深度探索Linux操作系统 —— 构建根文件系统

系列文章目录

深度探索Linux操作系统 —— 编译过程分析
深度探索Linux操作系统 —— 构建工具链
深度探索Linux操作系统 —— 构建内核
深度探索Linux操作系统 —— 构建initramfs
深度探索Linux操作系统 —— 从内核空间到用户空间
深度探索Linux操作系统 —— 构建根文件系统

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前言

? ? 在第 3 章中，我们通过手工的方式展示了从零构建根文件系统的过程。在本章中，我们将构建一个相对完善的根文件系统，但是我们不再从零开始，毕竟一旦熟悉了原理后，余下的就是简单的重复了。第 2 章编译工具链时曾通过参数 “–with-sysroot” 指定了目标系统的文件安装的目录，后续所有的为目标系统编译的文件全部安装到了这个目录下。因此，在本章中，我们就基于这个目录下的文件构建运行在真实系统上的根文件系统。

? ? 为了更高效地开发调试，我们首先打通了目标系统的网络，建立了宿主系统与目标系统的桥梁，包括配置内核支持网络协议以及网卡驱动，并安装了用户空间的网络配置工具。如此，我们就可以远程登录到目标系统上进行调试，并且可以动态更新文件（除内核和 initramfs 外）而不必再每次都重启系统。

? ? 几乎所有的现代操作系统都提供图形用户界面，Linux 也不例外。麻省理工的开发者们为 UNIX 系统开发了 X 窗口系统（X Window System，简称 X 或者 X11）作为图形环境。除了 X 外，另外一个需要关注的图形环境是 Wayland 。虽然 Wayland 的目标是替代 X ，并且开源社区也支持 Wayland 向着这个方向发展，但是 Wayland 距广泛使用还有一段路要走。因此，在本章中，我们依然以目前广泛使用的 X 构建基础的图形环境，并安装了 GTK 作为更上层的图形库。事实上，Wayland 更像是 X 的一次整合或者重构，在第 8 章探讨 Linux 的图形原理时，我们会拿出一点篇幅讨论 Wayland ，在那里我们会看到，Wayland 和 X 之间并无本质区别。

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一、初始根文件系统

? ? 因为我们使用的是 vita 用户进行编译过程，所以 $SYSROOT 目录下的所有文件的属主和属组都是 vita ，如果对安全问题有顾虑，在最终将其作为根文件系统时，可以将该目录下的所有文件，包括目录的属主和属组，更改为 root 。

? ? 另外，为简单起见，我们也没有考虑文件系统的大小。如果是为一个真实的系统制作根文件系统，那么可以考虑进行一些优化，比如对二进制文件和动态库使用命令 strip 删除一些运行时不需要的信息和符号表等；删除那些只是在编译时使用的头文件和静态库；等等。

? ? 上面讨论的都不是必须的，如果仅作为一个用于测试的系统，完全可以不必理会，下面是必须要做的几件事。

（1）安装GCC库

? ? 在前面编译 GCC 时，我们已经看到，GCC 也将部分底层函数封装到库中，很多程序会使用 GCC 的这些库，因此，我们也将这部分程序安装到根文件系统中。我们只安装运行时使用的动态库及对应的运行时符号链接，当然，系统中并不一定会用到全部这些库，但是简单起见，这里全部安装了：

（2）建立相关目录

? ? 在前面讨论从 initramfs 切换到根文件系统时，我们看到，切换程序将最初挂载到文件系统 rootfs 中的 /dev、/run、/proc 和 /sys 目录移动到真正的根文件系统，因此，我们需要在根文件系统上建立这几个目录。另外我们也为 root 用户建立一个属主 root 目录：

（3）构建程序 /sbin/init

? ? 在内核初始化的最后，启动的第一个进程要装载用户空间的程序从而切入用户空间，通常这个程序是 /sbin 目录下的 init，因此我们要准备这个程序。为简单起见，我们也使用 shell 脚本编写：

? ? init 启动了一个交互式的 shell 。其中传递的参数 “-l” 是告诉 bash 以登录方式启动，这样可以使 bash 读取在 /etc/profile、~/.profile 等文件中定义的环境变量。同时要确保 init 程序具有可执行权限：

? ? 为了让 shell 提示符看上去友好一些，更重要的是为了后面当从宿主系统远程登录到 vita 系统时，方便区分本地终端和登录到 vita 的终端，我们在全局范围的 profile 文件中定义了环境变量 PS1 来控制 shell 提示符的显示内容和风格：

? ? 其中，“\u” 告诉 shell 显示当前用户名；“\w” 告诉shell显示完整的工作路径；我们将主机名直接硬编码为 vita，为了便于区分是本地的终端还是登入 vita 的终端；接下来我们给提示符加一点漂亮的颜色，“\e[” 与 “m” 之间的内容表示颜色值，在它们之外包围的 “[” 与 “]” 是保证其内的非打印字符，不占用任何空间。颜色设置的格式为 “[\e[F;B;Cm]” ，其中 F是前景色，B 是背景色，C 是一些表示特殊效果的代码，如下划线、闪烁等。

