOME）时，在 /usr/share/xsessions/ 下生成了 ubuntu.desktop，内容如下：

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[Desktop Entry]
Name=Ubuntu
Comment=This session logs you into Ubuntu
Exec=env GNOME_SHELL_SESSION_MODE=ubuntu /usr/bin/gnome-session --session=ubuntu
TryExec=/usr/bin/gnome-shell
Type=Application
DesktopNames=ubuntu:GNOME
X-GDM-SessionRegisters=true
X-Ubuntu-Gettext-Domain=gnome-session-42

由于我的系统安装了两个桌面环境：GNOME 和 KDE，因此该路径下面还有 gnome-classic.desktop、gnome-classic-xorg.desktop、plasma.desktop。

这些 ubuntu.desktop 与 linux 下其他的“快捷方式”并没有什么不同。

显示管理器实现自动登录的功能

如果我们想开机后不输入密码直接进入桌面环境，即让显示管理器自动登录，可以这么做。

对于 SSDM，需要新建 /etc/sddm.conf.d 路径并在该路径下新建 autologin.conf 文件，内容如下：

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[Autologin]
User=lsn
Session=plasma

其中的 User 即需要自动登录的用户名，Session 对应着 /usr/share/xsessions/plasma.desktop。

SDDM 会通过加载该文件来覆盖本身的默认行为。

对于 LightDM 来说类似，新建 /etc/lightdm/lightdm.conf ：

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[Seat：*]
autologin-user=lsn
autologin-session=plasma

因此，如果我们想实现窗口管理器登录后不去加载桌面环境，只是执行一个特定的GUI 应用，只需要将上面 autologin.conf 中的 Session=plasma 改成 Session=your_gui 即可（前提是在 /usr/share/xsessions/ 下有 your_gui.desktop 文件）。