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[i3/i3] / docs / hacking-howto
1 Hacking i3: How To
2 ==================
3 Michael Stapelberg <michael+i3@stapelberg.de>
4 May 2009
5
6 This document is intended to be the first thing you read before looking and/or touching
7 i3’s source code. It should contain all important information to help you understand
8 why things are like they are. If it does not mention something you find necessary, please
9 do not hesitate to contact me.
10
11 == Window Managers
12
13 A window manager is not necessarily needed to run X, but it is usually used in combination
14 to facilitate some things. The window manager's job is to take care of the placement of
15 windows, to provide the user some mechanisms to change the position/size of windows and
16 to communicate with clients to a certain extent (for example handle fullscreen requests
17 of clients such as MPlayer).
18
19 There are no different contexts in which X11 clients run, so a window manager is just another
20 client, like all other X11 applications. However, it handles some events which normal clients
21 usually don’t handle.
22
23 In the case of i3, the tasks (and order of them) are the following:
24
25 . Grab the key bindings (events will be sent upon keypress/keyrelease)
26 . Iterate through all existing windows (if the window manager is not started as the first
27   client of X) and manage them (= reparent them, create window decorations)
28 . When new windows are created, manage them
29 . Handle the client’s `_WM_STATE` property, but only the `_WM_STATE_FULLSCREEN`
30 . Handle the client’s `WM_NAME` property
31 . Handle the client’s size hints to display them proportionally
32 . Handle enter notifications (focus follows mouse)
33 . Handle button (as in mouse buttons) presses for focus/raise on click
34 . Handle expose events to re-draw own windows such as decorations
35 . React to the user’s commands: Change focus, Move windows, Switch workspaces,
36 Change the layout mode of a container (default/stacking), Start a new application,
37 Restart the window manager
38
39 In the following chapters, each of these tasks and their implementation details will be discussed.
40
41 === Tiling window managers
42
43 Traditionally, there are two approaches to managing windows: The most common one nowadays is
44 floating, which means the user can freely move/resize the windows. The other approach is called
45 tiling, which means that your window manager distributing windows to use as much space as
46 possible while not overlapping.
47
48 The idea behind tiling is that you should not need to waste your time moving/resizing windows
49 while you usually want to get some work done. After all, most users sooner or later tend to
50 lay out their windows in a way which corresponds to tiling or stacking mode in i3. Therefore,
51 why not let i3 do this for you? Certainly, it’s faster than you could ever do it.
52
53 The problem with most tiling window managers is that they are too unflexible. In my opinion, a
54 window manager is just another tool, and similar to vim which can edit all kinds of text files
55 (like source code, HTML, …) and is not limited to a specific file type, a window manager should
56 not limit itself to a certain layout (like dwm, awesome, …) but provide mechanisms for you to
57 easily create the layout you need at the moment.
58
59 === The layout table
60
61 To accomplish flexible layouts, we decided to simply use a table. The table grows and shrinks
62 as you need it. Each cell holds a container which then holds windows (see picture below). You
63 can use different layouts for each container (default layout and stacking layout).
64
65 So, when you open a terminal and immediately open another one, they reside in the same container,
66 in default layout. The layout table has exactly one column, one row and therefore one cell.
67 When you move one of the terminals to the right, the table needs to grow. It will be expanded
68 to two columns and one row. This enables you to have different layouts for each container.
69 The table then looks like this:
70
71 [width="15%",cols="^,^"]
72 |========
73 | T1 | T2
74 |========
75
76 When moving terminal 2 to the bottom, the table will be expanded again.
77
78 [width="15%",cols="^,^"]
79 |========
80 | T1 |
81 |    | T2
82 |========
83
84 You can really think of the layout table like a traditional HTML table, if you’ve ever
85 designed one. Especially col- and rowspan work equally. Below you see an example of
86 colspan=2 for the first container (which has T1 as window).
87
88 [width="15%",cols="^asciidoc"]
89 |========
90 | T1
91 |
92 [cols="^,^",frame="none"]
93 !========
94 ! T2 ! T3
95 !========
96 |========
97
98 Furthermore, you can freely resize table cells.
99
100 == Files
101
102 include/data.h::
103 Contains data definitions used by nearly all files. You really need to read this first.
104
105 include/*.h::
106 Contains forward definitions for all public functions, aswell as doxygen-compatible
107 comments (so if you want to get a bit more of the big picture, either browse all
108 header files or use doxygen if you prefer that).