? ? 具体到我们这个例子，其中 31 表示红色，因此，“用户名@vita” 将以红色显示；35 表示洋红，因此工作路径将以洋红色显示。最后，在提示符结束的位置，我们通过 “\e[0m” 将颜色值设定为零，也就是通知终端将前景、背景重置为它们的默认值，以使后续的文字以非彩色显示。

? ? 接下来将 $SYSROOT 目录整个复制到虚拟机，因为命令 scp 会跟随符号链接，所以我们采用先压缩、再复制的办法。

二、以读写模式重新挂载文件系统

? ? 一般在挂载文件系统之前，将使用工具 fsck 检查文件系统的一致性。如果文件系统中存在错误，则 fsck 会试图修复它们，但是这个过程要求文件系统没有挂载或以只读方式挂载。因此我们在 GRUB 的配置文件 grub.cfg 中经常看到内核的命令行参数中有这么一个字串 “ro” ，其是 “read only” 的简写，目的是告诉内核或 initramfs 最初以只读方式挂载根文件系统。在 Linux 系统进入用户空间、使用工具 fsck 检查文件系统后，然后再以读写方式重新挂载根文件系统。这里我们忽略文件系统检查这一过程，直接以读写模式重新挂载根文件系统。

? ? 如果读者没有更改根文件系统中文件的属主和属组为 root ，那么更新 vita 系统的 /sbin/init 程序后，重启系统，我们来检查一下根文件系统是否以读写方式成功挂载了。

三、配置内核支持网络

? ? 为了方便宿主系统与目标系统传输文件，并且可以从宿主系统登录到目标系统，目标系统需要支持网络。为此，需要配置目标系统的内核支持 TCP/IP 协议和网卡驱动。

四、启动udev

? ? 前面我们将网卡驱动编译为模块，为了自动加载网卡驱动，需要启动 udev，为此需要修改 init 脚本：

? ? 这几条命令我们在讨论 initramfs 时已经见过了。事实上，这里启动 udev 服务，不仅是为了加载网卡驱动模块。initramfs 中往往只包含存储介质相关的驱动，而其他大量设备的驱动，大部分还是保存在根文件系统中，所以，在挂载了根文件系统后，需要重新模拟一遍热插拔，从根文件系统中加载相关设备的驱动模块。

五、安装网络配置工具并配置网络

? ? 在用户空间中，我们使用工具 ip 来配置网络，工具 ip 包含在软件包 iproute2 中。所以我们首先来编译安装软件包 iproute2 。

iproute2编译安装

六、安装并配置ssh服务

? ? 既然网络已经配置好了，一般情况下就不必再通过第三方系统（即虚拟机）更新 vita 系统了，可以直接通过网络和 vita 系统打交道了。当然如果是更新内核、initramfs 或者整个文件系统，还是要通过虚拟机系统的。我们在宿主系统和 vita 系统之间使用 ssh 服务进行通信。因此在这一节，我们为 vita 系统安装并配置 ssh 服务。

? ? 我们使用 ssh 协议的开源实现 openssh ，其依赖 zlib 和 openssl ，因此首先编译安装这两个软件包。

? ? 使用如下命令编译安装 zlib：

使用如下命令编译安装 openssl：

七、安装 procps

? ? 为了方便后面调试，我们在 vita 系统上安装 procps 。该软件包中包含了常用的一些工具，如 ps、kill 等。因为 vita 系统中没有安装 ncurses 库，为简单起见，我们只编译不需要使用 ncurses 库绘制界面的程序，这就是编译 procps 时传递参数 “–without-ncurses” 的目的。

八、安装X窗口系统

? ? UNIX 系统的主要目标就是多用户、多任务，而且允许多个用户远程登录并发执行任务。这种设计哲学同样被带到了 X 窗口系统中。X 的实现者将 X 设计为客户/服务器的架构，应用程序相当于客户端，它们不需要关心具体的显示和用户输入，而由 X 服务器负责管理显示设备和输入设备。应用程序只需要将请求，比如 “绘制一条直线从点A到点B” ，发送给 X 服务器，而由 X 服务器负责将其绘制到具体的显示设备上。X 服务器也会将用户的输入（包括鼠标、键盘等输入事件），转发给对应的应用。

? ? X 将协议相关实现封装到了一个库中，开发者将这个库称为 Xlib 。后来因为效率问题，又开发了 xcb 来替代 Xlib 。Xlib 中封装的只是 X 的核心协议，X 使用扩展的方式扩充 X 协议，其他扩展协议可以在单独的库中实现。

