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