了解嵌入式Linux系統(tǒng)中應(yīng)用的GTK+和X

在 嵌入式 Linux 下有很多圖形界面系統(tǒng) GUI，包括 Qt/Embedded，F(xiàn)LTK，Microwindows 和 GTK+ 等。作為一個開發(fā)者，到底使用什么樣的 GUI 系統(tǒng)呢？對一個系統(tǒng)，將它改造為符合你的需求，你要做多少修改呢？修改后的系統(tǒng)的尺寸一般會有多大呢？這些都是開發(fā)人員會遇到的問題。我們在這里討論的就 是要對這些內(nèi)容做一個具體細致的分析，通過我們的討論，大家會對基于 GTK+ 和 X 的 GUI 在嵌入式Linux 下的應(yīng)用有一個確切的了解。

在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用日益發(fā)展的今天，越來越多的應(yīng)用都需要使用到 GUI 來進行開發(fā)，以此來獲得更好的交互性。

嵌入式 Linux 下 GUI 的選擇，對大多數(shù)開發(fā)人員來說是一個需要權(quán)衡對比的過程。選擇 GTK+ 運行在 X 系統(tǒng)上，然后 X 系統(tǒng)運行在嵌入系統(tǒng)的 framebuffer 上，這會是一個很好的選擇。

GTK+ 與 X 的優(yōu)點

當(dāng)然，GTK+ 與 X 一般都是被大家考慮為體積較大的桌面系統(tǒng)的好搭配，但實際上對于嵌入系統(tǒng)來說，它也有著諸多的優(yōu)點：

1、 X-window 系統(tǒng)與 GTK+ 都非常穩(wěn)定可靠，X-window 系統(tǒng)是經(jīng)歷了長期的開發(fā)及應(yīng)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(tǒng)是一個靈活的 client/server 的模型結(jié)構(gòu)，一個應(yīng)用客戶端的崩潰不會影響到圖形系統(tǒng)的其他部分，這是一個很重要的特性，它有利于支持第三方應(yīng)用的擴展開發(fā)，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(tǒng)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(shù)據(jù)類型，各種宏定義，類型轉(zhuǎn)化，字符串處理，任何應(yīng)用程序都可以鏈接這個 GLIB 庫，使用其中的各種數(shù)據(jù)類型、方法，來避免重復(fù)代碼，或者說避免開發(fā)人員重新發(fā)明輪子，這樣有利于減少整個系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用，GTK+ 已經(jīng)被用在了很多重要的應(yīng)用系統(tǒng)中。

6、 GTK+ 的授權(quán)是 LGPL 方式的，X 是 non-copyleft free license 的，第三方開發(fā)的系統(tǒng)都能與它們進行鏈接。

7、 GTK+/X 二者都是基于 C 代碼的，而不是C++。

8、 GTK+ 使用 C 來實現(xiàn)了面向?qū)ο蟮募軜?gòu)。

其他 GUI 系統(tǒng)

其他可以選擇的圖形系統(tǒng)包括：Qt/Embedded，F(xiàn)LTK 和 Microwindows。

1、 Qt/E 是其中較高級的，它是一個完整的，基于 framebuffer 的 GUI 系統(tǒng)，由 Trolltech 公司開發(fā)。

2、 Qt/E 有著高效的圖形渲染效果，還包括 TrueType 字體系統(tǒng)，及 alpha blending 半透明處理。

3、 但 Qt/E 不是使用 LGPL 授權(quán)方式，而是使用兩種授權(quán)方式：開發(fā)使用 GPL，而商用需要授權(quán)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(wěn)定，QPE demo 不錯，但出現(xiàn)過崩潰。

7、 FLTK (the Fast Light Toolkit) 是一個小型的 GUI 圖形系統(tǒng)，它也是用 C++ 寫的，特性太少，應(yīng)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(nèi)存，和文件存儲空間，雖然已經(jīng)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

對于X-window系統(tǒng)，廣大的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者已經(jīng)做了大量的工作來減小其的尺寸，最知名的有TinyX?？梢酝ㄟ^對不需要的代碼的裁剪及去除XLIB中靜態(tài)數(shù)據(jù)來減少總體的尺寸，如：color管理系統(tǒng)，弧形，粗線條等。

在 大多數(shù)開發(fā)人員的印象里，X 系統(tǒng)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(jīng)過裁剪后的情況下，GTK+/X 要比 GTK+/FB 與 Qt/E 還要來得有效，且 XLIB 對一般的應(yīng)用程序有著更好的支持作用，應(yīng)用程序的開發(fā)會變得更高效。

如何裁剪 GTK+

我們可以從標準的 GTK+ 發(fā)行版本來裁剪，裁剪掉其中的不需要的，修改已經(jīng)有的代碼，并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(jié)構(gòu)性的、核心的改變。

一、 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。

二、 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(shè)置字體，設(shè)置行間隔，設(shè)置繪制特 性。這樣的機制很不錯，但不夠靈活，代碼中很多設(shè)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(shù)，這樣會增加整體的尺寸。

需 要找出影響到窗口系統(tǒng)整體尺寸的內(nèi)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(shù)：邊框的寬度，x/y的位置（主題引擎需要的參數(shù)），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(tǒng)中并不需要那么完整，我們可以根據(jù)實際的需求來簡化代碼，來避免GTK +的復(fù)雜性。