? ? 作为类 UNIX 的图形系统的基础，X 的复杂是难以避免的。也恰恰是因为 X 的复杂，很多人提及 X 的安装就会谈虎色变。虽然 X 系统非常庞大，实际上它也是有章可循的。本节笔者就带领读者从头安装一个 X 窗口系统。鉴于 X 的安装过程比较烦琐和复杂，我们提供了一个安装脚本 build-X11.sh 。但是笔者建议读者尽量使用手动的方式安装，这样可以在思考和解决问题中不断提高。遇到自己实在解决不了的问题时再参考这个脚本，从而达到更好的学习效果。

1、安装 M4 宏定义

? ? X 定义了一些公用的 M4 宏，并将它们放在软件包 util-macros 中。X 的各个组件的配置脚本中将使用 M4 宏，因此我们首先来安装 M4 宏，方法如下：

2、安装X协议和扩展

? ? X 包含了多种协议和扩展，为简单起见，Vita 系统不必全部安装。比如禁掉了记录事件的扩展 Record，支持扩展屏幕的协议 Xinerama 及用于屏保的 Screensaver，禁掉了已经过时的 DRI1 等。下面是 vita 系统安装的协议，安装这些协议时没有先后顺序要求。如果不要求 X 服务器支持 DRI2，那么可以安装更少的协议，比如去掉 glproto、dri2proto、damageproto等。

（1）核心协议
? ? Xlib 中的绝大部分编程接口，如 XCreateWindow 、 XMapWindow 、XDrawRectange、XCopyArea 等都是由 X 核心协议定义的。核心协议的定义在软件包 xproto 中。

（2）基本扩展
? ? X 的基本扩展包括：DOUBLE-BUFFER（DBE）、DPMS、Extended-Visual-Information （ EVI ） 、 Generic Event Extension 、 LBX 、 MIT-SHM 、 MIT-SUNDRY-NONSTANDARD、Multi-Buffering、SECURITY、SHAPE、SYNC、TOG-CUP、XC-APPGROUP、XTEST。它们的定义在软件包 xextproto 中。

（3）键盘扩展
? ? 键盘扩展定义了键盘的模型、布局，如对于不同的键盘模型，某个键值对应的字符。键盘扩展的定义在软件包 kbproto 中。

（4）输入扩展
? ? 输入扩展是为一些特殊的输入设备定义的协议。通过这个扩展，输入设备可以模拟出与鼠标、键盘等核心输入设备相同格式的事件。输入扩展的定义在软件包 inputproto 中。

（5）XCB 协议
? ? 鉴于 Xlib 的效率，开发者们开发了更高效的 XCB 来替代 Xlib。XCB 协议是用于这个库的协议，其以 XML 形式定义，并提供 python 程序将这些 XML 描述文件转换为相应的程序代码。XCB 协议的定义在软件包 xcb-proto 中。

（6）GLX 扩展
? ? GLX 扩展定义了 OpenGL 和 X 之间通信的协议。该扩展的定义在软件包 glxproto 中。

（7）DRI2 扩展
? ? DRI2 扩展是 DRI 的第 2 个版本，定义了应用不通过 X 服务器直接使用硬件进行渲染的协议。DRI2 扩展的定义在软件包 dri2proto 中。

（8）XFixes 扩展
? ? 从这个扩展的名字也可以看出，这个扩展其实是为解决 X 核心协议存在的各种限制的。该扩展的定义在软件包 fixesproto 中。

（9）Damage 扩展
? ? Damage 扩展是 X 服务器用来记录那些离屏的、发生了变化的绘制区域的协议。Damage 扩展的定义在软件包 damageproto 中。

（10）XC-MISC 扩展
? ? 应用可以通过 XC-MISC 扩展获取 X 服务器可用的资源 ID，如 GetXIDRange、GetXIDList 等。该扩展的定义在软件包 xcmiscproto 中。

（11）BIG-REQUESTS 扩展
? ? BIG-REQUESTS 扩展提供了对大于 262140 字节的请求的支持。该扩展的定义在软件包 bigreqsproto 中。

（12）RANDR 扩展
? ? RANDR 扩展定义了动态调整屏幕尺寸、旋转屏幕以及镜像屏幕的协议。X 提供的工具 xrandr 就是这个协议的一个典型使用者。该扩展的定义在软件包 randrproto 中。

（13）RENDER 扩展
? ? RENDER 扩展是 X 使用的较新的渲染模型，用于合成多个绘制区域，相对于原始的通过复制进行合成的模型其更有效率。该扩展的定义在软件包 renderproto 中。

（14）字体扩展
? ? 字体扩展定义了 X 中与字体处理相关的协议。字体扩展的定义在软件包 fontsproto 中。

（15）视频扩展
? ? 视频扩展定义了 X 的视频输出相关的协议。该扩展的定义在软件包 videoproto 中。

（16）复合扩展
? ? 复合扩展是为了 X 支持窗口特效设计的扩展。在没有这个扩展之前，所有的在窗口上的绘制操作都 “实时” 显示在屏幕上。而复合扩展允许窗口可以先在离屏的区域进行绘制。复合扩展的定义在软件包 compositeproto 中。

