Wayland 与 Qt
Wayland 是作为 Linux 平台上 X11 的替代方案而开发的。其主要目的是管理应用程序的内容如何在共享屏幕上协同显示，以及用户如何与共享同一输入设备的多个应用程序进行交互。
操作系统中的这一角色通常被称为显示服务器。Wayland 显示服务器有时也被称为合成器或窗口管理器，这指的是它作为职责的一部分所执行的特定任务。
下文将简要介绍 Wayland 及其在 Qt 中的作用。有关 Wayland 本身的更多详细信息和背景知识，请参阅官方文档。
什么是显示服务器
显示服务器是操作系统中负责管理屏幕空间及其他共享资源的组件。在典型的桌面系统中，可能会有许多独立的应用程序同时运行，每个应用程序都期望能够将图形渲染到屏幕上并接收输入。
显示服务器是应用程序与屏幕、输入设备等共享资源之间的桥梁。 桌面系统中的典型显示服务器会将应用程序内容放置在独立的矩形“窗口”中，用户可以移动和调整这些窗口的大小。显示服务器确保应用程序内容在屏幕上的正确位置显示，确保活动窗口能够接收来自键盘的输入，确保重叠的窗口按正确顺序绘制，等等。
在其他类型的系统中，显示服务器的限制可能更多。例如，如果屏幕是汽车的仪表盘或叉车的控制面板，那么移动和调整窗口大小可能并不合适。相反，每个应用程序可能会被锁定在屏幕的预定义区域内，并从预先分配的设备接收输入。
无论哪种情况，只要存在多个相互隔离的进程在争夺相同的资源，显示服务器就很有用。
Wayland 的作用
“Wayland”这一名称可能指代以下几个相关概念：
- 一套用于显示服务器与其客户端之间通信的协议。
- 一个用 C 语言编写的库，包含用于进程间通信的函数，是实现上述协议的基础。
- 一种基于XML的语言，用于扩展该协议，同时也是一种工具，可据此生成C语言的绑定代码。
Qt 为该协议的客户端和服务器端均提供了实现。
通过选择“wayland” QPA 插件（在某些系统上这是默认设置），普通 Qt 应用程序可在 Wayland 显示服务器上作为客户端运行。您可以通过使用-qpa wayland 选项来实现这一点。此外， Qt Wayland Compositor 模块还可用于开发显示服务器本身。
Qt 还提供了便捷功能，可轻松通过新接口扩展 Wayland 协议。
Wayland 与其他技术
在 Linux 桌面上，Wayland 是 X11 及其相关扩展的替代方案。其核心是一个合成显示服务器，因此“合成器”（compositor）一词常被用来描述 Wayland 服务器。 这意味着客户端会将内容渲染到屏幕外的缓冲区中，随后该内容将与屏幕上其他客户端的内容进行“合成”，从而实现阴影、透明度、背景模糊等窗口特效。
原始 X11 协议的一项重要设计原则是：显示服务器可以在仅配备屏幕和输入设备的瘦终端上运行。其客户端则运行在具有更强处理能力的远程系统上，并通过网络连接与服务器通信。
相比之下，Wayland 的设计基于这样一种观察：在现代配置中，客户端和显示服务器通常运行在同一台硬件上。分布式计算、远程存储和远程桌面功能通常通过其他机制来处理。 将这一特性设计到协议中，使得客户端和服务器之间能够共享图形内存：当合成器将客户端内容放置到屏幕上时，只需将其从图形内存的一个区域复制到另一个区域即可。
为了使该机制发挥最佳效果，图形驱动程序必须支持 Wayland。这种支持是通过EGL 的一个名为EXT_platform_wayland 的扩展提供的。
注意：Qt Wayland 还支持在不支持EXT_platform_wayland 的系统上进行合成处理，方法是通过XComposite ，或者将应用程序内容复制到共享的 CPU 内存中。但为了获得最佳性能，我们建议使用支持相关驱动程序的系统。
X11 已通过扩展支持合成和直接渲染等功能，但 Wayland 则是从底层开始专为这些用例设计的。与 X11 随时间推移逐渐变得日益复杂不同，Wayland 旨在保持轻量且可扩展。
可扩展性与嵌入式系统
由于 Wayland 核心轻量且易于扩展，因此在构建嵌入式 Linux 平台时，它是一个理想的工具。
