Оконная система X как базовое средство графических интерфейсов в среде ОС UNIX

Понятно, что для нормальной организации работы пользовательских программ с графическими терминалами (если учитывать отмеченные выше стандартные требования к графическому интерфейсу) требуется наличие некоторого базового слоя программного обеспечения, скрывающего аппаратные особенности терминала; обеспечивающего создание окон на экране терминала, управление этими окнами и работу с ними со стороны пользовательской программы; дающего возможность пользовательской программе реагировать на события, происходящие в соответствующем окне (ввод с клавиатуры, движение курсора, нажатие клавиш мыши и т.д.). Такой базовый слой графического программного обеспечения принято называть оконной системой.

В мире ОС UNIX предпринималось несколько попыток создания оконных систем, и большинство из них успешно использовалось практически (упомянем, например, оконную систему NeWS компании Sun Microsystems, интерфейс которой основывался на использовании языка Postscript). Однако ни одна из этих систем не выходила за пределы ведомственного использования, что, естественно, резко ограничивало мобильность программ, обладающих графическим интерфейсом. Успеха удалось добиться группе молодых исследователей и программистов из Масачусетского технологического института, которые создали оконную систему под кратким и предельно скромным названием X (кстати, именно так правильно называть систему; по-английски ее грамотно называют не X-Window, а X window system, т.е. "оконная система X"). В настоящее время оконная система X является фактическим стандартом опорных средств графического интерфейса. Система X, дополнительные библиотеки, а также ряд готовых интерфейсных средств распространяются MIT бесплатно (относясь к категории public domain). В то же время сегодня именно оконная система X является базовым механизмом организации графических интерфейсов пользователя в большинстве UNIX-систем.

Общая организация X-Window
Как кажется, оконная система X победила потому, что организация системы очень точно соответствует общей идеологии ОС UNIX. UNIX - это традиционно сетевая операционная система. Девиз Билла Джоя и всей компании Sun Microsystems "The Network is the Computer - Сеть - это компьютер" - в полной мере относится к направлению ОС UNIX в целом. Популярная ныне архитектура организации программно-аппаратных средств "клиент-сервер" всегда была совершенно естественной в мире UNIX. Специализация и разделение функций в сети - это и значит, что для пользователя компьютер и сеть неразличимы.

На этих идеях построена и оконная система X. Поскольку ОС UNIX является интерактивной операционной системой, то каждый работающий в системе пользователь взаимодействует с системой через предоставленный ему терминал (скорее всего, рабочую станцию) и, вообще говоря, вызывает программы, которые будут выполняться на других компьютерах локальной или территориально распределенной сети. Именно эти программы обеспечивают интерфейс с данным пользователем, т.е. они должны иметь возможность работать с терминалом пользователя вне зависимости от того, где они выполняются. Более того, чтобы возможности графического интерфейса этих программ удовлетворяли общим требованиям, нужно, чтобы программы могли не заботиться о таких деталях, как многооконная организация экрана, текущее расположение окон, управление мышью и т.д.

Оконная система X предоставляет в точности требуемые возможности. На стороне пользовательского терминала находится сервер системы X, обеспечивающий единообразное управление графическим терминалом вне зависимости от его специфических аппаратных характеристик. В других компьютерах сети (которые, фактически, являются серверами с точки зрения организации вычислительного процесса) установлены клиентские части системы X, создающие впечатление у выполняемой программы, что она взаимодействует с локальным терминалом, а на самом деле поддерживающие точно специфицированный протокол взаимодействий с сервером системы X.

Клиентская и серверная части
Как видно из материала предыдущего пункта, клиентская и серверная части оконной системы X, хотя в целом соответствуют идеологии архитектуры "клиент-сервер", обладают тем своеобразием, что серверная часть системы находится вблизи пользователя (т.е. основного клиента вычислительной сети), а клиентская часть системы базируется на мощных серверах сети. Конечно, система X обладает достаточной гибкостью, чтобы допустить расположение серверной и клиентской частей системы в одном компьютере, в разных компьютерах одной локальной сети и удаленных компьютерах, входящих в состав территориально распределенной сети. В зависимости от конфигурации системы X-сервер может обслуживать один или несколько графических экранов, клавиатуру и мышь, реально представляя собой процесс, группу процессов или выделенное компьютерное устройство (X-терминал).