（17）资源扩展
? ? 资源扩展定义了应用程序查询 X 服务器各种资源使用情况的协议。该扩展的定义在软件包 resourceproto 中。

（18）直接图形访问扩展
? ? 顾名思义，直接图形访问扩展也是为了直接访问图形硬件设计的协议，不过其功能非常有限，目前基本已经停止开发，但 vesa 驱动还在使用这个扩展。该扩展的定义在软件 xf86dgaproto 中。这些协议的配置安装都非常简单，而且安装命令完全相同。以 xproto 为例，安装命令如下：

3、安装 X 相关库和工具

? ? 在安装 X 服务器前，我们需要安装 X 服务器依赖的库、这些库依赖的库以及 X 服务器使用的工具和相关数据。注意，某些库是有安装顺序要求的，比如，libX11 需要在 libxkbfile 前安装，安装 libXfont 前需要先安装 freetype，libdrm、expat 需要在 Mesa 前安装等。读者按照下面的顺序安装即可。

（1）pixman
? ? pixman 是一个底层的像素操作的库，提供图形合成及光栅化等功能，是 X 中软件渲染的基础。

（2）xtrans
? ? xtrans 封装了网络传输的基本功能，从开发角度讲，是 X 服务器和应用程序之间进行通信的基础。X 服务器、libX11 等 X 的相关组件都要用到这个库。

（3）libXau
? ? libXau 是 X 服务器和应用程序之间认证授权使用的库。

（4）libX11、libxcb 和 libpthread-stubs
? ? libX11 是为应用程序提供的 X 协议的实现，应用程序使用 libX11 中提供的 API 和 X 服务器进行通信。
? ? 因为 libX11 的效率问题，开发人员又开发了 libxcb 来替换 libX11 。而反过来，libX11 也基于 xcb 进行了改进，所以在安装 libX11 前，需要安装 libxcb。
? ? libxcb 依赖 libpthread-stubs ， 因此在安装 libxcb 前需要先安装 libpthread-stubs。

（5）libxkbfile、xkbcomp 和 xkeyboard-config
? ? 这三个包都与键盘扩展相关。X 服务器根据键盘扩展，确定不同键盘模型的键盘的布局、键值到字符的转换等。键盘相关的数据就包含在 xkeyboard-config 中。
? ? 而开发者将操作这些数据的功能封装在库 libxkbfile 中。
? ? xkbcomp 包中提供了同名的工具 xkbcomp，该工具根据键盘映射的描述，将键盘映射编译为 X 服务器可以识别的指定格式。

（6）libXfont、libfontenc 和 freetype
? ? 这几个库都是与字体处理相关的。开发者将X使用的与字体相关的功能封装在库 libXfont 中。
? ? 而 libXfont 使用 freetype 进行字体渲染，使用 libfontenc 处理字体编码。所以安装 libXfont 前需要安装 libfontenc 和 freetype 。

（7）pciaccess
? ? 早期版本的GPU的2D驱动，包括X服务器中的一些功能，不通过内核，而是直接访问PCI接口的GPU，这就是这个库的由来。现在虽然GPU驱动都通过内核访问GPU硬件了，但是X服务器中并没有清理得特别干净，还残存着对pciaccess库的依赖。
? ? 库libdrm中也使用了部分pciaccess中的功能。比如通过读取PCI寄存器探测BIOS中给GPU分配的显存大小，libdrm借助的就是库pciaccess中的函数。

（8）libdrm
? ? 用户空间的组件，如GPU的2D驱动和3D驱动、GLX扩展（包括X服务器端和Mesa端的实现部分）等，都需要通过内核的DRM模块访问GPU。为了方便用户空间的组件访问内核DRM模块，开发者开发了库libdrm。

（9）Mesa、expat、libXext、libXdamage和libXfixes
? ? 如果配置X服务器支持DRI2，那么必须要安装Mesa，它是3D应用程序进行直接渲染的基础。
? ? Mesa中的DRI扩展使用Damage扩展告知X服务器绘制完成，因此需要安装libXdamage。
? ? Mesa中的DRI2扩展使用XFixes扩展中的如XFixesCreateRegion创建发生了改变的区域，也就是绘制发生的区域，因此也需要安装库libXfixes。
? ? 而在安装扩展前，需要安装库libXext。它是所有扩展的公共库。

? ? 另外，Mesa使用expat解析XML，所以安装Mesa前，还需要安装expat。

? ? 在安装上述相关库之前，在宿主系统上还需安装几个辅助的软件包。一个是 xkeyboard-config 依赖的 intltool 。另外是 Mesa 依赖的 xutils-dev、flex 和 bison，使用如下命令在宿主系统上安装这几个软件包：

