借evdev之力 Linux全域性熱鍵魔改造

Shihira發表於2019-02-16
devLinux

霓虹語標題我都想好了。evdevの力を貸して、Linuxでホットキーの魔改造

Linux使用者就像Minecraft玩家，雖然大家玩的都是Minecraft，但是，臥槽，我們一定是在玩不同的遊戲（見到建築師的MC作品時來自小白的驚歎）。要讓自己的Linux別人不會用，別人的Linux自己不會用，最重要的當然是要把快捷鍵改得驚天地泣鬼神。

作為一個Vim癮君子，我的需求就是手儘量不要離開主鍵盤區。對，方向鍵我都不想按。於是我想通過一些組合鍵去實現上下左右。有人認為CapsLock按起來方便，我自己比較喜歡按Alt，因為就在空格鍵旁邊，觸手可及。總的來說，我希望Alt+[H|J|K|L]分別變成左下上右，Alt+0變成Home, Alt+4變成End。

我自己試用過很多修改鍵位或者新增熱鍵的工具，包括著名的AutoKey。很可惜，它們大都不好用。比如說，我採取這樣的操作序列Alt Down, K Down, K Up, Alt Up，這些軟體大多會採取在檢測到K Down的時候，同時發出Alt Up, ↑ Down，以便撤銷掉先前一個Alt Down的作用，然後發出↑鍵按下的事件。這裡有一個問題，就是很多GUI在Alt Down, Alt Up之後，會喚出選單，從而失焦於輸入框。

另外一方面就是，真的不是哪裡都能用。至少，你不可能拿它去玩賽車遊戲。你也不能在TTY中繼續使用這些熱鍵。此外還有許許多多的地方不能使用。熱鍵是一種會上癮的東西，在它失效的時候，你就會有戒斷綜合徵。想摔鍵盤。

evdev和uinput

我試過從GNOME和X11入手，貌似沒有什麼好用的方案。XGrabKeyboard一定程度上可以做到接管的效果，但是要指定視窗，似乎還會讓視窗失焦。總而言之稍微有點太繞。不過Linux最好的一點，就是它很裸露。如果從高於驅動低於X11的層入手，興許會有比較好的效果。

evdev核心中通用的輸入裝置驅動，它為裝置提供了/dev/input下字元裝置介面。它非常底層，核心在進行中斷處理後，第一時間就將輸入資料交由它處理。但是它一點都不反直覺，甚至還提供了很好用的工具libevdev，可以直接用Python處理訊息。不少人改遊戲手柄都是通過evdev進行的。

uinput是一個特殊的虛擬裝置，它允許你直接在使用者態向核心插入輸入事件 —— 一般而言就是直接向/dev/uinput寫資料，不過當然，要服從libevdev提供的介面/資料結構。這些事件之後會在另一個evdev字元裝置裡，假裝是物理裝置的輸入，被X的libinput取出來或者由TTY轉為stdin。

Quick Start

這種實驗性的東西就不用C寫了。evdev提供了十分好用的Python Bindings，我們可以直接在Python裡寫我們的快捷鍵配置。我們先用pip install evdev安裝它，然後在用它提供的示例指令碼來測試一下evdev輸入的究竟是什麼東西：sudo python -m evdev.evtest /dev/input/by-path/platform-i8042-serio-0-event-kbd（這裡我鍵盤的路徑是i8042鍵盤控制器上的，你需要根據你電腦上的配置來調整）

time 1504189579.19    type 4 (EV_MSC), code 4    (MSC_SCAN), value 21
time 1504189579.19    type 1 (EV_KEY), code 21   (KEY_Y), value 1
time 1504189579.19    --------- SYN_REPORT --------
time 1504189579.28    type 4 (EV_MSC), code 4    (MSC_SCAN), value 21
time 1504189579.28    type 1 (EV_KEY), code 21   (KEY_Y), value 0
time 1504189579.28    --------- SYN_REPORT --------
time 1504189579.29    type 4 (EV_MSC), code 4    (MSC_SCAN), value 18
time 1504189579.29    type 1 (EV_KEY), code 18   (KEY_E), value 1
time 1504189579.29    --------- SYN_REPORT --------
time 1504189579.4     type 4 (EV_MSC), code 4    (MSC_SCAN), value 18
time 1504189579.4     type 1 (EV_KEY), code 18   (KEY_E), value 0
time 1504189579.4     --------- SYN_REPORT --------
time 1504189579.48    type 4 (EV_MSC), code 4    (MSC_SCAN), value 31
time 1504189579.48    type 1 (EV_KEY), code 31   (KEY_S), value 1
time 1504189579.48    --------- SYN_REPORT --------
time 1504189579.64    type 4 (EV_MSC), code 4    (MSC_SCAN), value 31
time 1504189579.64    type 1 (EV_KEY), code 31   (KEY_S), value 0
time 1504189579.64    --------- SYN_REPORT --------

