在嵌入式Linux系統中應用的GTK+和X分析

在嵌入式 Linux 下有很多圖形介面系統 GUI，包括
Qt/Embedded，FLTK，Microwindows 和 GTK+
等。作為一個開發人員，到底使用什麼樣的 GUI
系統呢？對一個系統，將它改造為符合你的需求，你要做多少修改呢？修改後的系統的尺寸一般會有多大呢？這些都是開發人員會遇到的問題。我們在這裡討論的就是要對這些內容做一個具體細緻的分析，通過我們的討論，大家會對基於
GTK+ 和 X 的 GUI 在嵌入式Linux 下的應用有一個確切的瞭解。

在嵌入式系統應用日益發展的今天，越來越多的應用都需要使用到 GUI
來進行開發，以此來獲得更好的互動性。

嵌入式 Linux 下 GUI
的選擇，對大多數開發人員來說是一個需要權衡對比的過程。選擇 GTK+ 運行在 X
系統上，然後 X 系統運行在嵌入系統的 framebuffer 上，這會是一個很好的選擇。

GTK+ 與 X 的優點

當然，GTK+ 與 X
一般都是被大家考慮為體積較大的案頭系統的好搭配，但實際上對於嵌入系統來說，它也有著諸多的優點：

1、 X-window 系統與 GTK+ 都非常穩定可靠，X-window
系統是經曆了長期的開發及應用實踐的，GTK+ 也是一個比較成熟的開放原始碼項目；

2、 X-window 系統是一個靈活的 client/server
的模型結構，一個應用用戶端的崩潰不會影響到圖形系統的其他部分，這是一個很重要的特性，它有利於支援第三方應用的擴充開發，而不影響到主體部分；

3、 GTK+有兩個重要的庫：GDK和GLIB。GDK抽象了底層的視窗管理，要移植 GTK+
到另一個不同的視窗系統的話，我們只需要移植 GDK 就可以了。GLIB
是一個工具集合，它包括了資料類型，各種宏定義，類型轉化，字串處理，任何應用程式都可以連結這個
GLIB
庫，使用其中的各種資料類型、方法，來避免重複代碼，或者說避免開發人員重新發明輪子，這樣有利於減少整個系統的尺寸；

4、 對 GTK+/X
的裁剪是很容易的，它們有著很好的可配置的選項，有著清晰的代碼結構，可以保證安全正確地去掉大段的不需要的代碼；

5、 GTK+ 有著大量的應用，GTK+ 已經被用在了很多重要的應用系統中；

6、 GTK+ 的授權是 LGPL 方式的，X 是 non-copyleft free license
的，第三方開發的系統都能與它們進行連結；

7、 GTK+/X 二者都是基於 C 代碼的，而不是C++；

8、 GTK+ 使用 C 來實現了物件導向的架構；

其他 GUI 系統

其他可以選擇的圖形系統包括：Qt/Embedded，FLTK 和 Microwindows。

1、 Qt/E 是其中較進階的，它是一個完整的，基於 framebuffer 的 GUI 系統，由
Trolltech 公司開發；

2、 Qt/E 有著高效的圖形渲染效果，還包括 TrueType 字型系統，及 alpha
blending 半透明處理；

3、 但 Qt/E 不是使用 LGPL 授權方式，而是使用兩種授權方式：開發使用
GPL，而商用需要授權與版稅；

4、 Qt/E 是用 C++ 編寫的；

5、 Qt/E 非常大，一個 iPAQ QPE 就包括了 3.3MB 的 Qt/E 庫和一個 718KB 的
QPE 庫(和 Xlib 類似的一種庫)；

6、 Qt/E 不夠穩定，QPE demo 不錯，但出現過崩潰；

7、 FLTK (the Fast Light Toolkit) 是一個小型的 GUI 圖形系統，它也是用 C++
寫的，特性太少，應用範圍較少，不夠成熟；

8、 Microwindows 和 X-Window 相比也是一個不錯的選擇，它佔用大約
100KB-600KB 大小的記憶體，和檔案儲存體空間，雖然已經有了一個其上的 GTK+
移植，但還是不夠成熟；

X-window：比你想象的要小很多

對於X-window系統，廣大的網路開發人員已經做了大量的工作來減小其的尺寸，最知名的有TinyX。可以通過對不需要的代碼的裁剪及去除XLIB中待用資料來減少總體的尺寸，如：color管理系統，弧形，粗線條等。

在大多數開發人員的印象裡，X 系統很龐大，但實際上，你聽到的，是那些對 X
不夠瞭解的人的一種誤解。在經過裁剪後的情況下，GTK+/X 要比 GTK+/FB 與 Qt/E
還要來得有效，且 XLIB
對一般的應用程式有著更好的支援作用，應用程式的開發會變得更高效。