4、安装X服务器

? ? 万事俱备，现在我们开始安装X服务器，配置及安装命令如下：

5、安装GPU的2D驱动

如果只是在虚拟机上运行目标系统，安装vesa驱动即可，安装命令如下：

? ? 但是如果是在真实的机器上运行目标系统，最好安装相应GPU的2D驱动。在安装脚本 build-X11.sh 中，包含了安装Intel GPU的2D驱动的方法，读者如果需要，可以参考。PC上使用的GPU一般都符合VESA标准，所以在通常情况下，用vesa也能勉强驱动，但是vesa驱动很多特性不支持，比如硬件加速。

6、安装X的输入设备驱动

? ? 看到输入设备驱动，读者可能会有个疑问：内核中不是包括了各种设备的驱动吗？怎么X中还要安装设备驱动？没错，输入设备的驱动是在内核中，X 中的所谓输入设备的驱动 evdev 谈不上是一个驱动了，只不过大家习惯这么称呼而已。evdev 模块并不面向任何具体输入设备，它只不过是接收和解析内核发送到用户空间的输入事件。仔细观察图 6-12 所示的 Linux 输入子系统的架构，读者自然就会明白。

? ? 操作系统将面对各种各样的输入设备，如鼠标、键盘、触摸屏、游戏手柄等。由于这些输入设备大部分不遵循统一的标准，所以导致应用程序，比如 X 将不得不处理来自各种输入设备的五花八门的输入事件。

? ? 因此，内核中抽象了一个输入子系统。在输入子系统中，设备驱动面对各种各样具体的硬件设备，而输入事件经过事件处理模块处理后，将以统一的格式发送给用户空间的应用，用户空间的应用无需再为各种各样的输入事件格式疲于奔命。

? ? 现在很多输入设备都使用 USB 接口，对于 USB 接口的输入设备，图 6-12 演化为图 6-13 所示。

? ? USB 设备通过主控制器连接到主机，所以内核需要驱动 USB 主控制器。USB 流行的一个主要原因就是具有统一的标准，所以对于 USB 接口的输入设备，它们使用统一的设备驱动，即图 6-13 中的 USB HID 驱动。

? ? 通过上面的讨论可见，从操作系统的角度，安装 X 的输入设备驱动事实上有两件事需要做：一是需要配置内核的输入设备相关的驱动和模块；二是安装 X 的 evdev 模块。

7、运行X服务器

? ? X 服务器将建立一个套接字与应用程序进行通信，通常这个套接字被命名为 “/tmp/.X11-unix/X0” ，0 表示是第一个 X 服务器，如果再启动第二个 X 服务器，则为 “/tmp/.X11-unix/X1” 。除了建立套接字外，X 服务器还将在 /tmp 目录下建立一个锁文件，例如对于第一个 X 服务器，这个锁文件为 “/tmp/.X0-lock” 。另外，在前面编译时，我们指定 X 服务器将日志文件存放在 /var/log 目录下，因此，我们需要在根文件系统中建立这两个目录：

? ? 为了使书中的截图不至于尺寸过大，笔者将vita系统的 X 服务器的分辨率设置为 “640×480” 。最初，X 服务器完全由用户通过书写配置文件的方式手动配置，在 udev 出现后，X 服务器采用了自动配置技术。但是 X 也给用户留有机会进行手动微调，并且用户手动配置的优先级还要更高。当然读者不必设置分辨率，由 X 服务器自动探测即可。通过 xorg.conf 设定分辨率的方法如下：

? ? 最初，X 服务器启动后将创建并显示鼠标指针。后来，X 的开发人员认为只有在应用程序明确表明需要与用户进行交互时，才应该显示鼠标指针。所以，这个默认行为发生了改变，在 X 服务器启动后，不再默认创建并显示鼠标指针，而是在第一个应用明确调用类似 XDefineCursor 这样的函数请求X服务器显示鼠标后，才显示鼠标指针。

? ? 但是 X 还是为用户留了余地，增加了一个命令行参数 “-retro” 。如果用户运行 X 服务器启动时即创建和显示鼠标，那么给 X 服务器传递这个参数即可。

? ? 在默认情况下，当最后一个 X 应用断开与 X 服务器的连接后，X 服务器默认自动重置。同样，X 也为这个行为提供了修正的机会，用户可以使用命令行参数 “-noreset” 关闭这个特性。vita 系统不需要这个特性，因此我们传递了 “-noreset” 参数给 X 服务器。

? ? 最后，使用如下命令运行 X 服务器：

Xorg -retro -noreset &

? ? 在 X 服务器启动成功后，将创建一个根窗口，作为未来所有用户窗口的根。默认情况下，这个根窗口只以一个简单的灰色背景显示。并且我们看到，X 也按照我们的要求，创建并显示了鼠标指针。

8、一个简单的X程序

? ? 我们使用 Xlib 编写一个简单的 X 程序来确认 X 服务器是否已经正常工作。这个程序非常简单，就是创建一个窗口，并在其上显示字符串 “Hello X Window!”，代码如下：

