ウィンドウシステム

コンピューターにおいて、ウィンドウシステム（またはウィンドウシステム）は、ディスプレイ画面の異なる部分を個別に管理するソフトウェアスイートです。^{[1]これは、}ユーザーインターフェイスに WIMP（ウィンドウ、アイコン、メニュー、ポインター）パラダイムを実装したグラフィカルユーザーインターフェイス（GUI）の一種です。

現在実行中の各アプリケーションには、通常サイズ変更可能で通常は長方形のディスプレイ面が割り当てられ、ユーザーに GUI を表示します。これらのウィンドウは、重なり合うことができないタイルインターフェースとは異なり、互いに重なり合う場合があります。通常、各ウィンドウの周囲にはウィンドウ装飾が描画されます。ウィンドウ装飾と、スライダーやボタンなど、ユーザーが直接操作するためのグラフィカル要素であるウィンドウ内の使用可能なウィジェットの両方のプログラミングは、ウィジェットツールキットの使用によって容易かつ簡素化されます。

技術的な詳細

ウィンドウシステムの主要コンポーネントは通常、ディスプレイサーバーと呼ばれますが、ウィンドウサーバーやコンポジターなどの別の名称も使用されています。実行されてウィンドウで GUI を表示するアプリケーションはすべて、ディスプレイサーバーのクライアントです。ディスプレイサーバーとそのクライアントは、アプリケーションプログラミングインターフェイス(API) または通信プロトコル(通常、ディスプレイサーバープロトコルと呼ばれます) を介して相互に通信し、ディスプレイサーバーはクライアントとユーザーの間の仲介役となります。ディスプレイサーバーは、接続されているすべての入力デバイス(キーボード、ポインティングデバイス、タッチスクリーンなど) からカーネルが受信するすべての入力をカーネルから受信し、適切なクライアントに送信します。ディスプレイサーバーは、クライアントからコンピューターモニターへの出力も担当します。サウンドの出力は通常、ディスプレイサーバーによって管理されませんが、サウンドのボリュームは通常、GUI アプレットによって処理され、どのアプリケーションを最前面に表示するかを決定するのはディスプレイサーバーです。ウィンドウシステムを使用すると、コンピューターユーザーは複数のプログラムを同時に操作できます。各プログラムは、通常、画面の長方形の領域である独自のウィンドウに GUI を表示します。^[^要出典^]

プログラマーの観点から見ると、ウィンドウシステムはグラフィックプリミティブを実装します。たとえば、フォントのレンダリングや画面への線の描画などです。ウィンドウマネージャーなどのグラフィカルインターフェイスの上位要素が使用するためのグラフィックハードウェアの抽象化を提供します。^{[引用が必要]}

ディスプレイサーバープロトコルはネットワーク対応またはネットワーク透過性にすることができ、シンクライアントの実装を容易にします。^[要出典]

ディスプレイサーバー

ディスプレイサーバーまたはウィンドウサーバーは、クライアントとオペレーティングシステム、ハードウェア、および他のクライアント間の入出力を調整することを主なタスクとするプログラムです。ディスプレイサーバーは、ディスプレイサーバープロトコル (ネットワーク透過型または単にネットワーク対応型の通信プロトコル) を介してクライアントと通信します。

ディスプレイサーバーは、あらゆるグラフィカルユーザーインターフェイス、特にウィンドウシステムの重要なコンポーネントです。

スタンドアロンディスプレイサーバーのサーバー/クライアント関係は、多少直感に反しています。「サーバー」は通常、大規模なリモートマシンであると考えられていますが、スタンドアロンの「ディスプレイサーバー」は小規模なローカルシステムであり、ほとんどのクライアントは大規模な中央マシンで実行されます。説明としては、ディスプレイサーバーはディスプレイと入力デバイスの サービスを提供します。

ディスプレイサーバーの通信プロトコル

X11

X Window System ロゴ

ディスプレイサーバーの一例としては、カーネル (通常はLinuxやBSDなどのUnix系カーネル)上で動作するX.Org サーバーが挙げられます。ディスプレイサーバーはユーザー入力データ ( Linux のevdevなど) を受け取り、それをクライアントの 1 つに渡します。ディスプレイサーバーはクライアントからのデータも受け取り、データを処理し、合成して、Linux では 3 つのカーネルコンポーネント ( DRM、gem、KMS ドライバー)のいずれかにデータを渡します。コンポーネントはデータをフレームバッファーに書き込み、フレームバッファーの内容は接続された画面に送信されて表示されます。X はGLXに依存しています。