如何裁剪 GTK+

我們可以從標準的 GTK+
發行版本來裁剪，裁剪掉其中的不需要的，修改已經有的代碼，並加入新的特性所需要的代碼。裁剪的範圍包括小的改動，也包括一些大的結構性的、核心的改變。

1、 去除 Widgets 視窗

最開始，我們把不需要的 Widgets 去除掉，比如：GtkGamma、GtkHRuler、過時了的
GtkList（被 GtkCList所替代了）、和我們不需要的 GtkFrame 邊框。

2、 Widgets 視窗尺寸與繪製

接著，修改Widgets的大小與繪製方法，GTK+提供了一個主題引擎機制，來控制視窗的外觀與效果。它允許在運行中設定字型，設定行間隔，設定繪製特性。這樣的機制很不錯，但不夠靈活，代碼中很多設定的地方都是使用硬式編碼方式；另外，一種主題，就是一堆額外的程式碼片段和參數，這樣會增加整體的尺寸。

需要找出影響到視窗系統整體尺寸的內容，再來修改它。比如，一個按鈕的大小與繪製，包括這樣的參數：邊框的寬度，x/y的位置（主題引擎需要的參數），預設的間隔（常量），預設的左上方的位置（常量），獲得焦點。這些在嵌入系統中並不需要那麼完整，我們可以根據實際的需求來簡化代碼，來避免GTK+的複雜性。

另外，使用物件導向的方法，來繼承視窗Widgets的特性，作為子類也是一個有效方法。

3、GtkWindow

GTK+總是假定一個視窗裡麵包含了另一個視窗，它們就是嵌套關係。但對於我們經常會碰到的有軟鍵盤的應用時，就不完全正確了。軟鍵盤雖然是屬於一個視窗的，但卻會超出那個視窗。所以為了突破這個假定，需要對GtkWindow增加一些特性，將軟鍵盤處理成一種特殊的子視窗。
軟鍵盤所在的視窗，需要處理軟鍵盤的按鍵事件，並將按鍵轉寄給軟鍵盤工具條。當軟鍵盤按下，軟鍵盤的回呼函數就被註冊到原始視窗上，這樣軟鍵盤就會響應按鍵事件。在GtkWindow上增加介面，可以建立，響應按鍵。

在小螢幕的嵌入系統中，可以將捲軸做得更簡化些，去掉邊框，使用單個捲軸。這些都更適合嵌入系統。

字型管理系統

在字型管理方面，要找到一個輕型的機制來在嵌入式系統顯示各種字型，並不是那麼簡單，困難在於GTK+
的大型的 Widget 風格與 X 系統的老式的字型管理機制的結合所引起的問題。

前面提到的，主題引擎方式的GTK+
是用來控制視窗的樣式與外觀的。在一個視窗顯示之前，它會得到一個式樣對象，GtkStyle，它可以是一個指向父視窗的式樣對象指標，或者是一個新的類型，這些式樣對象將被應用到這個視窗及它的子視窗。這個式樣由預設值、rc
文字檔、應用來確定。

要改變一個視窗的字型，你必須複製視窗的式樣，並使用X字型載入一個新的字型，類似adobe-helvetica-bold-r-normal--12-*-*-*-p-*-iso8859-1。

但實際中會有些問題，GtkStyle是一個大的對象。如果一個螢幕上有很多種不同字型大小的多個視窗，每個都有一個唯一的GtkStyle對象，我們就會浪費大量的記憶體。到最後，X系統就不能支援類似字型的各種變化了。你甚至不能使X完成讓某個字型變粗的操作，因為X系統是將不同外型的字型作為不同的字型的。X系統是假定你會寫入程式碼一個希望的字型或者分析出一個字型名，改變字型及驗證結果都將在字型伺服器上。

還可以使用一個更好的方法來完善字型管理系統，即封裝GtkStyle，這樣開發人員就可以通過屬性來獲得一個視窗的字型，這比直接使用
X
系統字型的名字要更靈活。比如要顯示一個比基本字型要大一號，並且是黑體字就可以調用：

gtk_widget_set_font_bold (widget, TRUE);

gtk_widget_set_font_enlarge (widget, 1);

這是通過在 GtkWidget 結構中加入一個 GdkFont * font 來實現的，GtkWidget
是所有視窗類別的父類。如果設定widget->font
那麼就使用它，否則就使用widget->style->font。

視窗管理

在嵌入系統GUI中，還需要建立一個視窗管理器。我們可以選擇一個開放代碼的，輕量級的X管理器，Aewm。在嵌入系統中，我們會將最上層的視窗設定為獲得焦點，並且只有對話方塊能移動，能顯示其標題列。