// /vita/build/hello_x/hello_x.c:

#include <X11/Xlib.h>
#include <X11/Xatom.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
	Display *dpy;
	int screen_num;
	Window win;
	int x, y:
	unsigned int w, h;
	Atom atom_win_type, atom_win_type_normal;
	XEvent e;
	GC gc;
	char *s = "Hello x Window !";
	
	if (!(dpy = XOpenDisplay (NULL))) {
		fprintf(stderr, "Can't connect to X sever!\n");
		return -1;
	}
	screen_num = DefaultScreen(dpy) ;
	× = у = 20;
	w = DisplayWidth(dpy, screen_num) / 2;
	h = DisplayHeight (dpy, screen_num) / 2;
	win = XCreateSimpleWindow(dpy, DefaultRootWindow(dpy),
			x, y, w, h, 2, BlackPixel(dpy, screen_num),
			WhitePixel (dpy, screen num));
			
	XStoreName(dpy, win, "Hello X11");
	atom_win_type = XInternAtom(dpy, "_NET_WM_WINDOW_TYPE", False);
	atom_win_type_normal = XInternAtom(dpy,
			"_NET_WM_WINDOW_TYPE_NORMAL", False);
	XChangeProperty(dpy, win, atom_win_type, XA_ATOM,
			32, PropModeReplace,
			(unsigned char *)&atom_win_type_normal, 1);
			
	XSelectInput (dpy, win, ExposureMask)
	gc = XCreateGC(dpy, win, 0, 0);
	XMapWindow(dpy, win);

	while (1) {
		XNextEvent (dpy, &e);
		switch (e.type) {
			case Expose:
				XDrawString(dpy, win, gc, 30, 30, s, strlen(s));
				break;
		}
	}
}

编译这个程序的 Makefile 如下：

# /vita/build/hello_x/Makefile:
LDFLAGS=`pkg-config --libs x11`
hello_x: hello_x.o
clean:
	rm -rf hello x *.o

? ? 在登录到vita的终端中，使用如下命令启动X服务器，并运行应用程序 hello_x：

Xorg -retro &
export DISPLAY=:0.0
./hello_x &

注意环境变量DISPLAY的设置，其格式如下：

hostname: displaynumber.screennumber

? ? 如果主机名（hostname）为空，则表示 X 服务器运行在本机。读者可以把 display 理解为一个 X 服务器，screen 这里无须解释。displaynumber 和 screennumber 均从 0 开始计数，如值为 “:0.0” 表示运行在本机的第一个 X 服务器接的第一块屏幕。vita系统只启动了一个 X 服务器，并且只接一块屏。所以自然将环境变量 DISPLAY 设置为 “:0.0” 。

9、配置内核支持 DRM

? ? 如果读者是在真实机器上调试的，那么为了使 GPU 的 2D 驱动和 3D 驱动都可以正常工作，内核中还需要进行相关的配置，因为用户空间的 GPU 驱动是通过内核中的 DRM 访问 GPU 的。GPU 用户空间的驱动（2D 和 3D 驱动）和内核空间的驱动（DRM 模块）之间的关系如图 6-22 所示。

九、安装图形库

? ? 前面，我们使用 Xlib 编写了一个小程序。但是我们也看到，Xlib 是多么的原始，使用 X 提供的库编写一个如此简单的程序是多么的复杂，更别提具有复杂图形用户界面的程序了。所以先辈开发者们前赴后继，尝试在 Xlib 的基础上为 X 开发更高级的图形库，这些图形库通常被称为 Widget Libraries 或 Toolkits ，其中最著名的就是 GTK 和 QT 。这些图形库引入了控件的概念，极大简化了程序开发，也提高了开发效率。

? ? 我们选择 GTK 作为 vita 系统的图形库。这一节，我们就来编译安装 GTK。相比于安装 X ，图形库的安装过程相对要简单，但是我们也提供了一个编译脚本 build-gtk.sh 。必要时，读者可以参考这个脚本。

1、安装 GLib 和 libffi

? ? GLib 是 GTK+ 和 GNOME 工程的基础底层核心程序库，是一个实用的轻量级的库，它提供常用的数据结构、相关的处理函数和一些运行时支承机制，如事件循环、线程、对象系统等。因此安装 GTK+ 前首先需要安装 GLib 。GLib 目前也由开发 GTK+ 的团队维护。

? ? 因为 GLib 提供的对象系统（GObject）可以绑定到多种语言，常见的如 C、Python、Ruby 等，因此，GLib 的对象系统借助库 libffi 处理不同语言间的函数调用。libffi 是专门设计的一个库，主要用于不同语言间的相互调用。因此，安装 GLib 前还需要安装 libffi 。

? ? libffi 和 GLib 的编译安装命令如下：

2、安装ATK

? ? ATK（Accessibility ToolKit）是 GTK 中实现辅助功能使用的库，包括辅助视觉、听觉、打字等。这个库也是别无选择，必须要安装的，安装命令如下：

