在嵌入式Linux系统中应用的GTK+和X分析

在嵌入式 Linux 下有很多图形界面系统 GUI，包括Qt/Embedded，FLTK，Microwindows 和 GTK+ 等。作为一个开发者，到底使用什么样的 GUI 系统呢?对一个系统，将它改造为符合你的需求，你要做多少修改呢?修改后的系统的尺寸一般会有多大呢?这些都是开发人员会遇到的问题。我们在这里讨论的就是要对这些内容做一个具体细致的分析，通过我们的讨论，大家会对基于 GTK+ 和 X 的 GUI 在嵌入式Linux 下的应用有一个确切的了解。

　　在嵌入式系统应用日益发展的今天，越来越多的应用都需要使用到 GUI 来进行开发，以此来获得更好的交互性。

　　嵌入式 Linux 下 GUI 的选择，对大多数开发人员来说是一个需要权衡对比的过程。选择 GTK+ 运行在 X 系统上，然后 X 系统运行在嵌入系统的 framebuffer 上，这会是一个很好的选择。

　　GTK+ 与 X 的优点

　　当然，GTK+ 与 X 一般都是被大家考虑为体积较大的桌面系统的好搭配，但实际上对于嵌入系统来说，它也有着诸多的优点：

　　1、 X-window 系统与 GTK+ 都非常稳定可靠，X-window 系统是经历了长期的开发及应用实践的，GTK+ 也是一个比较成熟的开放源代码项目;

　　2、 X-window 系统是一个灵活的 client/server 的模型结构，一个应用客户端的崩溃不会影响到图形系统的其他部分，这是一个很重要的特性，它有利于支持第三方应用的扩展开发，而不影响到主体部分;

　　3、 GTK+有两个重要的库：GDK和GLIB。GDK抽象了底层的窗口管理，要移植 GTK+ 到另一个不同的窗口系统的话，我们只需要移植 GDK 就可以了。GLIB 是一个工具集合，它包括了数据类型，各种宏定义，类型转化，字符串处理，任何应用程序都可以链接这个 GLIB 库，使用其中的各种数据类型、方法，来避免重复代码，或者说避免开发人员重新发明轮子，这样有利于减少整个系统的尺寸;

　　4、 对 GTK+/X 的裁剪是很容易的，它们有着很好的可配置的选项，有着清晰的代码结构，可以保证安全正确地去掉大段的不需要的代码;

　　5、 GTK+ 有着大量的应用，GTK+ 已经被用在了很多重要的应用系统中;

　　6、 GTK+ 的授权是 LGPL 方式的，X 是 non-copyleft free license 的，第三方开发的系统都能与它们进行链接;

　　7、 GTK+/X 二者都是基于 C 代码的，而不是C++;

　　8、 GTK+ 使用 C 来实现了面向对象的架构;

　　其他 GUI 系统

　　其他可以选择的图形系统包括：Qt/Embedded，FLTK 和 Microwindows。

　　1、 Qt/E 是其中较高级的，它是一个完整的，基于 framebuffer 的 GUI 系统，由 Trolltech 公司开发;

　　2、 Qt/E 有着高效的图形渲染效果，还包括 TrueType 字体系统，及 alpha blending 半透明处理;

　　3、 但 Qt/E 不是使用 LGPL 授权方式，而是使用两种授权方式：开发使用 GPL，而商用需要授权与版税;

　　4、 Qt/E 是用 C++ 编写的;

　　5、 Qt/E 非常大，一个 iPAQ QPE 就包括了 3.3MB 的 Qt/E 库和一个 718KB 的 QPE 库(和 Xlib 类似的一种库);

　　6、 Qt/E 不够稳定，QPE demo 不错，但出现过崩溃;

　　7、 FLTK (the Fast Light Toolkit) 是一个小型的 GUI 图形系统，它也是用 C++ 写的，特性太少，应用范围较少，不够成熟;

　　8、 Microwindows 和 X-Window 相比也是一个不错的选择，它占用大约 100KB-600KB 大小的内存，和文件存储空间，虽然已经有了一个其上的 GTK+ 移植，但还是不够成熟;

　　X-window：比你想象的要小很多

　　对于X-window系统，广大的网络开发者已经做了大量的工作来减小其的尺寸，最知名的有TinyX。可以通过对不需要的代码的裁剪及去除XLIB中静态数据来减少总体的尺寸，如：color管理系统，弧形，粗线条等。

　　在大多数开发人员的印象里，X 系统很庞大，但实际上，你听到的，是那些对 X 不够了解的人的一种误解。在经过裁剪后的情况下，GTK+/X 要比 GTK+/FB 与 Qt/E 还要来得有效，且 XLIB 对一般的应用程序有着更好的支持作用，应用程序的开发会变得更高效。