視窗管理器是一個互動端，它可以管理內部與外部的應用程式的視窗。每一個應用程式的視窗，都會建立一個
socket
串連，並取一個名字。一個應用可以把請求將自己放在視窗堆棧的最下面，或者將一個命名的應用往上移。如果一個對話方塊要在最上層的視窗上開啟，那麼視窗管理器就將告訴這個最上層的視窗它將不再獲得焦點，而新對話方塊將獲得焦點。

整體尺寸大小

經過一系列的改進後，我們就得到了一個穩定的，功能和效能都能滿足嵌入系統要求的GUI了。在ARM系統下，得到的尺寸大小為：

其中 GTK+
裡面仍然還有不需要的代碼，可以將其再去除。如果再簡化一下的話，GTK+
可以做到850KB，總體大小可以到 2.8M。

運行效能

將修改過的 GUI 運行在一個 ARM7 的系統上，CPU 為
100MHZ，運行時的效果還不錯，視窗響應使用者操作的速度很迅速，新的畫面建立與顯示的速度都能接受。

但是，啟動時的時間卻有些問題，比較慢。在這個 CPU
上，應用程式畫面載入與顯示的時間需要 2.4秒，其中 1.5 秒是花在了建立與顯示
UI 上。

在較慢的 CPU 上，這樣的啟動速度是 GTK+ 運行在 X，X 再寫到 framebuffer
上導致的。我們需要分析具體的瓶頸在什麼地方。在深入的調試中，當使用PC機來運行我們的應用，而在ARM裝置上顯示時，初始化和顯示的時間幾乎可以忽略不計。同樣，將應用運行在ARM裝置上，而在PC機上顯示時，效能也很好。所以資料包的傳輸，framebuffer上的顯示及GTK+的運算速度都不是問題所在。速度慢的原因可能是這幾個因素的先後順序引起的。而且記憶體的佔用上也存在問題。在初始階段，GTK+構造了大量的對象，GTK+和X是使用共用記憶體來通訊的，X寫到framebuffer，framebuffer也是不變地寫到顯存上。這些都是發生在一個較窄匯流排上相同的記憶體空間裡，這個就會引起速度慢。

現在知道了X在啟動時比較花費時間。在客戶模式下的GTK+的應用，需要串連到X
server，通過了認證，得到位深及其他資源。當然，使用X系統的好處要遠大於它的不足。X系統提供了一個靈活的client/server模型，這樣更有利於應用的靈活加入。你可以在同一時間顯示不用的應用視窗，而像GTK+/Fb等其他的GUI方式無法做到這一點，當然QPE是個例外。

2.4秒的延時，也並不能完全否定一切。在一個700MHZ的windows系統的PC上，Microsoft
Word, Excel and IE幾乎都需要2秒的時間來啟動。KEdit,
一個KDE的應用程式，在500MHZ的PIII上，載入的時間也需要1.37秒。

對於啟動時間，需要採用其他的辦法來加以改善。一個策略就是在使用者等待的時候，顯示一些東西來表示系統正在工作，這樣會使使用者忽略掉啟動時間的緩慢。另一個策略就是可以預先在背後啟動一些通用的程式，來有效減少集中啟動的時間。這也是通常嵌入系統所慣用的做法。

在ARM7的系統上，由於沒有浮點運算FPU，所以GTK+中的浮點運算部分最好是去掉，否則會大大影響效能。GTK+使用到的浮點變數只分布在少數的幾個視窗中，並且去掉它們會帶來3%到12%的效能提高。

高像素的應用會導致速度較慢，這大多是由於GTK+與X中對高像素的效率低下的處理有關。如涉及到的XPM，XPM
（X
pixmap）格式是被設計來做到較好的相容性，而不是更加快速。X系統是一個像素一個像素地畫到server的pixmap的。GTK+的像素處理也很低效，它是使用fgetc()來讀取XPM檔案的，這就會帶來大量的環境切換開銷。

X視窗系統的結構也導致了像素的載入變慢。GTK+用戶端需要載入，分析XPM檔案，將像素值通過傳輸協議發送給server，然後server才將像素值放入framebuffer。如果用戶端直接將資料寫到framebuffer
server那將會有效很多。

處理的GTK+像素的辦法就是，寫一個臨時的中間過程，取得render過的像素，使用這個未經處理資料來替換XPM資料，這個未經處理資料就可以直接強制寫到X
server上。從結構上來看，這雖然不是一個很好的處理辦法，但在效率上卻要比使用XPM要快上80%。

總結

現在的消費電子大多需要一個美觀，實用的圖形介面系統GUI。在嵌入系統linux下，有很多種GUI可供選擇。使用開放代碼的GUI的優點就是你可以將其裁剪得滿足你的各種各樣的特殊需求。GTK+就是一個很好的選擇，而X-window系統提供了一個穩定可靠的client/server模型。當你得到一個只有2.9M大小的定製過的GUI時，對大多數的嵌入系統還是很有參考價值的。