dotnet 理解 X11 的 24 位或 32 位色深視窗

lindexi發表於2024-07-13

本文記錄在 X11 裡面的視窗與顏色的位色深關係

本文屬於學習 CPF 框架部落格，感謝小紅帽的 CPF 框架。更多關於 CPF 框架，請參閱 https://gitee.com/csharpui/CPF

本文這裡的 24 色或 32 色表示的是用多少個 bit 表示一個畫素的顏色。比如常見的 24 色就是 RGB 三個顏色分量，一個顏色分量佔 8 個 bit 長度。而 32 色常見就是在 24 色基礎上加上 8 個 bit 的 Alpha 透明度。簡單理解就是 24 色是不帶透明的，而 32 色是帶透明的

在 X11 裡面，簡單的建立視窗的程式碼大概如下圖所示（看不見圖片的話，開瀏覽器的不安全內容相容，我的圖片是 http 的不是 https 的）

此時建立出來的視窗是預設 24 色的

為什麼呢？透過開源的 XLib 的原始碼可以看到 XCreateSimpleWindow 的函式實現程式碼如下

Window XCreateSimpleWindow(
    register Display *dpy,
    Window parent,
    int x,
    int y,
    unsigned int width,
    unsigned int height,
    unsigned int borderWidth,
    unsigned long border,
    unsigned long background)
{
    Window wid;
    register xCreateWindowReq *req;

    LockDisplay(dpy);
    GetReqExtra(CreateWindow, 8, req);
    req->parent = parent;
    req->x = x;
    req->y = y;
    req->width = width;
    req->height = height;
    req->borderWidth = borderWidth;
    req->depth = 0;
    req->class = CopyFromParent;
    req->visual = CopyFromParent;
    wid = req->wid = XAllocID(dpy);
    req->mask = CWBackPixel | CWBorderPixel;

    {
	register CARD32 *valuePtr = (CARD32 *) NEXTPTR(req,xCreateWindowReq);
	*valuePtr++ = background;
	*valuePtr = border;
    }

    UnlockDisplay(dpy);
    SyncHandle();
    return (wid);
}

上面程式碼核心就是 XCreateSimpleWindow 的各個配置都是 CopyFromParent 的。那上圖的 XCreateSimpleWindow 傳入的 parent 是什麼？其實就是 RootWindow 視窗

在 X11 裡面，所有的視窗都是 RootWindow 視窗的子視窗

嘗試使用以下程式碼來獲取 RootWindow 的色深

using static CPF.Linux.XLib;

var display = XOpenDisplay(IntPtr.Zero);
var screen = XDefaultScreen(display);

var rootWindow = XRootWindow(display, screen);
var rootWindowWindowAttributes = new XWindowAttributes();
XGetWindowAttributes(display, rootWindow, ref rootWindowWindowAttributes);
Console.WriteLine($"RootWindowDepth={rootWindowWindowAttributes.depth}");

可以看到控制檯輸出的是 RootWindowDepth=24 的內容，證明預設就是 24 色

在堆疊網上也有大佬說了這個事情

在很古老的時候預設的 X11 就使用的是 24 色，不包含透明色

而對於 CPF 或 Avalonia 框架來說，所建立的視窗預設都是 32 色。其建立視窗的方法大概的程式碼如下

var display = XOpenDisplay(IntPtr.Zero);
var screen = XDefaultScreen(display);
var rootWindow = XDefaultRootWindow(display);

XMatchVisualInfo(display, screen, depth: 32, klass: 4, out var info);
var visual = info.visual;

... // 省略程式碼
var valueMask = ...
var xSetWindowAttributes = new XSetWindowAttributes { ... };

var handle = XCreateWindow(display, rootWindow, x: 0, y: 0, width, height, border_width: 5,
    depth: 32,
    (int) CreateWindowArgs.InputOutput,
    visual,
    (nuint) valueMask, ref xSetWindowAttributes);

可以看到是在 XMatchVisualInfo 裡面傳入 32 顏色深度獲取的 visual 以及建立視窗時也傳入同樣的 32 顏色深度

以上程式碼放在 github 和 gitee 上，可以使用如下命令列拉取程式碼

先建立一個空資料夾，接著使用命令列 cd 命令進入此空資料夾，在命令列裡面輸入以下程式碼，即可獲取到本文的程式碼

git init
git remote add origin https://gitee.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin ccaa9a2c0e7761074a463f2bcfdc002c36e9c529

以上使用的是 gitee 的源，如果 gitee 不能訪問，請替換為 github 的源。請在命令列繼續輸入以下程式碼，將 gitee 源換成 github 源進行拉取程式碼

git remote remove origin
git remote add origin https://github.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin ccaa9a2c0e7761074a463f2bcfdc002c36e9c529

