前言

在 Linux 系统上，图形化视窗系统通常是 X Window System，简称 X11 或 X。

规范

1984 年 MIT 大学创造了 X 规范，就类似 TCP/IP 协议栈一样。是UNIX 系统构建图形化视窗系统的设计方案，准确名称叫“X Window System”。

X 规范在 1987 年形成了第 11 版（Version 11），1994 年发布第 11 版的第 6 次发行（Release 6），确切版本名即为“X11 R 6”，后来成为 UNIX 上图形视窗系统标准规范，也简称“X11”或者“X”，目前最新版本是 2012 年发布的“X11R7.7”。

“X11”采用了 C/S 的架构，在其设计下，整个图形视窗系统主要分为 3 个部分：

• X Server（X 服务器）。X Server 一方面负责和设备驱动交互，监听显示器和键盘鼠标，另一方面响应 X Client 需求传递键盘、鼠标事件、（通过设备驱动）绘制图形文字等。注意，X Server 运行在本地。
• X Client（X 客户端）。X Client 也叫 X 应用程序，负责实现程序逻辑，在收到设备事件后计算出绘图数据，由于本身没有绘制能力，只能向 X Server 发送绘制请求和绘图数据，告诉 X Server 在哪里绘制一个什么样的图形。X Client 可以和 X Server 在同一个主机上，也可以通过 TCP/IP 网络连接。
• Window Manager（窗口管理器，简称 WM），或者叫合成器（Compositor）。多个 X Client 向 X Server 发送绘制请求时，各 X Client 程序并不知道彼此的存在，绘制图形出现重叠、颜色干扰等问题是大概率事件，这就需要一个管理者统一协调，即 Window Manager，它掌管各 X Client 的 Window（窗口）视觉外观，如形状、排列、移动、重叠渲染等。注意，Window Manager 并非 X Server 的一部分，而是一个特殊的 X Client 程序。

3 个部分， X Server 是整个 X Window System 的中心，协调 X 客户端和窗口管理器的通信。

“X11”充分遵循 UNIX 设计哲学，尽可能简单，除非必要绝不新增功能，其实也意味着粗糙、原始；提供机制而非具体策略，如菜单、按钮等元素细节并不做规定，交给窗口管理器、客户端程序等自主实现，于是不同的实现风格各异。任何遵循了 X11 规范的客户端程序和服务器程序配合起来，即可正常运行，X11 得益其开放性，迅速发展，成为 UNIX 系统的事实标准。

假定多个 X 客户端程序及窗口管理器在主机 A 上，某个 X Server（如下文 X.Org Server）运行在主机 B 上，程序运行过程可简化如下过程。

1. 某个 X 客户端进程启动，向主机 B 发送连接请求，目标地址可通过命令行或配置文件指定，如果给定的地址已有 X Server 正在监听端口，则进行下一步；
2. 主机 B 上的 X Server 返回一个连接正确响应，X Server 也可以配置接受或拒绝某些地址的请求；
3. X 客户端向 X Server 发送渲染请求及窗口界面数据；
4. X Server 一方面将窗口界面数据交给显示驱动计算渲染缓冲，另一方面综合各个 X 客户端的渲染请求，计算更新区域，但它并不知道如何将多个窗口“合成到一起”，于是将更新区域事件发给窗口管理器；
5. 窗口管理器了解到需要在屏幕上重新合成一块区域，再向 X Server 发送整个屏幕的绘制请求和数据；
6. X Server 将绘图数据交给显示驱动计算所有渲染缓冲，并最终绘制图形；
7. 运行过程中，X Server 可能收到主机 B 上的鼠标、键盘事件，经计算后，X Server 决定发给哪个 X 客户端（即获得焦点）；
8. X 客户端收到鼠标、键盘事件后，回调事件处理，并计算界面该如何更新；
9. 循环第 3~8，直至 X 客户端收到关闭事件，进程终止、连接断开。

以上过程，主机 A 和 B 的 CPU 架构、操作系统可能都不相同，若 A 和 B 是同一个主机，就相当于在本地绘图、显示了。

XFree 86 和X.Org 等实现

X11 只是规范，并不是代码实现。

1992 年，XFree86 项目顺利开展，作为 X Window System 的一个早期开源实现，兼容 IBM PC 机（XFree86 中 86 的含义），得到广泛应用，项目地址 http://www.xfree86.org。至 2004 年，由于项目内部争论和许可证分歧，XFree86 从 GPL 协议改为 XFree 86 License 发布，项目从开放走向封闭。