例如，桌面风格的窗口系统功能并不属于核心协议的一部分。相反，Wayland 提供了一类名为“shell”的特殊协议扩展，用于让客户端管理其显示区域。 桌面风格的功能是通过名为XDG Shell 的shell提供的。对于其他类型的系统，可以使用更专业（或许也更受限制）的“shell”。例如，在构建In-Vehicle Infotainment 系统时，IVI Shell 可能更合适。
当客户端连接时，Wayland 服务器会广播其支持的协议（或“接口”）列表，客户端可绑定至其希望使用的协议。这些可以是任何标准接口，但新增扩展也非常简单。 Wayland 定义了一种易于理解的 XML 格式来定义协议，并可使用waylandscanner 工具根据这些协议生成 C 代码。（在 Qt 中，我们还提供了qtwaylandscanner ，它可生成额外的 C++ 绑定代码。）
客户端绑定到接口后，即可向服务器发出“请求”，服务器也可向客户端发送“事件”。这些请求和事件及其参数，均在描述该协议的 XML 文件中定义。
对于从零开始构建平台的情况，当您同时控制服务器和客户端的代码时，添加扩展是一种简单且可控的方式，用于增加操作系统功能。
多进程还是单进程
在使用 Qt 构建简单的嵌入式平台时，让用户界面的所有组件都在单个进程中运行是一个完全可行的选择。然而，随着系统变得越来越复杂，你可能需要考虑改用多进程系统。这就是 Wayland 派上用场的地方。 使用 Qt 时，在开发过程的任何阶段，你都可以选择在单进程和多进程之间切换。
多进程的优势
下图展示了多进程系统与单进程系统之间的区别。
多进程客户端架构
单进程客户端架构
该 Qt Wayland Compositor 模块非常适合在嵌入式 Linux 的多进程系统中创建显示服务器和合成器。采用多进程架构具有以下优点：
| 稳定性 | |
|---|---|
| 当客户端挂起或崩溃时，更容易恢复 | 如果您的用户界面较为复杂，那么多进程架构就非常有用，因为即使用户界面的某一部分发生崩溃，也不会影响整个系统。同样地，即使某个客户端卡死，界面也不会冻结。 注意：如果 法律规定您的客户端必须呈现安全关键信息，请考虑使用 Qt Safe Renderer。 |
| 防范潜在的内存泄漏 | 在多进程系统中，如果某个客户端出现内存泄漏并消耗大量内存，该内存会在该客户端退出时被回收。这与单进程系统不同，在单进程系统中，内存泄漏会一直存在，直到整个系统重启为止。 |
| 安全性 |
|---|
| 在单进程系统中，所有客户端都可以访问彼此的内存。例如，敏感数据传输没有隔离机制；每一行代码都必须同样值得信赖。而在多进程系统中，这种隔离机制是设计使然。 |
| 性能 |
|---|
| 如果您的 CPU 具有多个核心，多进程系统可以帮助将负载均匀地分配到不同的核心上，从而更高效地利用 CPU。 |
| 互操作性 |
|---|
| 在多进程系统中，只要您的客户端支持 Wayland 或 X11，即可与非 Qt 客户端进行交互。例如，如果您使用 gstreamer 处理视频，或者希望使用基于其他 UI 工具包构建的导航应用程序，都可以将这些客户端与其他基于 Qt 的客户端并行运行。 |
多进程的权衡
从单进程过渡到多进程时，务必注意以下权衡：
| 视频内存消耗增加 |
|---|
| 这可能会对嵌入式设备造成限制。在多进程模式下，每个客户端都需要拥有自己的图形缓冲区，并将数据发送给合成器。因此，与单进程模式相比，视频内存消耗会增加：在单进程模式下，所有内容会一次性绘制完成，无需将不同部分存储在中间缓冲区中。 |
| 主内存消耗增加 |
|---|
| 除了操作系统层面的额外开销外，运行多个客户端还可能消耗更多主内存，因为某些组件需要为每个客户端各复制一份。例如，如果运行 QML，每个客户端都需要一个独立的 QML 引擎。因此，如果仅运行一个使用Qt Quick Controls 的客户端，该文件只需加载一次。 如果随后将该客户端拆分为多个客户端，则会多次加载Qt Quick Controls ，导致初始化客户端的启动开销增加。 |
| 图形资源的重复存储 |
|---|
| 在单进程系统中，如果多个位置使用了相同的纹理、背景或图标，这些图像仅需存储一次。相比之下，如果在多进程系统中使用这些图像，则必须多次存储它们。在这种情况下，一种解决方案是在客户端之间共享图形资源。 Qt 已经允许在主内存中跨进程共享图像资源，而无需涉及 Wayland。另一方面，跨进程共享 GPU 纹理则需要更复杂的解决方案。借助 Qt，此类解决方案可以作为 Wayland 扩展协议开发，例如使用QQuickImageProvider 。 |