109
110 src/commands.c::
111 Parsing commands
112
113 src/config.c::
114 Parses the configuration file
115
116 src/debug.c::
117 Contains debugging functions to print unhandled X events
118
119 src/handlers.c::
120 Contains all handlers for all kind of X events
121
122 src/layout.c::
123 Renders your layout (screens, workspaces, containers)
124
125 src/mainx.c::
126 Initializes the window manager
127
128 src/resize.c::
129 Contains the functions to resize columns/rows in the table.
130
131 src/table.c::
132 Manages the most important internal data structure, the design table.
133
134 src/util.c::
135 Contains useful functions which are not really dependant on anything.
136
137 src/xcb.c::
138 Contains wrappers to use xcb more easily.
139
140 src/xinerama.c::
141 (Re-)initializes the available screens and converts them to virtual screens (see below).
142
143 == Data structures
144
145 See include/data.h for documented data structures. The most important ones are explained
146 right here.
147
148 image:bigpicture.png[The Big Picture]
149
150 So, the hierarchy is:
151
152 . *Virtual screens* (Screen 0 in this example)
153 . *Workspaces* (Workspace 1 in this example)
154 . *Table* (There can only be one table per Workspace)
155 . *Container* (left and right in this example)
156 . *Client* (The two clients in the left container)
157
158 === Virtual screens
159
160 A virtual screen (type `i3Screen`) is generated from the connected screens obtained
161 through Xinerama. The difference to the raw Xinerama monitors as seen when using +xrandr(1)+
162 is that it falls back to the lowest common resolution of the logical screens.
163
164 For example, if your notebook has 1280x800 and you connect a video projector with
165 1024x768, set up in clone mode (+xrandr \--output VGA \--mode 1024x768 \--same-as LVDS+),
166 i3 will have one virtual screen.
167
168 However, if you configure it using +xrandr \--output VGA \--mode 1024x768 \--right-of LVDS+,
169 i3 will generate two virtual screens. For each virtual screen, a new workspace will be
170 assigned. New workspaces are created on the screen you are currently on.
171
172 === Workspace
173
174 A workspace is identified by its number. Basically, you could think of workspaces
175 as different desks in your bureau, if you like the desktop methaphor. They just contain
176 different sets of windows and are completely separate of each other. Other window
177 managers also call this ``Virtual desktops''.
178
179 === The layout table
180
181 Each workspace has a table, which is just a two-dimensional dynamic array containing
182 Containers (see below). This table grows and shrinks as you need it (by moving windows
183 to the right you can create a new column in the table, by moving them to the bottom
184 you create a new row).
185
186 === Container
187
188 A container is the content of a table’s cell. It holds an arbitrary amount of windows
189 and has a specific layout (default layout or stack layout). Containers can consume
190 multiple table cells by modifying their colspan/rowspan attribute.
191
192 === Client
193
194 A client is x11-speak for a window.
195
196 == List/queue macros
197
198 i3 makes heavy use of the list macros defined in BSD operating systems. To ensure
199 that the operating system on which i3 is compiled has all the awaited features,
200 i3 comes with `include/queue.h`. On BSD systems, you can use man `queue(3)`. On Linux,
201 you have to use google.
202
203 The lists used are `SLIST` (single linked lists) and `CIRCLEQ` (circular queues).
204 Usually, only forward traversal is necessary, so an `SLIST` works fine. However,
205 for the windows inside a container, a `CIRCLEQ` is necessary to go from the currently
206 selected window to the window above/below.
