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在嵌入式Linux系統中應用的GTK+和X分析

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在嵌入式 Linux 下有很多圖形界面系統 GUI,包括 Qt/Embedded,FLTK,Microwindows 和 GTK+ 等。作為一個開發者,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致的分析,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了解。


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,以此來獲得更好的交互性。


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桌面系統的好搭配,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 系統是經歷了長期的開發及應用實踐的,GTK+ 也是一個比較成熟的開放源代碼項目;

2、 X-window 系統是一個靈活的 client/server 的模型結構,一個應用客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,它有利於支持第三方應用的擴展開發,而不影響到主體部分;

3、 GTK+有兩個重要的庫:GDK和GLIB。GDK抽象了底層的窗口管理,要移植 GTK+ 到另一個不同的窗口系統的話,我們只需要移植 GDK 就可以了。GLIB 是一個工具集合,它包括了數據類型,各種宏定義,類型轉化,字符串處理,任何應用程序都可以鏈接這個 GLIB 庫,使用其中的各種數據類型、方法,來避免重復代碼,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鏈接;

7、 GTK+/X 二者都是基於 C 代碼的,而不是C++;

8、 GTK+ 使用 C 來實現了面向對象的架構;


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 是其中較高級的,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 字體系統,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,應用范圍較少,不夠成熟;

8、 Microwindows 和 X-Window 相比也是一個不錯的選擇,它占用大約 100KB-600KB 大小的內存,和文件存儲空間,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,廣大的網絡開發者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中靜態數據來減少總體的尺寸,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 不夠了解的人的一種誤解。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 對一般的應用程序有著更好的支持作用,應用程序的開發會變得更高效。


如何裁剪 GTK+


我們可以從標准的 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。裁剪的范圍包括小的改動,也包括一些大的結構性的、核心的改變。


1、 去除 Widgets 窗口

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 窗口尺寸與繪制

接著,修改Widgets的大小與繪制方法,GTK+提供了一個主題引擎機制,來控制窗口的外觀與效果。它允許在運行中設置字體,設置行間隔,設置繪制特性。這樣的機制很不錯,但不夠靈活,代碼中很多設置的地方都是使用硬編碼的方式;另外,一種主題,就是一堆額外的代碼段和參數,這樣會增加整體的尺寸。


需要找出影響到窗口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制,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),缺省的間隔(常量),缺省的左上角的位置(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+的復雜性。


另外,使用面向對象的方法,來繼承窗口Widgets的特性,作為子類也是一個有效的方法。


3、GtkWindow

GTK+總是假定一個窗口裡面包含了另一個窗口,它們就是嵌套關系。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窗口的,但卻會超出那個窗口。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窗口。


軟鍵盤所在的窗口,需要處理軟鍵盤的按鍵事件,並將按鍵轉發給軟鍵盤工具條。當軟鍵盤按下,軟鍵盤的回調函數就被注冊到原始窗口上,這樣軟鍵盤就會響應按鍵事件。在GtkWindow上增加接口,可以創建,響應按鍵。


在小屏幕的嵌入系統中,可以將滾動條做得更簡化些,去掉邊框,使用單個滾動條。這些都更適合嵌入系統。


字體管理系統


在字體管理方面,要找到一個輕型的機制來在嵌入式系統顯示各種字體,並不是那麼簡單,困難在於GTK+ 的大型的 Widget 風格與 X 系統的老式的字體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+ 是用來控制窗口的樣式與外觀的。在一個窗口顯示之前,它會得到一個式樣對象,GtkStyle,它可以是一個指向父窗口的式樣對象指針,或者是一個新的類型,這些式樣對象將被應用到這個窗口及它的子窗口。這個式樣由缺省值、rc 文本文件、應用來確定。


要改變一個窗口的字體,你必須克隆窗口的式樣,並使用X字體加載一個新的字體,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。如果一個屏幕上有很多種不同字體大小的多個窗口,每個都有一個唯一的GtkStyle對象,我們就會浪費大量的內存。到最後,X系統就不能支持類似字體的各種變化了。你甚至不能使X完成讓某個字體變粗的操作,因為X系統是將不同外型的字體作為不同的字體的。X系統是假定你會硬編碼一個希望的字體或者分析出一個字體名,改變字體及驗證結果都將在字體服務器上。


還可以使用一個更好的方法來完善字體管理系統,即包裝GtkStyle,這樣開發者就可以通過屬性來獲得一個窗口的字體,這比直接使用 X 系統字體的名字要更靈活。比如要顯示一個比基本字體要大一號,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 是所有窗口類的父類。如果設置widget->font 那麼就使用它,否則就使用widget->style->font。


窗口管理


在嵌入系統GUI中,還需要建立一個窗口管理器。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,我們會將最上層的窗口設置為獲得焦點,並且只有對話框能移動,能顯示其標題欄。

窗口管理器是一個交互端,它可以管理內部與外部的應用程序的窗口。每一個應用程序的窗口,都會建立一個 socket 連接,並取一個名字。一個應用可以把請求將自己放在窗口堆棧的最下面,或者將一個命名的應用往上移。如果一個對話框要在最上層的窗口上打開,那麼窗口管理器就將告訴這個最上層的窗口它將不再獲得焦點,而新對話框將獲得焦點。


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,功能和性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。


運行性能


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,窗口響應用戶操作的速度很迅速,新的畫面創建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,應用程序畫面加載與顯示的時間需要 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設備上顯示時,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設備上,而在PC機上顯示時,性

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