獲取程式碼之後，進入 X11/FebijebefaiKeremcijee 資料夾，即可獲取到原始碼

以上程式碼的 XMatchVisualInfo 方法只是嘗試匹配，雖然現在大部分裝置都是支援 32 色的，但是依然有些舊裝置或者特殊需求的系統會配置只支援 24 色。推薦的做法是進行一次降級。那如果只支援更低的顏色呢？那此時無論是 CPF 還是 Avalonia 還是 UNO 都開始頂不住了，如果有這樣的需求，那還請到各自的開源倉庫提需求

對於舊的 UNO 框架，在建立軟渲染的 X11 平臺的視窗時，使用的是 XCreateSimpleWindow 進行建立，這將會導致無法設定視窗背景透明。核心原因是 XCreateSimpleWindow 加 RootWindow 的組合是 24 色的。我在 UNO/#16956 裡將其修改。也在 UNO 裡面加入了自動降級的功能，即預設嘗試使用 32 色深度建立視窗，如果不支援再降低到 24 色

視窗的顏色深度將會影響到各個方面，其中最受影響的是建立 XImage 部分。在使用 XCreateImage 或者直接 new XImage 的時候，都需要傳入 depth 引數的值。這裡的 depth 引數需要和視窗的顏色深度匹配，否則將會看到一些奇怪的錯誤

額外說明的是對於 XImage 來說，深度是一回事，還有顏色格式也是很重要的

在 X11 裡面有 XYBitmap 和 XYPixmap 和 ZPixmap 三個不同的格式，其中 ZPixmap 是一個畫素接著一個畫素的排序過去的，和 DirectX 或 OpenGL 等的畫素格式能夠非常好的貼近。當然了，這裡絕大部分情況下都是和 DirectX 沒有關係的啦，這裡只是強行關聯而已

那 XYPixmap 是什麼格式的呢？這個格式是每個顏色分量一個通道表示，一個個通道的值排列過去。即按照一個個畫素裡面的每個顏色分量分別列舉出來。和 ZPixmap 做一個對比，大概可以透過如下的顏色值看起來其差異

ZPixmap ： RGBA RGBA RGBA RGBA RGBA RGBA
XYPixmap:  RRRR RRRR GGGG GGGG BBBB BBBB

假如資料的傳入是一點點傳輸過來的，那麼也許使用者可以在 XYPixmap 格式裡面的輸出看到先是畫出整個畫面的紅色部分，再疊加綠色部分，最後再疊加藍色部分。也許這是在古老的裝置裡面有所效能最佳化的。但是這樣的格式無論是 OpenGL 還是 DirectX 都會不開森的，寫引擎的開發者說不定也不會開森的

最後的 XYBitmap 格式其實就是 XYPixmap 的弱化版本，即只支援一個顏色分量，常用於簡單的黑白圖

在 Skia 裡面，如果想要和 ZPixmap 相對應，就需要使用 SKColorType.Bgra8888 格式，在 32 色深下配置 SKAlphaType.Premul 引數。這裡的 Bgra8888 表示的意思就是使用 BGRA 這幾個顏色分量，且每個分量使用 8 個 bit 表示，也就是一個畫素總共是 8 個 bit 乘以 4 個顏色分量，就是 32 個 bit 長度

常用的與 X11 對接的 Skia 的建立程式碼如下

        var skBitmap = new SKBitmap(xDisplayWidth, xDisplayHeight, SKColorType.Bgra8888, SKAlphaType.Premul);

對應的建立 XImage 的程式碼如下

        const int bytePerPixelCount = 4; // RGBA 一共4個 byte 長度
        var bitPerByte = 8;

        var xImage = new XImage();
        int bitsPerPixel = bytePerPixelCount * bitPerByte;
        xImage.width = skBitmap.Width;
        xImage.height = skBitmap.Height;
        xImage.format = 2; //ZPixmap;
        xImage.data = skBitmap.GetPixels();
        xImage.byte_order = 0; // LSBFirst;
        xImage.bitmap_unit = bitsPerPixel;
        xImage.bitmap_bit_order = 0; // LSBFirst;
        xImage.bitmap_pad = bitsPerPixel;
        xImage.depth = bitsPerPixel;
        xImage.bytes_per_line = skBitmap.Width * bytePerPixelCount;
        xImage.bits_per_pixel = bitsPerPixel;
        XInitImage(ref xImage);

以上方式是 Skia 進行軟渲染與 X11 對接的常用程式碼

當 Skia 繪製完成之後，收到 X11 的曝光事件時，可以使用 XPutImage 進行推送，大概程式碼如下

            if (@event.type == XEventName.Expose)
            {
                // 曝光時，可以收到需要重新繪製的範圍
                XPutImage(Display, Window, GC, ref _image, @event.ExposeEvent.x, @event.ExposeEvent.y, @event.ExposeEvent.x, @event.ExposeEvent.y, (uint) @event.ExposeEvent.width,
                    (uint) @event.ExposeEvent.height);
            }

    private XImage _image;

在進行曝光推送之後，即可立刻使用 Skia 進行繪製下一個畫面，不需要擔心此時 XImage 還沒推送出去以及可能存在的多執行緒問題。這是因為在預設的 Lib-X11 的實現裡面，呼叫 XPutImage 時，將會立刻將 XImage 的 data 進行複製

