概述

为了让各位开发者更好的了解深度操作系统,本文将以图文并茂的形式,讲解深度桌面操作系统的架构设计和基本模块的功能,帮助开发者纵观全局,更好的理解设计理念和方向,代码实现和模块依赖细节在此忽略,详细代码请各位开发者以https://github.com/linuxdeepin中的代码实现为准。

架构总览

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一个完整的桌面系统从技术剖面看,从下到上主要分这几层:

内核驱动层 主要用于驱动硬件,除了CPU、内存、磁盘外,最主要的要是要广泛兼容不同的网卡、显卡、声卡和外设等硬件设备。
显示服务层 从内核引导到plymouth(我们俗称的开机动画)后,只要你见到登录界面输入密码的时候,这时候X Server已经起来了, X Server简单来理解就是Linux系统中掌握着绘制图形界面生杀大权的“天神”,所有程序要绘制图形的时候都要发送消息到 X Server, X Server才会给你画出来。同时X Server也是事件输入(键盘鼠标)输出(显示器)的抽象层,开发者可以不用考虑底层驱动和显卡驱动细节,直接就可以使用X11/XCB的API进行应用开发,只不过更多的开发者是使用Gtk+/Qt这些在X11/XCB更上层的API进行应用开发。
显示管理器 简单的理解就是你看到的登录界面提示你输入密码的那个位置。
资源管理器 主要由一系列的底层守护程序来监控硬件的状态,并汇报给上层的桌面环境和应用进一步操作,比如常见的就有网络、电源、磁盘、蓝牙、声音、键盘、打印等。
桌面环境 以深度桌面环境为例,主要包括桌面环境后台服务和守护进程、桌面环境对外提供图形开发工具库、二进制工具、DBus API服务和桌面环境UI界面层几个部分组成的,后面我会详细讲每一个细节。
应用商店 主要提供系统的软件安装、卸载、升级等操作,保证用户可以安全方便的进行软件管理,同时提供了商店的评论和评分等功能。
应用程序 主要包括深度开发的系列应用、合作开发的国内应用、Android应用、Windows应用和网页应用。

显示管理器

首先看显示管理器,当X Server启动以后,根据系统启动服务的顺序,显示管理器就在 X Server 之后启动。

深度系统使用的是由Ubuntu开发的LightDM,其他主流的显示管理器还有 Gnome 的 GDM 和 KDE 的 KDM,使用LightDM的原因主要是 LightDM 非常的轻量,不绑定任何桌面环境,而且提供Gtk+、Qt、Html5等各种前端界面的定制接口,非常方便。

显示管理器主要是根据系统中已配置用户的权限对正在登录的用户提供权限认证和多用户切换功能,一旦认证通过后就从 greeter (LightDM 定制的配置接口)中执行下一步启动程序(通常是桌面环境的初始化程序),以显示桌面环境。

Deepin 开发了一个基于Qt5的前端界面程序, deepin-greeter 主要长这样:

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除了基本的用户认证、多用户切换、日期和关机功能以外,还会提供:

  • 多媒体的控制接口(右下角),方便用户锁屏和切换用户的时候切换音乐和暂停音乐
  • 当系统使用多屏幕时,启动和解锁时,会根据用户的鼠标位置切换锁屏主界面
  • 在用户输入密码的时候,就直接启动一些系统级的服务,比如电源、账户、亮度等守护程序,这样用户输入密码的过程很多系统服务就加载好了,相对于其他桌面环境同等服务缩短30%以上的登录时间。

DDE后台服务

当显示管理器认证成功以后,就会调用 greeter 的 exec 参数,深度桌面环境就是 startdde, startdde 从名字看很容易理解,就是启动深度桌面环境的引导程序,为了让深度桌面环境可以正常启动和显示,调用startdde时会执行以下操作:

  • 基本的桌面会话管理,比如大家熟知的注销、重启等操作;
  • 按照 xsettings 主题规范设置整个系统的主题,保证桌面环境以及桌面环境的应用,不论Gtk+还是Qt都可以正常的加载用户设置的主题。屏幕DPI设置也是在这个阶段初始化完成的;
  • 根据 freedesktop 的各种规范,规范应用程序的启动方法, 包括执行 *.desktop 文件的命令,启动提醒等;
  • 多屏的管理,保障桌面环境在多屏情况下,可以在正常的主屏显示任务栏和桌面程序;
  • 开机启动服务的顺序管理,比如会优先启动 dde 核心组件, 才运行启动其他应用程序,防止所有开机程序在登录的一瞬间同时启动,而这时候往往很多系统服务(比如DBus) 都还没准备好,大家一团乱抢CPU资源不但无法快速启动,还会导致其他程序都无法启动,想象一下3个人同时挤一个公交车门是什么状态?这时候startdde 就是登录后到dde守护进程启动之前的裁判,只有它授权的程序才能启动, 没有授权的都进入暂缓状态,直到更优先的程序启动完毕;

startdde 启动以后,首先会启动 dde-session-initializer 这个进程,这个进程的主要目的是提供给任务栏和启动器提供后台服务,主要包括:

  • 任务栏和启动器的有那些常驻程序
  • 所有应用程序的启动状态维护
  • 应用程序所在工作区和位置的状态维护
  • 当前系统中所有安装应用程序的图标、启动状态维护

dde-session-initializer 就相当于任务栏和启动器的后台守护进程,提供了任务栏和启动器的核心功能,如果没有这个程序,我们日常的应用图标点击、开机启动包括程序窗口的切换都无法进行。
dde-session-initializer 本来是 dde-session-daemon 的一部分,为了加快用户登录到桌面的速度,从 dde-session-daemon 中分离出来,用以加速任务栏和启动器的显示。

dde-session-daemon 和 dde-system-daemon 就是整个桌面操作系统的后台守护程序,这两个进程维护了所有硬件的状态,包括前面说的网络、电源、磁盘、蓝牙、声音、打印、授权、共享文件、键盘鼠标等,相当于对资源管理器的各种守护进程进行了更高层次的代码封装,把面向底层硬件状态的接口转换成面向用户设计导向的接口。
根据Linux的最小权限划分,又把所有的后台服务分成 dde-session-daemon 和 dde-system-daemon 两个进程,dde-session-daemon 只掌握那些不需要超级权限的功能模块,比如声音、键盘鼠标、日期时区等。dde-system-daemon 掌握那些需要超级权限的功能模块,比如电源、账户、文件操作、亮度等。通过超级权限的不同进程沙箱的划分,保证执行超级权限的进程被限制在最小化的范围,避免因系统权限传导而导致的很多安全事件。

dde-session-daemon 和 dde-system-daemon 做的事情举例说明:

  • 提供用户的创建、删除和管理功能
  • 管理多个屏幕的不同状态,包括位置、方向、分辨率和亮度等
  • 管理不同文件类型的默认程序和主题设置
  • 管理网络的有线、无线、VPN、DSL等网络设置
  • 管理蓝牙、声音、日期、时间时区等设置
  • 管理电源、键盘鼠标设置
  • 管理系统的升级和grub设置
  • 提供多点触摸板手势的服务

dde-sessin-initalizer、dde-session-daemon以及dde-system-daemon从功能上,相当于Gnome的 gnome-session-daemon 所做的事情,只不过深度团队根据用户的需要以及很多优化加速设计,用 golang 重写了整个后台守护进程的代码。可以说 DDE 和 Gnome以及KDE一样,都是调用底层的库(network-manager、upower、udisk、bluez、pluseaudio、cups、polkitd、gvfsd) 对桌面环境和应用提供更为抽象和高级的服务。

DDE API

在深度桌面环境的后台守护进程基础之上,桌面环境会对外提供一个API层,包括图形开发工具库、二进制工具和DBus API接口,供桌面环境和应用程序直接调用,而不用自己重头开发,其中DBus API部分都通过DBus总线在应用调用特定的接口时动态唤醒(默认不常驻内存),任何语言编写的应用都可以轻松调用,根据上面图所示,从左到右分别进行介绍。

