輕量級插件式Linux圖形桌面環境設計與優化技術

余 杰，馬 俊，彭 歡，魏立峰，孔金珠

(1. 國防科技大學，湖南 長沙 410073; 2. 天津麒麟信息技術有限公司，天津 300300)

0 引言

Linux是一套免費使用和自由傳播的類UNIX操作系統，是一個基于POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。目前國際上基于Linux的發行版主要有Debian[1]和Redhat[2]兩個體系，其中基于Debian的發行版又有Ubuntu、Mint、Ubuntu Kylin等，基于Redhat的發行版還有Fedaro、CentOS等。

圖形桌面環境[3]是操作系統的核心部件，是支撐人機交互、提高系統易用性的重要基礎。桌面環境通常由系統登錄、桌面主題、開始菜單、任務欄、文件管理器、控制面板等多個交互模塊組成，底層通過系統庫(包括圖形顯示庫、多媒體庫、進程通信庫等)和窗口管理器支撐實現。當前廣泛使用的Linux圖形桌面環境主要有KDE(K Desktop Environment)[4]和GNOME(The GNU Network Object Model Environment)[5]。KDE項目始建于1996年10月, 它不僅是一個窗口管理器，還有很多配套的應用軟件和方便使用的桌面環境，比如任務欄、開始菜單、桌面圖標等。GNOME指GNU網絡對象模型環境，1997年8月，GNU GNOME計劃正式啟動，也是一個功能強大的綜合環境。Unity曾經作為Ubuntu的默認桌面環境，開源界和產業界對其期望頗高；但由于商業原因，從2017年起，Ubuntu已經停止對其進行維護，并恢復默認搭載GNOME。

二十多年來，GNOME和KDE已經快速發展，一方面功能越來越全面，另一方面性能開銷也越來越大。另外，其炫酷的體驗對于資深Linux愛好者是福音，但對于初學者尤其是習慣Windows用戶的初學者來說，上手困難、操作復雜、交互體驗比較差。本文提出并實現了一個輕量級的Linux圖形桌面環境，通過定義統一規范的接口標準，以桌面管理器為核心，支持任務欄、開始菜單、控制面板中的組件以插件方式與接口對接，實現組件的統一擴展，提高桌面環境的執行效率；通過組件界面和主題風格的規范，支持不同組件以相似的界面風格展示，最終實現統一的交互模式和界面風格。

1 輕量級插件式桌面環境設計與優化技術

傳統Linux操作系統桌面環境的各個交互模塊都是作為獨立的程序實現，這一方面導致各個模塊的主題風格和操作模式存在較大差異，降低了用戶的交互體驗；另一方面導致各個模塊之間切換調用復雜，執行效率低下。本文融合個人計算機、移動智能終端等多種使用模式的設計理念，實現了一種基于插件組裝的一體化桌面環境框架。該框架可以支持GTK、Python、C、JavaScript等常用開發語言的模塊綁定。相對于傳統Linux桌面環境，本文主要針對桌面管理器、文件瀏覽器和會話管理器開展定制與優化設計工作。

1.1 桌面管理器定制與優化設計

桌面管理器負責管理系統桌面上的面板、菜單、啟動器、托盤等操作元素，是桌面操作系統與用戶交互最多的系統組件，也是桌面操作系統最核心的競爭力之一。桌面管理器通過JS(JavaScript)運行引擎，以JS的模式提供系統部件，然后基于系統部件設計顯示部件(如圖1所示)。

圖1 桌面管理器的組成

本文還針對桌面管理器的顯示部件和系統部件進行定制與優化。主要的定制和優化工作包括：

(1)基于插件的組件加載技術：使用插件加載技術，優化任務欄原有組件的加載方式，提供新的組件，包括開始菜單、鎖定程序、窗口管理、通知區域等常用功能；設計開始菜單和開發全新的菜單布局，劃分為常用程序、最近使用程序、所有程序、用戶信息、快捷文件夾、系統操作六個重要區域，提供應用程序鎖定至任務欄、搜索應用程序、卸載等基本功能。

(2)基于任務欄的系統面板優化技術：在面板上增加文件夾類別的菜單選項，便于用戶快速定位個人文件；結合窗口預覽、消息通知等組件，優化面板托盤的交互能力，提供統一交互方式；設計全新的系統日歷，支持農歷、節假日等常用功能；定制修改網絡彈出菜單的顯示界面，提供更為直觀的可用網絡列表。

(3)提供基于優先級的應用程序搜索優化技術：提供基于名稱、描述、備注等分類的應用程序搜索技術，以加權值方式建立優先級評估體系，對搜索結果按照優先級進行展示；在開始菜單中提供該搜索功能。