| 输入到光子的延迟 |
|---|
| 在单进程系统中，应用程序直接访问主帧缓冲区。这意味着在此架构下，输入事件与屏幕显示之间的延迟可以降至最低。 在多进程系统中，应用程序内容必须采用三缓冲机制，以确保客户端不会在服务器同时读取缓冲区时向其中绘制内容，否则会导致画面撕裂。这意味着多进程系统中存在隐性延迟。 |
为何选择 Wayland 而不是 X11 或自定义解决方案
如前所述，X11 并不适合当今典型的系统架构。它体积庞大且结构复杂，缺乏可定制性。事实上，使用 X11 很难让客户端流畅运行，也很难在不出现画面撕裂的情况下达到 60 fps。 相比之下，Wayland 更易于实现，性能更优，并且包含了在现代图形硬件上高效运行所需的所有组件。对于基于 Linux 的嵌入式多进程系统而言，Wayland 是行业标准。
不过，如果您正在处理旧硬件或旧版应用程序，那么 Wayland 可能并非理想选择。 Wayland 协议在设计时充分考虑了安全性和隔离性，对客户端可访问的信息和功能采取了严格且保守的限制。虽然这带来了更简洁、更安全的接口，但某些传统应用程序所依赖的功能在 Wayland 上可能已不可用。
特别是，在以下三种常见使用场景中，Wayland 可能并非最佳选择：
- 硬件或平台较旧且仅支持 X11；在这种情况下，您别无选择。
- 您必须支持那些依赖于 Wayland 协议因安全性和简洁性考量而未提供的功能的旧版应用程序。
- 必须支持使用完全无法在 Wayland 上运行的用户界面工具包的旧版应用程序。在某些情况下，您可以通过在XWayland上运行这些应用程序来解决此问题。
在 X11 非常流行的时候，开发者曾编写自己的自定义解决方案来规避 X11 存在的问题。早期版本的 Qt 曾包含 Qt 窗口系统（QWS），但该系统现已停止维护。如今，Wayland 已能覆盖其中大多数用例，自定义解决方案也越来越少见。
Qt Wayland 提供的功能
针对客户端
Qt 客户端可以在任何 Wayland 合成器上运行，包括作为 Wayland 项目一部分开发的参考合成器 Weston。
任何 Qt 程序均可作为 Wayland 客户端（作为多进程系统的一部分）或独立客户端（单进程）运行。这由启动时的选择决定，您可在启动时在不同的后端之间进行选择。在开发过程中，您可以先在桌面上开发客户端，随后在目标硬件上进行测试。 您无需始终在实际的目标硬件上运行客户端。
单进程客户端开发
如果您在 Linux 机器上进行开发，还可以在开发机上的窗口中运行合成器。这使您能够在与目标设备高度相似的环境中运行客户端。无需重新构建客户端，您还可以使用 `-platform wayland ` 命令将其在合成器内部运行。 如果您使用-platform xcb （适用于 X11），则可以在桌面上运行客户端。换言之，您可以在合成器准备就绪之前就开始开发客户端。
关于服务器
服务器（即合成器）连接到显示器，并在屏幕上显示每个客户端的内容。合成器处理输入并将输入事件发送给相应的客户端。反过来，每个客户端连接到合成器并发送其窗口的内容。由合成器决定：
- 如何以及在何处显示内容
- 显示哪些内容
- 如何处理不同的客户端图形缓冲区
这意味着，由合成器来决定什么是多进程系统。例如，客户端可以是3D场景的一部分，其窗口位于墙壁上；也可以位于VR系统中；还可以映射到一个球体上，等等。
该 Qt Wayland Compositor 是一个用于构建自定义合成器的API。它赋予您完全的自由，可构建自定义的合成器用户界面并管理各个客户端的窗口。您可以将Qt Quick 和QML与Qt Wayland Compositor 相结合，创建令人印象深刻且富有创意的用户界面。更多信息，请参阅 Qt Wayland Compositor。
Qt 还提供了功能强大且易于使用的 API，用于实现 Wayland 扩展，并可在 Qml 或 C++ 中调用这些扩展。
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