3、安装libpng

? ? 图形库当然离不开图片格式处理的库，常用的图片格式有多种，比如 PNG、JPEG 等。但是为了简单起见，vita 系统只支持 PNG 图片格式。处理 PNG 图形格式的库是 libpng ，安装命令如下：

4、安装GdkPixbuf

? ? GTK 使用 GdkPixbuf 进行图片的渲染，是 GTK 图形库的基本依赖之一，是必须安装的，安装命令如下：

5、安装Fontconfig

? ? Linux 最初在我国的程序员中流行时，有很多程序员热衷于 Linux 的美化，其中优化文字的显示是其中主要内容之一，至今在各个 Linux 论坛仍然可见 Linux 美化的身影。文本渲染比较烦琐，除了技术原因外，文本处理机制不断的发展变化，从最初的 X 的核心字体，到 X 的字体服务器，再到现在广泛采用的客户端渲染，也给这个本身就不是特别容易理解的领域增加了很多复杂性。

? ? 凡是涉及字体相关的地方，我们经常看到如 Fontconfig、Freetype、Pango， 甚至更多，这些库在文本渲染中都担任什么角色？它们之间的关系又是什么？在我们埋头搭建系统时，还是要不时抬头看看路的。下面，我们就结合图 6-28 来简单地介绍一下文本的渲染。

（1）字符编码（character code）
? ? 虽然我们在写程序时，直接使用可读的字符，但事实上，在程序内部，是用字符的编码来代表字符的。字符的编码有多种标准，比如 ISO-8859 系列编码，Unicode 编码以及我国的 GB18030 等。
? ? 假设系统使用 UTF8 编码，当程序准备显示字符串 “你好Linux!” 时，程序中将以编码 “4F60 597D 4C 69…” 来记录这个字符串。

（2）字形（glyph）
? ? 字形是字的形体的简称，GB/T 16964《信息技术字型信息交换》中关于字形的的定义为：一个可以辨认的抽象的图形符号，它不依赖于任何特定的设计。

? ? 这样解释读者可能依然会感到比较生疏，因为平时我们很少使用这个概念，但是提到字体，大家就一定比较熟悉了，因为操作系统中一定要安装字体文件的，否则是不能正确显示字符的。而所谓的这个字体文件，其实就是字形的集合。

? ? 以 TrueType 字体文件为例，其中包含两个关键的数据结构：

? ? ◆ 一个是字形表，也称为 glyf 。字形表中每一项代表一个字形，使用字形索引访问其中的字形。TrueType 的字形表中，每个字形的描述并非如图 6-28 中的字形表（glyf）中显示的那样直观，字形表中描述的字形信息都是矢量的，字符的每一个笔画都是由多条曲线包围而形成的。一次曲线需要两个点来确定，二次需要三个点，三次就需要四个点。字体内部保存了这些点的坐标。

? ? ◆ 一个是字符编码到字形映射表（Character to Glyph Mapping），简称 cmap 。读者可能会有个疑问，cmap 中的第二列为什么不是字形，而是字形索引呢？原因是字体文件可能使用在不同的编码环境中，所以字体文件可能包含多个 cmap 表，比如 UTF8 对应一个 cmap 表，GB18030 对应另外一个 cmap 表。另外，一个字体文件中也可能不只包含一种字体。

（3）排版（layout）
? ? 每每谈到文本渲染时，大家更多的关注在字体上，却往往忽略了文本的布局排版。实际上，文字的排版是重要而且复杂的。排版引擎需要将单个字符按照一定的间距美观的排列起来。

? ? 除了处理字形信息外，由于世界上有多种文字体系，因此，文本可能是多种语言混合的。而且，还有像阿拉伯文、希伯来文这种文字体系是从右向左书写，更别提布局规则极其复杂的印度系文字。

? ? 可见，排版引擎是一位真正的幕后英雄。而且，文本渲染的过程都是由排版引擎牵头开始的，不同的图形库可能使用不同的排版引擎，GTK 使用的排版引擎是 Pango 。

（4）确定字体
? ? 在将字符编码转化为字符前，首先需要确定字体文件，否则巧妇也难为无米之炊。一个系统中可能安装了多个字体文件，因此，在众多的字体文件中要选择一个最合适的，这就是 Fontconfig 的主要任务之一。

（5）光栅化
? ? 一旦字体确定后，Fontconfig 使用库 Freetype 提供的接口，确定字符编码对应的字形索引，依据的就是如 TrueType 字体文件中的 cmap 表。最后，Freetype 根据字形索引，从字体文件的字形表中获取描述字形的矢量信息，构建具体的字形，这个过程也叫光栅化。经过光栅化的字符编码，就是一普通图形了，接下来无论是显示到具体窗口中，还是进行其他处理，都与处理普通的图形完全相同。