DTK

DTK (Deepin Tool-Kit) 是基于Qt5开发的一整套UI图形库,方便统一的编写深度桌面和深度系列应用,主要的功能有:

  • 提供单实例的接口,方便直接使用,不用造轮子
  • 提供XCB窗口移动、缩放等一系列函数,无边框的窗口不用自己折腾几大本X11/XCB 的书了,开发者全部都做好了
  • 提供一大票美观的自绘控件,不用自己造Qt控件了,拉着直接用

感兴趣的开发者查看源代码:https://github.com/linuxdeepin/deepin-tool-kit,基于我们的DTK比直接基于Qt5开发,能够更快的开发出美轮美奂的产品, 同时也欢迎社区开发者大神吐槽和提交补丁。

dde-api binary utils

主要是 dde-session-daemon 和 dde-system-daemon 在开发过程中发展出来的二进制工具,方便深度桌面环境以外的应用可以直接使用这些工具,减少核心技术的重复开发:

  • greeter-helper: 提供锁屏界面的语言,键盘布局,主题等内容的设置接口
  • image-blur-helper: 提供壁纸模糊服务,你可以通过这个服务快速模糊一张图片,而不需要自己编写模糊算法,深度团队做的模糊算法,即使在龙芯芯片上都只需30ms的时间,要远远快于社区的模糊代码的性能
  • lunar-calendar: 提供日历查询服务
  • powersupply: 对电源接口的更高层封装,使用 `udev` 来获取电源状态以及电池信息
  • soundutils: 提供了播放桌面音效的相关接口
  • validator: 用户名正确验证器,不用自己编写一大堆正则表达式来做这件枯燥的事情
  • cursor-helper: 提供了光标主题的设置接口
  • drandr: 对 `x11 randr api` 更高级的接口封装,提供显示器的详细信息
  • dxinput: 对 `x11 xi/xi2 api` 更高级的接口封装,提供输入输出设备的属性获取及设置功能
  • 后面还有很多其他高级服务,都是由https://github.com/linuxdeepin/dde-api 提供的,欢迎各位社区开发者研究,扩展其玩法

dde-daemon dbus API

这一部分主要是由dde-session-daemon和dde-system-daemon提供的DBus接口给深度控制中心前端界面使用的,外部应用程序也可以直接使用这部分API来快速开发,而不用自己研究和编写与系统底层软硬件打交到的代码,简单的说几个功能,感兴趣的朋友可以直接查看深度控制中心的界面代码:https://github.com/linuxdeepin/dde-control-center

  • 查询当前系统有几个屏幕,哪些屏幕是主屏,分辨率是多少?
  • 查询当前系统的语言、亮度、音量等设置
  • 查询当前系统的网络链接状态:连接的是无线还是有线,有没有开启VPN?
  • 查询当前系统的日期时间、时区、键盘鼠标等外设的状态

只要控制中心界面显示的所有硬件状态,都可以通过dde-api提供的DBus接口服务查询到,而这些DBus API后面的源代码都是深度操作系统研发人员经过非常多的时间打磨好的,不用自己痛苦的去裸写底层库(network-manager、pluseaudio、bluez、upower、udisk等)代码,大大节约了应用开发者编写高级功能的时间和投入成本。