　　如何裁剪 GTK+

　　我们可以从标准的 GTK+ 发行版本来裁剪，裁剪掉其中的不需要的，修改已经有的代码，并加入新的特性所需要的代码。裁剪的范围包括小的改动，也包括一些大的结构性的、核心的改变。

　　1、 去除 Widgets 窗口

　　最开始，我们把不需要的 Widgets 去除掉，比如：GtkGamma、GtkHRuler、过时了的 GtkList(被 GtkCList所替代了)、和我们不需要的 GtkFrame. 边框。

　　2、 Widgets 窗口尺寸与绘制

　　接着，修改Widgets的大小与绘制方法，GTK+提供了一个主题引擎机制，来控制窗口的外观与效果。它允许在运行中设置字体，设置行间隔，设置绘制特性。这样的机制很不错，但不够灵活，代码中很多设置的地方都是使用硬编码的方式;另外，一种主题，就是一堆额外的代码段和参数，这样会增加整体的尺寸。

　　需要找出影响到窗口系统整体尺寸的内容，再来修改它。比如，一个按钮的大小与绘制，包括这样的参数：边框的宽度，x/y的位置(主题引擎需要的参数)，缺省的间隔(常量)，缺省的左上角的位置(常量)，获得焦点。这些在嵌入系统中并不需要那么完整，我们可以根据实际的需求来简化代码，来避免 GTK+的复杂性。

　　另外，使用面向对象的方法，来继承窗口Widgets的特性，作为子类也是一个有效的方法。

　　3、GtkWindow

　　GTK+总是假定一个窗口里面包含了另一个窗口，它们就是嵌套关系。但对于我们经常会碰到的有软键盘的应用时，就不完全正确了。软键盘虽然是属于一个窗口的，但却会超出那个窗口。所以为了突破这个假定，需要对GtkWindow增加一些特性，将软键盘处理成一种特殊的子窗口。

　　软键盘所在的窗口，需要处理软键盘的按键事件，并将按键转发给软键盘工具条。当软键盘按下，软键盘的回调函数就被注册到原始窗口上，这样软键盘就会响应按键事件。在GtkWindow上增加接口，可以创建，响应按键。

　　在小屏幕的嵌入系统中，可以将滚动条做得更简化些，去掉边框，使用单个滚动条。这些都更适合嵌入系统。

　　字体管理系统

　　在字体管理方面，要找到一个轻型的机制来在嵌入式系统显示各种字体，并不是那么简单，困难在于GTK+ 的大型的 Widget 风格与 X 系统的老式的字体管理机制的结合所引起的问题。

　　前面提到的，主题引擎方式的GTK+ 是用来控制窗口的样式与外观的。在一个窗口显示之前，它会得到一个式样对象，GtkStyle，它可以是一个指向父窗口的式样对象指针，或者是一个新的类型，这些式样对象将被应用到这个窗口及它的子窗口。这个式样由缺省值、rc 文本文件、应用来确定。

　　要改变一个窗口的字体，你必须克隆窗口的式样，并使用X字体加载一个新的字体，类似adobe-helvetica-bold-r-normal--12-*-*-*-p-*-iso8859-1。

　　但实际中会有些问题，GtkStyle是一个大的对象。如果一个屏幕上有很多种不同字体大小的多个窗口，每个都有一个唯一的GtkStyle对象，我们就会浪费大量的内存。到最后，X系统就不能支持类似字体的各种变化了。你甚至不能使X完成让某个字体变粗的操作，因为X系统是将不同外型的字体作为不同的字体的。X系统是假定你会硬编码一个希望的字体或者分析出一个字体名，改变字体及验证结果都将在字体服务器上。

　　还可以使用一个更好的方法来完善字体管理系统，即包装GtkStyle，这样开发者就可以通过属性来获得一个窗口的字体，这比直接使用 X 系统字体的名字要更灵活。比如要显示一个比基本字体要大一号，并且是黑体字就可以调用：

　　gtk_widget_set_font_bold (widget, TRUE);

　　gtk_widget_set_font_enlarge (widget, 1);

　　这是通过在 GtkWidget 结构中加入一个 GdkFont * font 来实现的，GtkWidget 是所有窗口类的父类。如果设置widget->font 那么就使用它，否则就使用widget->style->font。

　　窗口管理

　　在嵌入系统GUI中，还需要建立一个窗口管理器。我们可以选择一个开放代码的，轻量级的X管理器，Aewm。在嵌入系统中，我们会将最上层的窗口设置为获得焦点，并且只有对话框能移动，能显示其标题栏。