2004 年，X.Org 基金会成立，开始领导 X 项目，不仅推动 X 规范本身发展，还在 XFree86 4.4 RC 2 版基础上开发了 X 规范的另一个实现—— X.Org Server，原来 XFree86 上很多开发者也转向了 X.Org Server，由于更加开放而被多数 GNU/Linux 发行版使用，项目官网 https://www.x.org，源代码库地址 http://cgit.freedesktop.org/xorg/xserver，2019年发布的稳定版为1.20.5。

• 在 X Client 方面，X.Org Server 实现了 2 个开发库，Xlib 和 XCB，便于开发者编写 X 应用程序。
• 在 X Server 方面，X.Org Server 实现了“X Window System”核心规范及多个扩展组件。
• 在 Window Manager 方面，X.Org Server 继承 XFree86 项目的 twm。
• 其他，实现了一个 X Display Manager（X 显示管理器）—— xdm。通常透过字符终端登录 Linux 主机时，用户仅能获得字符环境，而 X 显示管理器实现 XDMCP 规范（X Display Manager Control Protocol），为多用户提供图形登录、会话管理服务，允许用户登录时自主选择使用哪个 Window Manager 等。

除上 X Server，X11 系统客户端、窗口管理器也有着很多种实现。

• 客户端。Xlib 及其替代者 XCB 开发库过于靠近底层，于是就出现了进一步封装、抽象级别更高的 GUI 库，如 QT、GTK 等，比方说前者提供绘制点线面的方法，后者提供绘制按钮、滚动条、下拉菜单等控件的方法，更高层次的抽象对于简化开发工作的重要性不言而喻。在众多 X 客户端程序中，有一个比较著名—— xterm，它是基于 X 的终端模拟器，兼容 VT 102，也是 X 研发初期所计划的少数客户端程序之一。GNU/Linux 发行版中设备/dev/tty 1tty 6 对应着 6 个全屏纯字符的终端模拟器，通过 Ctrl-Alt-F 1F 6 切换，显示能力有限；如果运行到图形环境（通过 Ctrl-Alt-F 7 切换），一般都集成了 xterm，可配置的特性十分丰富，其他的诸如 Gnome Terminal、Konsole、xfce-term 等终端模拟器，或基于 xterm，或参考 xterm，增加了更多高级功能，如 tab 标签页、图片显示等。
• 窗口管理器。常见如 Metacity、Mutter、KWin、 vtwm、Xfwm、Compiz 等，功能、风格各异，有的注重简洁高效，有的注重外观酷炫。
• 服务器。X.Org Server 占绝对统治地位，但也有其他衍生变种或移植，如 XQuartz 以及 Cygwin/X、Xming、WeirdX，它们所支持的系统平台、底层库也都不一样。

需注意的是，X Window System 诞生比 Linux 早，也不是 UNIX 或 Linux 内核的一部分，而是用户态的软件组件，用户在系统上可以选择启用或禁用 X。

桌面环境

X Window System 各个部分都有着多种实现，X 规范本身特别偏底层，加之 GNU/Linux 自由开放的特点，有不少项目在 X 规范基础之上进一步封装，并把上述各组件、图标、主题、及其他特色组件打包在一起，形成开箱即用的桌面环境（Desktop Environment），常见如 Gnome、KDE、Unity、XFCE、LXDE 等，不一一列举，每种桌面环境都有不少用户群体，所支持的系统平台、底层库也各不一样。

应用场景

X11 规范的模块化设计，最大的好处是 X Client 和 X Server 相互独立，并不需要了解彼此所处的硬件、软件环境。常见的 X 应用程序诸如 xterm、输入法、Web浏览器、Office套件 等等，部署在一台 Linux 主机上，如果这个主机也同时部署了 X Server，那么运行这些 X 应用程序毫无障碍，这是作为桌面计算机的常见应用场景。