Для обеспечения требуемой гибкости, взаимодействия клиентской и пользовательской частей системы X по мере возможностей не должны были зависеть от используемых сетевой среды передачи данных и сетевых протоколов. Конечно, полная независимость - это теоретически недостижимая цель (всегда и везде), но что касается системы X, то она действительно умеет работать в большинстве распространенных сетевых сред (в том числе, естественно, в стандартных для ОС UNIX сетях, основанных на семействе протоколов TCP/IP).

Основой взаимодействия между клиентом и сервером оконной системы X является так называемый X-протокол, представляющий собой точную спецификацию допустимых запросов от клиента к серверу и допустимых ответов сервера к клиенту. Как указывается в документации оконной системы X, Х-протокол обладает следующими особо привлекательными качествами:

При использовании этого протокола обработка взаимодействий клиента и сервера ведется единообразно, независимо от того, основана она на внутренних механизмах IPC или на реальных сетевых обменах; это позволяет добиться прозрачности сетевой среды как с точки зрения конечного пользователя, так и с точки зрения разработчика прикладных программ.
За счет наличия строгой и не зависящей от окружения спецификации X-протокол может быть реализован на различных языках в различных операционных средах.
X-протокол может быть реализован на основе любого надежно поддерживаемого потока байтов (обеспечиваемого внутренними механизмами IPC или внешними сетевыми механизмами); многие из пригодных механизмов являются стандартными и реализованы в большинстве архитектур.
Для большинства (хотя и не для всех) приложений X-протокол не порождает существенных задержек при работе с графическими терминалами. Обычно задержки вызываются скорее временными потребностями самих терминалов, а не расходами на протокольные взаимодействия клиента и сервера.
Одним из клиентов оконной системы обычно является так называемый "оконный менеджер" (window manager). Это специально выделенный клиент оконной системы, обладающий полномочиями на управление расположением окон на экране терминала. Некоторые из возможностей X-протокола (связанные, например, с перемещением окон) доступны только клиентам с полномочиями оконного менеджера. Во всем остальном оконный менеджер является обычным клиентом.

Базовые библиотеки
Понятно, что теоретически любая прикладная программа, которой требуется взаимодействовать с X-сервером, могла бы работать с ним, обмениваясь сообщениями в соответствии с X-протоколом. Однако, конечно же, это неудобно. Для выполнения любого, самого простого действия с терминалом клиенту требуется обменяться несколькими сообщениями с X-сервером, причем для наиболее распространенных действий последовательность таких сообщений предопределена.

Библиотека Си-функций, которая поставляется вместе с оконной системой X и облегчает взаимодействие Си-программы с X-сервером в соответствии с X-протоколом, называется XLib. Сам X-протокол достаточно компактен, поскольку в нем специфицированы мелкие сообщения, которые, как правило, можно реально использовать только в некоторых комбинациях. XLib - это уже довольно большая библиотека (в документации системы X ее описание занимает отдельный солидный том). Это потому, что каждая функция библиотеки XLib основана на использовании нескольких протокольных сообщений (а после этого общее количество функций XLib определяется законами комбинаторики). Вместе с тем, XLib - это всего-навсего интерфейсная библиотека над X-протоколом. Если не подниматься над уровнем XLib, то для создания любого графического объекта или сценария графического протокола в каждой прикладной программе придется повторять примерно одни и те же последовательности вызовов функций XLib.

Уровнем, который позволяет использовать ранее созданные графические образы и/или заготовки интерфейсов, является библиотека Xt (X Toolkit) Intrinsics. Эта библиотека служит для создания и использования уже существующих элементов пользовательского интерфейса, называемых виджетами (widgets). Виджет - это параметризуемая заготовка части пользовательского интерфейса (кнопка, часть меню, пиктограмма и т.д.), привязываемая к окну экрана терминала. Библиотека Xt Intrinsics выполнена в объектно-ориентированном стиле, так что каждый виджет представляет собой класс, который может использоваться для порождения новых классов, представляющих собой комбинированные виджеты и т.д.

По своим идеям Xt Intrinsics является мощным средством разработки пользовательских графических интерфейсов. Однако эта библиотека разрабатывалась в MIT и в основном являлась исследовательским прототипом. Хотя несколько компаний представили в public domain собственные наборы виджетов, их общее количество оказывается недостаточным для быстрого и качественного производства графических пользовательских интерфейсов. Это позволило занять лидирующее положение на коммерческом рынке инструментальному пакету консорциума Open Software Foundation (OSF) Motif.

Далее

Обновлено: 12.03.2015