207
208 == Naming conventions
209
210 There is a row of standard variables used in many events. The following names should be
211 chosen for those:
212
213  * ``conn'' is the xcb_connection_t
214  * ``event'' is the event of the particular type
215  * ``container'' names a container
216  * ``client'' names a client, for example when using a `CIRCLEQ_FOREACH`
217
218 == Startup (src/mainx.c, main())
219
220  * Establish the xcb connection
221  * Check for XKB extension on the separate X connection
222  * Check for Xinerama screens
223  * Grab the keycodes for which bindings exist
224  * Manage all existing windows
225  * Enter the event loop
226
227 == Keybindings
228
229 === Grabbing the bindings
230
231 Grabbing the bindings is quite straight-forward. You pass X your combination of modifiers and
232 the keycode you want to grab and whether you want to grab them actively or passively. Most
233 bindings (everything except for bindings using Mode_switch) are grabbed passively, that is,
234 just the window manager gets the event and cannot replay it.
235
236 We need to grab bindings that use Mode_switch actively because of a bug in X. When the window
237 manager receives the keypress/keyrelease event for an actively grabbed keycode, it has to decide
238 what to do with this event: It can either replay it so that other applications get it or it
239 can prevent other applications from receiving it.
240
241 So, why do we need to grab keycodes actively? Because X does not set the state-property of
242 keypress/keyrelease events properly. The Mode_switch bit is not set and we need to get it
243 using XkbGetState. This means we cannot pass X our combination of modifiers containing Mode_switch
244 when grabbing the key and therefore need to grab the keycode itself without any modiffiers.
245 This means, if you bind Mode_switch + keycode 38 ("a"), i3 will grab keycode 38 ("a") and
246 check on each press of "a" if the Mode_switch bit is set using XKB. If yes, it will handle
247 the event, if not, it will replay the event.
248
249 === Handling a keypress
250
251 As mentioned in "Grabbing the bindings", upon a keypress event, i3 first gets the correct state.
252
253 Then, it looks through all bindings and gets the one which matches the received event.
254
255 The bound command is parsed directly in command mode.
256
257 == Manage windows (src/mainx.c, manage_window() and reparent_window())
258
259 `manage_window()` does some checks to decide whether the window should be managed at all:
260
261  * Windows have to be mapped, that is, visible on screen
262  * The override_redirect must not be set. Windows with override_redirect shall not be
263    managed by a window manager
264
265 Afterwards, i3 gets the intial geometry and reparents the window if it wasn’t already
266 managed.
267
268 Reparenting means that for each window which is reparented, a new window, slightly larger
269 than the original one, is created. The original window is then reparented to the bigger one
270 (called "frame").
271
272 After reparenting, the window type (`_NET_WM_WINDOW_TYPE`) is checked to see whether this
273 window is a dock (`_NET_WM_WINDOW_TYPE_DOCK`), like dzen2 for example. Docks are handled
274 differently, they don’t have decorations and are not assigned to a specific container.
275 Instead, they are positioned at the bottom of the screen. To get the height which needsd
276 to be reserved for the window, the `_NET_WM_STRUT_PARTIAL` property is used.
277
278 == What happens when an application is started?
279
280 i3 does not care for applications. All it notices is when new windows are mapped (see
281 `src/handlers.c`, `handle_map_notify_event()`). The window is then reparented (see section
282 "Manage windows").
283
284 After reparenting the window, `render_layout()` is called which renders the internal
285 layout table. The window was placed in the currently focused container and
286 therefore the new window and the old windows (if any) need te be moved/resized
287 so that the currently active layout (default mode/stacking mode) is rendered
288 correctly. To move/resize windows, a window is ``configured'' in X11-speak.
289
290 Some applications, such as MPlayer obivously assume the window manager is stupid
291 and therefore configure their windows by themselves. This generates an event called
292 configurenotify. i3 handles these events and pushes the window back to its position/size.
293
294 == _NET_WM_STATE
295
296 Only the _NET_WM_STATE_FULLSCREEN atom is handled. It calls ``toggle_fullscreen()'' for the
297 specific client which just configures the client to use the whole screen on which it
298 currently is. Also, it is set as fullscreen_client for the i3Screen.
299
300 == WM_NAME
301
302 When the WM_NAME property of a window changes, its decoration (containing the title)
303 is re-rendered.
304
305 == Size hints
306
307 Size hints specify the minimum/maximum size for a given window aswell as its aspect ratio.
308 At the moment, as i3 does not have a floating mode yet, only the aspect ratio is parsed.
309 This is important for clients like mplayer, who only set the aspect ratio and resize their
310 window to be as small as possible (but only with some video outputs, for example in Xv,
311 while when using x11, mplayer does the necessary centering for itself).