這裡我按了yes三個鍵，可以看到，每一個動作（按下或釋放，表現在EV_KEY的value的1或0上），都會產生三個事件，分別是EV_MSC，EV_KEY和EV_SYN。根據 https://lp007819.wordpress.com/2013/02/12/再談linux-input子系統/的說法，事實上是有四個訊息的發出，但是第一個通常不被支援（隱身了），第二個MSC_SCAN通常會被應用程式忽略，第三個EV_KEY才是真正會被接收的，第四個是同步，可以看到就是用來產生萌萌的分界線的（笑）

有了這一層認識我們就知道，三個事件合起來，才是一次真正的輸入。

開始動工

就我的需求而言，我腦子裡第一個浮現的抽象機制就是狀態機，不知為何。一個比較合適的設計是兩層的自動機，第一層用來為這三個一組的事件分組，分好組之後成為第二層狀態機的輸入，一個二元組(key-scan-code, up/down/hold)。第二層狀態機我花了好些時間去構思，結果大概是這樣的：

State Input Pattern Transition Action
Normal (Left Alt, Down) Alt –
Normal ELSE Normal inject
Alt (J/K/H/L/0/4, *) Mapped mapped
Alt (Left Alt, Up) Normal inject_alt_down, inject_alt_up
Alt ELSE Inject inject_alt_down, inject
Inject (J/K/H/L/0/4, *) Mapped inject_alt_up, mapped
Inject (Left Alt, Up) Normal inject_alt_up
Inject ELSE Inject inject
Mapped (J/K/H/L/0/4, *) Mapped mapped
Mapped (Left Alt, Up) Normal –
Mapped ELSE Inject inject_alt_down, inject

是不是頭都暈了。把它畫出來或許會比較清楚，不過我也沒這個閒心拿繪圖軟體再畫一遍了。有四個狀態，分別是：

  • 正常狀態 (Normal)，除了Alt以外所有鍵都直接發射到uinput裡

  • 剛按了下Alt鍵 (Alt)，現在還不能確定Alt鍵會否形成組合鍵

  • 插入狀態 (Inject)，不是我們想要的熱鍵，連剛才的Alt一起發射到uinput裡

  • 對映狀態 (Mapped)，是熱鍵，把對映過之後的鍵發射出去，比如按下了K就發射Up

Inject和Mapped狀態之間轉換時，還要把一些Alt鍵的動作補充一下，以防誤導其它應用程式。

關於evdev本身的使用上，evdev的文件已經說得非常詳盡。在這個指令碼里，僅僅用到了少量的功能，比如從/dev/input裡讀事件，我是block read，但是你也可以用select或者epoll去非同步完成這些操作。：

# 留意！需要Root許可權！
dev = evdev.InputDevice(`/dev/input/by-path/platform-i8042-serio-0-event-kbd`)

for event in dev.read_loop():
    kev = evdev.categorize(event)
    ks.input(kev) # 第一層狀態機
    process(ks) # 第二層狀態機，以第一層狀態的結果為輸入

Inject這樣的操作就是往uinput裡面一次過寫三個事件（含同步）：

ui = evdev.UInput()

def __inject(keycode, keystate):
    global ui
 
    ui.write(ecodes.EV_MSC, ecodes.MSC_SCAN, keycode)
    ui.write(ecodes.EV_KEY, keycode, keystate)
    ui.syn()

當然，最重要的一點是怎樣做到獨佔讀，也就是託管整個裝置的事件處理不讓它側漏呢？我們為它設定GRAB。Grab了之後，整個系統只有當前程式讀得到鍵盤的輸入。如果這個裝置已經被別人Grab了，這個操作就會失敗。

dev.grab()
dev.ungrab()

整份程式碼已經上傳到 https://github.com/Shihira/la…，歡迎斧正。

參考資料：

相關文章