(4)基于Theme Manager的系統主題定制技術：基于XML統一描述語言技術，提供系統主題的快速定制和精細化定制功能，便于系統管理程序進行靈活設置；提供統一的任務欄組件菜單彈出風格；提供統一的圖標風格。

1.2 文件瀏覽器定制與優化設計

文件瀏覽器的作用是查找、打開、修改和刪除文件，同時還可以預覽文件夾內所有圖片、視頻，并通過快速導航、全盤搜索等方式以最快速度找到所需文件。本文針對文件瀏覽器開展如下兩個方面的定制與優化：

(1)基于磁盤卷的分區信息標識技術：傳統文件管理器針對系統硬盤上的非本系統分區，僅顯示分區盤符，可讀性差，不利于用戶通過文件瀏覽器快速識別和區分每個分區的內容。采用層次分析法，利用磁盤卷中為每個分區預留的分區信息，結合目前主流操作系統(Windows、Linux、Mac等)的系統特征，可完整識別出分區的操作系統類型、分區標識內容等信息。

(2)基于使用歷史的快速模糊搜索技術：文件瀏覽器的核心功能之一是為用戶提供快速的文件搜索與定位功能。傳統文件管理器的搜索類型包括：基于文件夾、基于文件類型以及兩者結合的方式。以上方式都要求用戶能夠較準確地提供搜索對象的信息，但在許多應用場景下，用戶只記得在某段時間處理過該文件，而不能提供文件類型、文件位置甚至文件名稱等準確信息。因此，本文擬基于用戶的使用歷史記錄，提供基于用戶名和最后使用日期的模糊搜索功能。

1.3 會話管理器定制與優化設計

在用戶成功登錄后，新的用戶會話會被創建，將首先運行會話管理器，根據配置信息啟動相應的桌面環境、系統服務以及應用程序。既有前臺交互程序，也有后臺服務程序。雖然程序實際上是并行啟動的，但由于設備I/O帶寬等資源的限制，前臺交互程序全部準備完畢通常需要一定的時間，導致用戶感覺整體的啟動速度并不理想。

在業務信息系統應用中，用戶對于系統程序的啟動順序和優先級有特定需求，希望在確保圖形界面基本可用后，盡快啟動關鍵業務信息系統及其相關服務，因此需要對會話管理器進行定制和優化。如圖2所示，本文在傳統會話管理器的流程上，在“基本圖形”啟動完成后立即啟動“業務系統”，隨后再啟動“高級圖形”。

2 UKUI桌面環境實現

本文根據上述設計和優化理念，基于開源桌面環境Mate[6]的基礎組件實現了名為UKUI[7]的開源桌面環境，其系統架構如圖3所示。UKUI由桌面環境服務和桌面環境組件兩部分組成，前者提供運行桌面環境所需的基本服務，后者提供圖形交互組件。相關代碼參見https://github.com/ukui。目前UKUI已經是優麒麟(Ubuntu Kylin)[8]開源操作系統默認搭載的桌面環境，并進入到Ubuntu和Debian軟件倉庫，愛好者可以通過apt機制自由安裝使用。Aylinux[9]開源操作系統也選用UKUI作為默認桌面環境之一。

圖2 會話管理器優化

圖3 UKUI架構圖

UKUI一方面基于本文所設計的輕量級插件設計理念實現，同時在交互體驗和視體驗上借鑒了目前用戶接受度最高的桌面操作系統Windows 7，在保證運行效率和穩定性的同時，在易用性上也有較大提升。

3 顯示性能評估

在通用臺式機上對比測試了UKUI和Mate的2D/3D性能。測試機的配置如表1所示。

表1 測試機的主要配置

通過Glxgears、Glmark2、Unixbench測試的2D/3D性能如表2所示。UKUI性能相對Mate略有提升，在Glmark2上的提升幅度最大。

通過X11perf測試的2D/3D性能如表3所示。UKUI性能相對Mate有一定提升，在equivalent triangle測試項上的提升幅度最大。

表2 Glxgears、Glmark2、Unixbench測試結果

表3 X11perf測試結果

綜上可知，UKUI的設計理念提升了系統穩定性和易用性，同時在桌面環境的2D/3D性能上沒有損耗且略有提升。

4 結論

本文提出了輕量級插件式Linux圖形桌面環境，構建了基于其設計和優化理念的開源桌面環境UKUI，在易用性和性能方面相較于傳統桌面環境有一定優勢，后續將結合Wayland等新型窗口管理器進行研究，進一步提升本文設計桌面環境的性能、穩定性和易用性。