另一种应用场景，Linux 主机通常作为服务器使用，未配备比较好的图形显卡等硬件，也没有必要部署 X Server，从终端登录到 Linux 主机也仅有字符界面，那 X 应用程序该如何运行呢？可以在图形显卡等硬件设备比较好的 Windows/Mac 主机上部署 X Server，保持与 Linux 主机网络连通，在 Linux 主机上写好配置文件，配置好 X Server 地址和 X11 请求转发（X11 Forwarding），从任意一个终端登录到 Linux 主机并启动 X 客户端应用程序，就可以使程序的图形界面显示在 Windows/Mac 主机上，并与用户交互。事实上，在 1990 年代初期，就有这样的硬件设备，称为“X 终端机（X terminal）”，专门部署 X Server，将远端 UNIX 主机上的图形界面程序显示出来，这也正是 MIT 研发 X 的初衷之一。

从场景描述看出，与常规 Client/Server 所不同的是，通常 X Server 部署在本地用户主机上，监听、调控本地用户主机的硬件设备，而 X Client 可能部署在远端服务器/嵌入式设备上，也可能在本地。

X 的竞争对手

一方面，X 工作在用户空间，X 客户端程序不能直接访问显示驱动、X Server 与 X 客户端及窗口管理器之间繁琐的通信流程，拉低了绘图效率；另一方面，通过扩展、补丁手段允许在本地直接访问显示驱动，又造成稳定性问题。总之，X 的设计随着新技术发展而显得臃肿、过度复杂，背负了沉重的历史包袱。

Wayland

2010 年 Wayland 加入了 Freedesktop. org 项目，项目官网为 https://wayland.freedesktop.org，代码开源地址 https://cgit.freedesktop.org/wayland/wayland。

Wayland 是一个新的图形窗口系统方案，一套旨在取代 X 的新规范。与 X 最大的不同是，Wayland将 X 中的 Server 和窗口管理器整合到一起作为服务端，称为合成器（Compositor），架构上只分了客户端和合成器两大部件，有没有觉得终于看着舒服了一些。

• 客户端（Wayland Client），直接计算各自界面的渲染缓冲数据，客户端程序需要和渲染库（如 OpenGL）链接。
• 合成器（Wayland Compositor），汇总所有客户端的渲染数据，实现各界面窗口“合成”，最后交给显示驱动绘图。 Wayland 项目提供了两套底层库 libwayland-server 和 libwayland-client，简化图形程序开发，还给了一个 Compositor 参考实现——Weston。

假定多个 Wayland 客户端程序在主机 A 上，某个 Wayland Compositor（如 Weston）运行在主机 B 上。

1. 某个客户端进程启动，向主机 B 发送连接请求，目标地址可通过命令行或配置文件指定，如果给定的地址已有 Compositor 正在监听端口，则进行下一步；
2. 主机 B 上的 Compositor 返回一个连接正确响应，Compositor 也可以配置接受或拒绝某些地址的请求；
3. 客户端自行生成 UI 界面和渲染缓冲，不需要向 Compositor 发送绘制请求，但需要发送更新区域事件，告知渲染缓冲中更新了哪些内容；
4. Compositor 综合各客户端的区域更新事件，重新合成整个屏幕，并交给显示驱动绘制图形；
5. 运行过程中，Compositor 可能收到主机 B 上的鼠标、键盘事件，经计算后，Compositor 决定发给哪个客户端（即获得焦点）；
6. 客户端收到鼠标、键盘事件后，回调事件处理；
7. 循环第 3~6，直至客户端收到关闭事件，进程终止、连接断开。

Wayland 适用于桌面设备，也适用于移动设备，原来基于 X 的 GUI 库、桌面环境很快适配了对 Wayland 的支持，如 Qt、Gnome、KDE、Compiz 等，Ubuntu 更是早在 2010 年就将 Unity 切换到适配 Wayland。Wayland 依赖了较多 Linux 内核技术，不易移植到其他系统平台。

XWayland

Wayland 开发者在 X.Org Server 基础上打上系列补丁，称为 XWayland，目的是在 Wayland 规范之上搞成新的 X Server，在 Wayland 环境中运行 X 客户端程序时，Wayland 合成器（如 Weston）调用 XWayland 进行服务，以便在过渡到 Wayland 过程中保持对 X 的兼容性。

总结

尽管有这样那样的问题，X 仍然是 GNU/Linux、UNIX 上的主力，Wayland 作为强有力的竞争对手，在远程桌面方面亦存在问题，重度依赖 Linux 内核技术不易移植到其他系统平台。在微软的 WSL 崛起之时，X 的优势倒可以尽情发挥出来。

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