　　窗口管理器是一个交互端，它可以管理内部与外部的应用程序的窗口。每一个应用程序的窗口，都会建立一个 socket 连接，并取一个名字。一个应用可以把请求将自己放在窗口堆栈的最下面，或者将一个命名的应用往上移。如果一个对话框要在最上层的窗口上打开，那么窗口管理器就将告诉这个最上层的窗口它将不再获得焦点，而新对话框将获得焦点。

　　整体尺寸大小

　　经过一系列的改进后，我们就得到了一个稳定的，功能和性能都能满足嵌入系统要求的GUI了。在ARM系统下，得到的尺寸大小为：

　　其中 GTK+ 里面仍然还有不需要的代码，可以将其再去除。如果再简化一下的话，GTK+ 可以做到850KB，总体大小可以到 2.8M。

　　运行性能

　　将修改过的 GUI 运行在一个 ARM7 的系统上，CPU 为 100MHZ，运行时的效果还不错，窗口响应用户操作的速度很迅速，新的画面创建与显示的速度都能接受。

　　但是，启动时的时间却有些问题，比较慢。在这个 CPU 上，应用程序画面加载与显示的时间需要 2.4秒，其中 1.5 秒是花在了建立与显示 UI 上。

　　在较慢的 CPU 上，这样的启动速度是 GTK+ 运行在 X，X 再写到 framebuffer 上导致的。我们需要分析具体的瓶颈在什么地方。在深入的调试中，当使用PC机来运行我们的应用，而在ARM设备上显示时，初始化和显示的时间几乎可以忽略不计。同样，将应用运行在ARM设备上，而在PC机上显示时，性能也很好。所以数据包的传输，framebuffer上的显示及GTK+的运算速度都不是问题所在。速度慢的原因可能是这几个因素的先后顺序引起的。而且内存的占用上也存在问题。在初始阶段，GTK+构造了大量的对象，GTK+和X是使用共享内存来通讯的，X写到 framebuffer，framebuffer也是不变地写到显存上。这些都是发生在一个较窄总线上相同的内存空间里，这个就会引起速度慢。

　　现在知道了X在启动时比较花费时间。在客户模式下的GTK+的应用，需要连接到X server，通过了认证，得到位深及其他资源。当然，使用X系统的好处要远大于它的不足。X系统提供了一个灵活的client/server模型，这样更有利于应用的灵活加入。你可以在同一时间显示不用的应用窗口，而像GTK+/Fb等其他的GUI方式无法做到这一点，当然QPE是个例外。

　　2.4秒的延时，也并不能完全否定一切。在一个700MHZ的windows系统的PC上，Microsoft Word, Excel and IE几乎都需要2秒的时间来启动。KEdit, 一个KDE的应用程序，在500MHZ的PIII上，加载的时间也需要1.37秒。

　　对于启动时间，需要采用其他的办法来加以改善。一个策略就是在用户等待的时候，显示一些东西来表示系统正在工作，这样会使用户忽略掉启动时间的缓慢。另一个策略就是可以预先在背后启动一些通用的程序，来有效减少集中启动的时间。这也是通常嵌入系统所惯用的做法。

　　在ARM7的系统上，由于没有浮点运算FPU，所以GTK+中的浮点运算部分最好是去掉，否则会大大影响性能。GTK+使用到的浮点变量只分布在少数的几个窗口中，并且去掉它们会带来3%到12%的性能提高。

　　高像素的应用会导致速度较慢，这大多是由于GTK+与X中对高像素的效率低下的处理有关。如涉及到的XPM，XPM (X pixmap)格式是被设计来做到较好的兼容性，而不是更加快速。X系统是一个像素一个像素地画到server的pixmap的。GTK+的像素处理也很低效，它是使用fgetc()来读取XPM文件的，这就会带来大量的上下文切换开销。

　　X窗口系统的结构也导致了像素的加载变慢。GTK+客户端需要加载，分析XPM文件，将像素值通过传输协议发送给server，然后server才将像素值放入framebuffer。如果客户端直接将数据写到framebuffer server那将会有效很多。

　　处理的GTK+像素的办法就是，写一个临时的中间过程，取得render过的像素，使用这个原始数据来替换XPM数据，这个原始数据就可以直接强制写到X server上。从结构上来看，这虽然不是一个很好的处理办法，但在效率上却要比使用XPM要快上80%。

　　总结

　　现在的消费电子大多需要一个美观，实用的图形界面系统GUI。在嵌入系统linux下，有很多种GUI可供选择。使用开放代码的GUI的优点就是你可以将其裁剪得满足你的各种各样的特殊需求。GTK+就是一个很好的选择，而X-window系统提供了一个稳定可靠的client/server模型。当你得到一个只有2.9M大小的定制过的GUI时，对大多数的嵌入系统还是很有参考价值的。