ディスプレイサーバーコンセプトの実装の 1 つはX Window System、特に実際に使用されているバージョンであるX.Org ServerとXlibおよびXCBクライアントライブラリです。X.Org Server はディスプレイサーバーですが、現在の実装では、合成を行うために 2 番目のプログラムである合成ウィンドウマネージャーに依存しています。例としては、 MutterやKWinがあります。

X11 ディスプレイサーバープロトコルを実装するディスプレイサーバーの代表的な例としては、 X.Org Server、XFree86、XQuartz、Cygwin/Xなどが挙げられます。一方、X11 ディスプレイサーバープロトコルを実装するクライアントライブラリとしては、XlibとXCBがあります。

ウェイランド

ウェイランドのロゴ

Wayland ディスプレイサーバープロトコルを実装するディスプレイサーバーは、Wayland コンポジターと呼ばれます。他のディスプレイサーバーと同様に、 Wayland コンポジターはクライアントの入力と出力の処理を担当し、X11 とは異なり、合成も行います。例としては、Weston、Mutter、KWin、Enlightenmentなどがあります。

Wayland コンポジターは、 Wayland ディスプレイサーバープロトコルを介して Wayland クライアントと通信します。このプロトコルは、クライアントがEGL レンダリング API を使用してフレームバッファーに直接データを書き込むことができることを定義します。ディスプレイサーバーは、どのウィンドウを最前面に表示してユーザーに見えるようにするかを決定し、 evdevからクライアントに入力デバイスに関するデータを渡す役割も担います。

Wayland は、 Fedoraなどの一部の Linux デスクトップディストリビューションである程度使用されています。また、モバイルコンピューティングにも適しており、スマートフォンやタブレットに重点を置いたプロジェクトTizen、Sailfish OS、AsteroidOSなどで採用されています。

Wayland の実装は、MIT ライセンス、libwayland-client および libwayland-server ライブラリの下で利用可能です。

ChromeOSにWaylandのサポートを追加する取り組みが進行中です。^[2]

ミール

Mirディスプレイサーバーには、 X11 や Wayland で使用されるものとは異なる独自の Mir ディスプレイサーバープロトコルが付属しています。Mir は、さらに X11 プロトコルをサポートしています。これはCanonicalによって開発され、 Ubuntuのディスプレイサーバーとして選ばれることを目的としていました。2017 年現在、Ubuntu のデスクトップエディションでは Wayland ディスプレイサーバーに置き換えられています。

Mir ディスプレイサーバー、libmir-server、libmir-client ライブラリの実装がGPLv3で利用可能です。

API を使用したウィンドウシステム

サーフェスフリンガー

GoogleはAndroid向けにSurfaceFlinger ^[3]と呼ばれるディスプレイサーバーを開発した。

Android のすべては「サーフェス」にレンダリングされます。「サーフェス」はアプリケーションによって生成され、SurfaceFlinger によって管理されるキューに配置されます。^[4]^[5]

さらに別の Android 固有のソリューションは「Gralloc」です。Gralloc はデバイスメモリを処理します。つまり、割り当て、調停を行い、Android/Linux フェンスファイル記述子を介して同期を処理します。Gralloc は、Mesa のGeneric Buffer Management (GBM) や Nvidia の EGLStreams などの他のソリューションと競合します。Grallocハードウェア抽象化レイヤー (HAL)は、「サーフェス」の基盤となるバッファーを割り当てるために使用されます。

Android での合成では、Surface は SurfaceFlinger に送信され、OpenGL ES を使用して合成が行われます。

ハードウェアコンポーザー HAL (HWC) は Android 3.0 で導入され、長年にわたって着実に進化してきました。その主な目的は、利用可能なハードウェアでバッファを合成する最も効率的な方法を決定することです。HAL であるため、その実装はデバイス固有であり、通常はディスプレイハードウェア OEM によって行われます。

クォーツコンポジター

Apple のmacOSファミリーのオペレーティングシステムでは、Quartz Compositor はウィンドウシステム内のディスプレイサーバーとウィンドウマネージャーのタスクを実行します。

デスクトップウィンドウマネージャー

Microsoft Windowsの場合、Windows Vista以降では、デスクトップウィンドウマネージャーにより、ハードウェアアクセラレーションを使用してグラフィカルユーザーインターフェイスをレンダリングできます。これは元々、透明度、3D ウィンドウの切り替えなどの効果を可能にする新しい「Windows Aero」ユーザーエクスペリエンスの一部を有効にするために作成されました。これは Windows Server 2008 にも含まれていますが、「デスクトップエクスペリエンス」機能と互換性のあるグラフィックドライバーをインストールする必要があります。Windows 8 以降では、DWM を無効にすることはできず、適切なグラフィックカードがインストールされていない場合はソフトウェアでレンダリングされます。