? ? 理解了各个库的作用后，下面我们开始安装这些库。

? ? Freetype 在前面安装 X 时已经安装，接下来只需安装 Fontconfig 和 Pango 。由于 Cairo 依赖于 Fontconfig ，而 Pango 又基于 Cairo 进行字体渲染，所以，这里的安装顺序看上去有点奇怪。我们先安装 Fontconfig，中间插播 Cairo，然后才安装 Pango。

安装 Fontconfig 的命令如下：

6、安装Cairo

? ? Cairo 是一个矢量图形库，GTK 使用其作为绘制后端。换句话说，GTK 的绘制动作由 Cairo 完成。看到这里，读者可能会非常困惑：X 上的应用不是由 X 服务器负责绘制吗？没错，暂且不提我们第 8 章讨论的 DRI。事实上，即使普通的 2D 应用也是可以自己绘制的，只不过，应用是将内容绘制在一个离屏的区域，但是最后还是要请求 X 服务器将绘制的内容显示到屏幕上。应用或者将绘制的内容复制到 X 服务器，或者使用 X 提供的 RENDER 扩展。当然，应用也可以将全部绘制请求 X 服务器完成，这就要看具体图形库采用的策略了。

? ? 安装 Cairo 的命令如下：

7、安装Pango

安装Pango的命令如下：

8、安装libXi

图形库当然是要接收用户输入的，X 输入扩展协议的实现是库 libXi，安装命令如下：

9、安装GTK

? ? GTK 的基本依赖已经安装完成，只差完成最后一步了，安装GTK的命令如下：

? ? 至此，图形库 GTK 的安装过程已经全部完成，读者可以将 /vita/sysroot 目录下的文件系统更新到vita的根文件系统了。

10、安装GTK图形库的善后工作

? ? 更新了vita系统的根文件系统后，在运行使用 GTK 编写的程序前，我们还要在vita系统上为图形库做一点收尾工作。注意下面两个操作需要在使用安装了 GTK 图形库的根文件系统重启vita系统后进行。

（1）为 Pango 创建语系和模块对应关系的文件
? ? 不同语系，对布局有不同的要求，全世界有各种各样的语系，如汉语、阿拉伯语、印度语等。Pango 采用模块化的方式提供对这些语系的支持。为了提高效率，在运行时，Pango 不会到文件系统中解析具体的模块，查看其支持的语系，而是直接读取/etc/pango目录下的文件pango.modules，其中记录了每个模块及其支持的语系。因此，我们需要为Pango创建文件pango.modules 。

（2）为库 GdkPixbuf 创建模块信息文件
? ? 在安装库 GdkPixbuf 时，我们看到，GdkPixbuf 使用模块的形式支持各图形格式。因此，在这个库初始化时，需要加载这些模块。但是这些模块存储在文件系统的什么位置，每个模块又支持什么图形格式等，诸如此类信息从哪里获取呢？为了提高加载速度，GdkPixbuf 没有去再次扫描每个模块，而是直接从系统的一个文件中读取，因此，我们需要为 GdkPixbuf 创建这个文件。

11、一个简单的GTK程序

? ? 最后，我们使用一个简单的程序来测试我们的 GTK 是否工作正常，程序代码如下：

编译该程序的Makefile文件如下：

? ? 可见，同样是显示一个简单的窗口，使用 GTK 编写就简单多了，那些烦琐的细节已经实现在如 GTK 等这些图形库中。编译这个程序，并将其复制到 vita 系统并运行，步骤与程序 hello_x 完全相同。

十、安装字体

? ? 对于基于 Xlib 编写的程序，一般简单的字符使用X中的内置字体就可以应付了。X的内置字体在 libXfont 中：

? ? 其中 file_6x13 中记录的就是简单的点阵字体，又称位图字体，显然这个内置的点阵字体是把每一个字符都分成 6×23 个点，然后用每个点的虚实来表示字符的轮廓。

? ? 这也是为什么前面在没有安装字体的情况下，使用 Xlib 编写的例子可以显示字符的原因。但是既然有内置的字体，那为什么使用 GTK 的程序不能显示字符呢？原因是 GTK 程序的字体是在客户端绘制的，客户端绘制完成后，将字形位图传给 X 服务器。而 GTK 中并没有像 libXfont 那样内置了字体，所以如果系统中没有安装字体，当然应用就找不到字体了。因此，我们需要安装字体。

? ? 字体的安装非常简单，直接把字体文件复制到相关的目录下即可。但是安装在哪个目录下呢？前面我们已经看到，Linux 使用 Fontconfig 寻找字体，因此这个问题要问 Fontconfig 。没错，Fontconfig 在其配置文件中明确指明了其寻找字体文件的目录：

? ? 这里，我们使用文泉驿字体，并将其安装到vita系统的 /usr/share/fonts 目录下，命令如下：

? ? 安装完字体后，再次执行 gtk_hello，就会发现字符不再是一个一个的 “方框” 了。

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