另外，使用面向?qū)ο蟮姆椒?，來繼承窗口Widgets的特性，作為子類也是一個有效的方法。

三、GtkWindow

GTK+ 總是假定一個窗口里面包含了另一個窗口，它們就是嵌套關(guān)系。但對于我們經(jīng)常會碰到的有軟鍵盤的應(yīng)用時，就不完全正確了。軟鍵盤雖然是屬于一個窗口的，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，并將按鍵轉(zhuǎn)發(fā)給軟鍵盤工具條。當(dāng)軟鍵盤按下，軟鍵盤的回調(diào)函數(shù)就被注冊到原始窗口上，這樣軟鍵盤就會響應(yīng)按鍵事件。在GtkWindow上增加接口，可以創(chuàng)建，響應(yīng)按鍵。

在小屏幕的嵌入系統(tǒng)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(tǒng)。

字體管理系統(tǒng)

在字體管理方面，要找到一個輕型的機制來在嵌入式系統(tǒng)顯示各種字體，并不是那么簡單，困難在于GTK+ 的大型的 Widget 風(fēng)格與 X 系統(tǒng)的老式的字體管理機制的結(jié)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(yīng)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(yīng)用來確定。

要改變一個窗口的字體，你必須克隆窗口的式樣，并使用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(nèi)存。到最后，X系統(tǒng)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(tǒng)是將不同外型的字體作為不同的字體 的。X系統(tǒng)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(jié)果都將在字體服務(wù)器上。

還可以使用一個更好的方法來完善字體管理系統(tǒng)，即包裝GtkStyle，這樣開發(fā)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(tǒng)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，并且是黑體字就可以調(diào)用：

gtk_widget_set_font_bold (widget, TRUE);
gtk_widget_set_font_enlarge (widget, 1);

這是通過在 GtkWidget 結(jié)構(gòu)中加入一個 GdkFont * font 來實現(xiàn)的，GtkWidget 是所有窗口類的父類。如果設(shè)置widget->font 那么就使用它，否則就使用widget->style->font。

窗口管理

在嵌入系統(tǒng)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(tǒng)中，我們會將最上層的窗口設(shè)置為獲得焦點，并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(nèi)部與外部的應(yīng)用程序的窗口。每一個應(yīng)用程序的窗口，都會建立一個 socket 連接，并取一個名字。一個應(yīng)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(yīng)用往上移。如果一個對話框要在最上層的窗口上打開，那么窗口管理 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?qū)@得焦點。

整體尺寸大小

經(jīng)過一系列的改進后，我們就得到了一個穩(wěn)定的，功能和性能都能滿足嵌入系統(tǒng)要求的GUI了。在ARM系統(tǒng)下，得到的尺寸大小為：

其中 GTK+ 里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(tǒng)上，CPU 為 100MHZ，運行時的效果還不錯，窗口響應(yīng)用戶操作的速度很迅速，新的畫面創(chuàng)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(yīng)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(dǎo)致的。我們需要分析具體的瓶頸在什么地方。在深入的調(diào)試中，當(dāng)使用PC機來運行我們的應(yīng)用，而在ARM設(shè)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(yīng)用運行在ARM設(shè)備上，而在PC機上顯示時，性能也很好。所以數(shù)據(jù)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后順序引起的。而且內(nèi)存的占用上也存在問題。在初始階段，GTK+構(gòu)造了大量的對象，GTK+和X是使用共享 內(nèi)存來通訊的，X寫到framebuffer，framebuffer也是不變地寫到顯存上。這些都是發(fā)生在一個較窄總線上相同的內(nèi)存空間里，這個就會引 起速度慢。

現(xiàn) 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(yīng)用，需要連接到X server，通過了認證，得到位深及其他資源。當(dāng)然，使用X系統(tǒng)的好處要遠大于它的不足。X系統(tǒng)提供了一個靈活的client/server模型，這樣 更有利于應(yīng)用的靈活加入。你可以在同一時間顯示不用的應(yīng)用窗口，而像GTK+/Fb等其他的GUI方式無法做到這一點，當(dāng)然QPE是個例外。

2.4 秒的延時，也并不能完全否定一切。在一個700MHZ的windows系統(tǒng)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(yīng)用程序，在500MHZ的PIII上，加載的時間也需要1.37秒。

對于啟動時間，需要采用其他的辦法來加以改善。一個策略就是在用戶等待的時候，顯示一些東西來表示系統(tǒng)正在工作，這樣會使用戶忽略掉啟動時間的緩慢。另一個策略就是可以預(yù)先在背后啟動一些通用的程序，來有效減少集中啟動的時間。這也是通常嵌入系統(tǒng)所慣用的做法。

優(yōu)化

在ARM7的系統(tǒng)上，由于沒有浮點運算FPU，所以GTK+中的浮點運算部分最好是去掉，否則會大大影響性能。GTK+使用到的浮點變量只分布在少數(shù)的幾個窗口中，并且去掉它們會帶來3%到12%的性能提高。

高 像素的應(yīng)用會導(dǎo)致速度較慢，這大多是由于GTK+與X中對高像素的效率低下的處理有關(guān)。如涉及到的XPM，XPM （X pixmap）格式是被設(shè)計來做到較好的兼容性，而不是更加快速。X系統(tǒng)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文件的，這就會帶來大量的上下文切換開銷。
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