DDE UI

深度桌面环境的最后一部分就是深度桌面环境的UI展示层,主要有:

deepin-wm 主要写了两个窗口管理器,根据用户的硬件性能和显卡驱动情况自动使用2D窗口管理器还是3D窗口管理器。其中deepin-metacity是基于metacity的基础之上开发的2D窗口管理器,适用于低配置电脑或者显卡驱动没有正常驱动的电脑,对系统消耗的资源比较小但是动画效果比较生硬,deepin-wm是基于mutter编写的3D窗口管理器,也是官方的默认窗口窗口管理器,主要用于显卡驱动正常和高配置的电脑,同时也提供更多的动画细节让整个桌面环境动效更优雅
dde-desktop 提供桌面基本的文件网格显示和基本的文件操作,dde-desktop通过libdde-file-manager这个库来保证所有的文件显示和文件操作效果和深度文件管理器(dde-file-manager) 保持一致
dde-dock 主要提供图形化的任务栏图标管理和状态维护、在屏幕中位置以及两种风格的切换
dde-launcher 主要提供系统已经安装应用的展示、搜索和启动等功能
dde-control-center 提供对所有硬件资源控制的前端界面,包括账户、主题、网络、蓝牙、声音、外设、默认设置程序、日期时间、电源以及系统升级等模块
dde-osd 当按下音量、亮度等多媒体按键时在屏幕中间显示快速提示
deepin-menu 统一所有软件右键菜单的UI细节
deepin-notificaiton 通过右上角提供系统的通知服务,根据不同应用显示不同的快速跳转按钮
deepin-policykit-agent 主要按照深度的UI设计规范做个了密码认证对话框,保证所有程序,不论是Gtk+还是Qt写的,在密码验证的时候都弹出UI细节一模一样的对话框
deepin-icon-theme 世界上风格最统一,数量最多的图标,包括应用商店上千款应用的图标,具体请查看https://github.com/linuxdeepin/deepin-icon-theme/tree/master/deepin
deepin-gtk-theme 主要是针对深度自己的设计规范来重新制作的整套窗口主题(Gtk+2、Gtk+3、Qt4、Qt5)
deepin-default-settings 深度桌面环境默认的设置,比如默认的壁纸、图标主题等默认设置
qt5-integration 给Gtk+和Qt源码编写了补丁,保证所有程序弹出的文件打开对话框都是完全一致的体验,不论是Gtk+还是Qt编写的程序,再也不用为不同图形库开发的程序弹出不同风格的文件打开对话框而烦恼

深度应用商店

深度商店是Linux下第一款有产品质量和交互体验优秀的应用商店。

除了支持深度系列应用, 还通过 deepin-wine 支持50+多款Windows应用,通过内置 Android runtime支持200+多款Android应用(比如愤怒小鸟,各种视频客户端),通过和Intel合作开发 deepin-xwalk 直接支持html5应用(比如Gliffy等)还可以自己记住窗口大小(而不是打开一个贼大的浏览器)

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深度应用商店从技术架构上,主要分为lastore-daemon、lastore-session-helper、deepin-appstore三个部分:

  • lastore-daemon:应用商店的核心部分,主要负责所有软件的安装程序的下载、哈希安全校验、依赖分析、本地缓存管理、软件安装、软件卸载和软件升级等工作,这个守护进程会和深度的软件仓库智能的通信,在后台保障整个操作系统应用的更新和安全守护。lastore-daemon同时会在 apt/dpkg 程序中加入钩子,不论用户是从应用商店还是终端中安装的程序都会被商店守护进程管理和保护,避免一些高级用户从终端安装以后把系统的依赖弄坏。
  • lastore-session-helper:上面说的lastore-daemon默认就会有超级权限以进行软件包的管理,但是一些普通的用户会话级的操作,比如安装成功以后通过右上角通知提醒用户,本地化管理这些操作都是不需要超级权限的,为了最小化超级权限代码的执行范围,最大程度保证用户安装软件的安全,开发者就从 lastore-daemon 中剥离了这部分代码放到lastore-session-helper中以普通权限来执行。
  • deepin-appstore:这个就是大家上面看到客户端部分的代码,简单来说就是一个CEF框架基础上构建的应用程序壳,处理客户端本地的用户交互然后嵌入一个网页,商店的服务器一旦更新了新的软件后,就会通知deepin-appstore进行页面刷新。还包括评论、评分等操作的界面接口。从技术的角度来形容,deepin-appstore就是一个具有本地客户端操作和样子的简易浏览器。