312
313 So, when an aspect ratio was specified, i3 adjusts the height of the window until the
314 size maintains the correct aspect ratio. For the code to do this, see src/layout.c,
315 function resize_client().
316
317 == Rendering (src/layout.c, render_layout() and render_container())
318
319 There are two entry points to rendering: render_layout() and render_container(). The
320 former one renders all virtual screens, the currently active workspace of each virtual
321 screen and all containers (inside the table cells) of these workspaces using
322 render_container(). Therefore, if you need to render only a single container, for
323 example because a window was removed, added or changed its title, you should directly
324 call render_container().
325
326 Rendering consists of two steps: In the first one, in render_layout(), each container
327 gets its position (screen offset + offset in the table) and size (container's width
328 times colspan/rowspan). Then, render_container() is called:
329
330 render_container() then takes different approaches, depending on the mode the container
331 is in.
332
333 === Common parts
334
335 On the frame (the window which was created around the client’s window for the decorations),
336 a black rectangle is drawn as a background for windows like MPlayer, which don’t completely
337 fit into the frame.
338
339 === Default mode
340
341 Each clients gets the container’s width and an equal amount of height.
342
343 === Stack mode
344
345 In stack mode, a window containing the decorations of all windows inside the container
346 is placed at the top. The currently focused window is then given the whole remaining
347 space.
348
349 === Window decorations
350
351 The window decorations consist of a rectangle in the appropriate color (depends on whether
352 this window is the currently focused one or the last focused one in a not focused container
353 or not focused at all) forming the background. Afterwards, two lighter lines are drawn
354 and the last step is drawing the window’s title (see WM_NAME) onto it.
355
356 === Fullscreen windows
357
358 For fullscreen windows, the `rect` (x, y, width, height) is not changed to allow the client
359 to easily go back to its previous position. Instead, fullscreen windows are skipped
360 when rendering.
361
362 === Resizing containers
363
364 By clicking and dragging the border of a container, you can resize it freely.
365
366 TODO
367
368 == User commands / commandmode (src/commands.c)
369
370 Like in vim, you can control i3 using commands. They are intended to be a powerful
371 alternative to lots of shortcuts, because they can be combined. There are a few special
372 commands, which are the following:
373
374 exec <command>::
375 Starts the given command by passing it to `/bin/sh`.
376
377 restart::
378 Restarts i3 by executing `argv[0]` (the path with which you started i3) without forking.
379
380 w::
381 "With". This is used to select a bunch of windows. Currently, only selecting the whole
382 container in which the window is in, is supported by specifying "w".
383
384 f, s, d::
385 Toggle fullscreen, stacking, default mode for the current window/container.
386
387 The other commands are to be combined with a direction. The directions are h, j, k and l,
388 like in vim (h = left, j = down, k = up, l = right). When you just specify the direction
389 keys, i3 will move the focus in that direction. You can provide "m" or "s" before the
390 direction to move a window respectively or snap.
391
392 == Gotchas
393
394 * Forgetting to call `xcb_flush(conn);` after sending a request. This usually leads to
395   code which looks like it works fine but which does not work under certain conditions.
396
397 == Using git / sending patches
398
399 For a short introduction into using git, see TODO.
400
401 When you want to send a patch because you fixed a bug or implemented a cool feature (please
402 talk to us before working on features to see whether they are maybe already implemented, not
403 possible because of some reason or don’t fit into the concept), please use git to create
404 a patchfile.
405
406 First of all, update your working copy to the latest version of the master branch:
407
408 --------
409 git pull
410 --------
411
412 Afterwards, make the necessary changes for your bugfix/feature. Then, review the changes
413 using +git diff+ (you might want to enable colors in the diff using +git config diff.color auto+).
414 When you are definitely done, use +git commit -a+ to commit all changes you’ve made.
415
416 Then, use the following command to generate a patchfile which we can directly apply to
417 the branch, preserving your commit message and name:
418
419 -----------------------
420 git format-patch origin
421 -----------------------
422
423 Just send us the generated file via mail.