在本文以下程式碼來自於 https://gitlab.freedesktop.org/xorg/lib/libx11 的 97fb5bda3d0777380cd4b964f48771a82ef3f2a7 版本。在 xlib.h 定義的 XPutImage 程式碼如下

extern int XPutImage(
    Display*		/* display */,
    Drawable		/* d */,
    GC			/* gc */,
    XImage*		/* image */,
    int			/* src_x */,
    int			/* src_y */,
    int			/* dest_x */,
    int			/* dest_y */,
    unsigned int	/* width */,
    unsigned int	/* height */
);

核心實現在 PutImage.c 檔案裡面，核心實現或進入的程式碼如下，以下程式碼有刪減

int
XPutImage (
    register Display *dpy,
    Drawable d,
    GC gc,
    register XImage *image,
    int req_xoffset,
    int req_yoffset,
    int x,
    int y,
    unsigned int req_width,
    unsigned int req_height)

{
        ...
	    LockDisplay(dpy);
	    FlushGC(dpy, gc);
	    PutSubImage(dpy, d, gc, &img, 0, 0, x, y,
			(unsigned int) width, (unsigned int) height,
			dest_bits_per_pixel, dest_scanline_pad);
	    UnlockDisplay(dpy);
        ...
}

以上的 PutSubImage 為核心實現，此方法用於推送圖片的一部分內容

其核心實現程式碼如下，以下程式碼有刪減

static void
PutSubImage (
    register Display *dpy,
    Drawable d,
    GC gc,
    register XImage *image,
    int req_xoffset,
    int req_yoffset,
    int x, int y,
    unsigned int req_width,
    unsigned int req_height,
    int dest_bits_per_pixel,
    int dest_scanline_pad)
{
        ...
        PutImageRequest(dpy, d, gc, image, req_xoffset, req_yoffset, x, y,
			req_width, req_height,
			dest_bits_per_pixel, dest_scanline_pad);
        ...
}

繼續進入 PutImageRequest 方法的實現，程式碼如下

static void
PutImageRequest(
    register Display *dpy,
    Drawable d,
    GC gc,
    register XImage *image,
    int req_xoffset, int req_yoffset,
    int x, int y,
    unsigned int req_width, unsigned int req_height,
    int dest_bits_per_pixel, int dest_scanline_pad)
{
    register xPutImageReq *req;

    GetReq(PutImage, req);
    req->drawable = d;
    req->gc = gc->gid;
    req->dstX = x;
    req->dstY = y;
    req->width = req_width;
    req->height = req_height;
    req->depth = image->depth;
    req->format = image->format;
    if ((image->bits_per_pixel == 1) || (image->format != ZPixmap))
	SendXYImage(dpy, req, image, req_xoffset, req_yoffset);
    else
	SendZImage(dpy, req, image, req_xoffset, req_yoffset,
		   dest_bits_per_pixel, dest_scanline_pad);
}

以上程式碼的 SendXYImage 和 SendZImage 就是分別對應上文的 XYBitmap 和 XYPixmap 和 ZPixmap 格式了。基本上咱會使用的都是 ZPixmap 格式，也就進入 SendZImage 方法

兩個方法的實現邏輯都差不多，核心程式碼如下，以下程式碼有刪減

static void
SendZImage(
    register Display *dpy,
    register xPutImageReq *req,
    register XImage *image,
    int req_xoffset, int req_yoffset,
    int dest_bits_per_pixel, int dest_scanline_pad)
{
    ...
    src = (unsigned char *)image->data +
	  (req_yoffset * image->bytes_per_line) +
	  ((req_xoffset * image->bits_per_pixel) >> 3);

	Data(dpy, (char *)src, length);
    ...
}

以上的 Data 是一個宏定義，大概程式碼如下

#define Data(dpy, data, len) {\
	if (dpy->bufptr + (len) <= dpy->bufmax) {\
		memcpy(dpy->bufptr, data, (size_t)(len));\
		dpy->bufptr += ((size_t)((len) + 3) & (size_t)~3);\
	} else\
		_XSend(dpy, (_Xconst char*)(data), (long)(len));\
}

可以看到在緩衝區沒有滿的情況下，將會使用 memcpy 將其進行複製到緩衝區。緩衝區滿的時候，將立刻傳送出去

透過以上程式碼可以看到，呼叫 XPutImage 之後，將會使用 memcpy 方法將傳入的 XImage 的 data 進行複製，這也就是為什麼在呼叫完成 XPutImage 之後，可以立刻讓 Skia 繪製畫面的原因

透過以上邏輯也可以看到此時的使用 Skia 進行軟渲染繪製，是需要在 XLib 底層做一次圖片畫素二進位制複製的，即 Skia 輸出內容不是直接到螢幕的，相當於離屏渲染，再透過 XLib 將圖片傳送到 X 服務進行繪製，最後再顯示到螢幕上

更多細節還請大家自行閱讀原始碼，這部分程式碼很多都是 20 多年都沒有更改的

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