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1 Hacking i3: How To
2 ==================
3 Michael Stapelberg <michael+i3@stapelberg.de>
4 December 2009
5
6 This document is intended to be the first thing you read before looking and/or
7 touching i3’s source code. It should contain all important information to help
8 you understand why things are like they are. If it does not mention something
9 you find necessary, please 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
14 combination with X to facilitate some things. The window manager's job is to
15 take care of the placement of windows, to provide the user with some mechanisms
16 to change the position/size of windows and to communicate with clients to a
17 certain extent (for example handle fullscreen requests of clients such as
18 MPlayer).
19
20 There are no different contexts in which X11 clients run, so a window manager
21 is just another client, like all other X11 applications. However, it handles
22 some events which normal clients usually don’t handle.
23
24 In the case of i3, the tasks (and order of them) are the following:
25
26 . Grab the key bindings (events will be sent upon keypress/keyrelease)
27 . Iterate through all existing windows (if the window manager is not started as the first
28   client of X) and manage them (= reparent them, create window decorations)
29 . When new windows are created, manage them
30 . Handle the client’s `_WM_STATE` property, but only the `_WM_STATE_FULLSCREEN`
31 . Handle the client’s `WM_NAME` property
32 . Handle the client’s size hints to display them proportionally
33 . Handle the client’s urgency hint
34 . Handle enter notifications (focus follows mouse)
35 . Handle button (as in mouse buttons) presses for focus/raise on click
36 . Handle expose events to re-draw own windows such as decorations
37 . React to the user’s commands: Change focus, Move windows, Switch workspaces,
38 Change the layout mode of a container (default/stacking), Start a new application,
39 Restart the window manager
40
41 In the following chapters, each of these tasks and their implementation details
42 will be discussed.
43
44 === Tiling window managers
45
46 Traditionally, there are two approaches to managing windows: The most common
47 one nowadays is floating, which means the user can freely move/resize the
48 windows. The other approach is called tiling, which means that your window
49 manager distributing windows to use as much space as possible while not
50 overlapping.
51
52 The idea behind tiling is that you should not need to waste your time
53 moving/resizing windows while you usually want to get some work done. After
54 all, most users sooner or later tend to lay out their windows in a way which
55 corresponds to tiling or stacking mode in i3. Therefore, why not let i3 do this
56 for you? Certainly, it’s faster than you could ever do it.
57
58 The problem with most tiling window managers is that they are too unflexible.
59 In my opinion, a window manager is just another tool, and similar to vim which
60 can edit all kinds of text files (like source code, HTML, …) and is not limited
61 to a specific file type, a window manager should not limit itself to a certain
62 layout (like dwm, awesome, …) but provide mechanisms for you to easily create
63 the layout you need at the moment.
64
65 === The layout table
66
67 To accomplish flexible layouts, we decided to simply use a table. The table
68 grows and shrinks as you need it. Each cell holds a container which then holds
69 windows (see picture below). You can use different layouts for each container
70 (default layout and stacking layout).
71
72 So, when you open a terminal and immediately open another one, they reside in
73 the same container, in default layout. The layout table has exactly one column,
74 one row and therefore one cell. When you move one of the terminals to the
75 right, the table needs to grow. It will be expanded to two columns and one row.
76 This enables you to have different layouts for each container. The table then
77 looks like this:
78
79 [width="15%",cols="^,^"]
80 |========
81 | T1 | T2
82 |========
83
84 When moving terminal 2 to the bottom, the table will be expanded again.
85
86 [width="15%",cols="^,^"]
87 |========
88 | T1 |
89 |    | T2
90 |========
91
92 You can really think of the layout table like a traditional HTML table, if
93 you’ve ever designed one. Especially col- and rowspan work equally. Below you
94 see an example of colspan=2 for the first container (which has T1 as window).
95
96 [width="15%",cols="^asciidoc"]
97 |========
98 | T1
99 |
100 [cols="^,^",frame="none"]
101 !========
102 ! T2 ! T3
103 !========
104 |========
105
106 Furthermore, you can freely resize table cells.
107
108 == Files
109
110 include/data.h::
111 Contains data definitions used by nearly all files. You really need to read
112 this first.
113
114 include/*.h::
115 Contains forward definitions for all public functions, aswell as
116 doxygen-compatible comments (so if you want to get a bit more of the big
117 picture, either browse all header files or use doxygen if you prefer that).
118
119 src/cfgparse.l::
120 Contains the lexer for i3’s configuration file, written for +flex(1)+.
121
122 src/cfgparse.y::
123 Contains the parser for i3’s configuration file, written for +bison(1)+.
124
125 src/click.c::
126 Contains all functions which handle mouse button clicks (right mouse button
127 clicks initiate resizing and thus are relatively complex).
128
129 src/client.c::
130 Contains all functions which are specific to a certain client (make it
131 fullscreen, see if its class/name matches a pattern, kill it, …).
132
133 src/commands.c::
134 Parsing commands and actually execute them (focussing, moving, …).
135
136 src/config.c::
137 Parses the configuration file.
138
139 src/debug.c::
140 Contains debugging functions to print unhandled X events.
141
142 src/floating.c::
143 Contains functions for floating mode (mostly resizing/dragging).
144
145 src/handlers.c::
146 Contains all handlers for all kind of X events (new window title, new hints,
147 unmapping, key presses, button presses, …).
148
149 src/ipc.c::
150 Contains code for the IPC interface.
151
152 src/layout.c::
153 Renders your layout (screens, workspaces, containers).
154
155 src/mainx.c::
156 Initializes the window manager.
157
158 src/manage.c::
159 Looks at existing or new windows and decides whether to manage them. If so, it
160 reparents the window and inserts it into our data structures.
161
162 src/resize.c::
163 Contains the functions to resize columns/rows in the table.
164
165 src/table.c::
166 Manages the most important internal data structure, the design table.
167
168 src/util.c::
169 Contains useful functions which are not really dependant on anything.
170
171 src/workspace.c::
172 Contains all functions related to workspaces (displaying, hiding, renaming…)
173
174 src/xcb.c::
175 Contains wrappers to use xcb more easily.
176
177 src/xinerama.c::
178 (Re-)initializes the available screens and converts them to virtual screens
179 (see below).
180
181 == Data structures
182
183 See include/data.h for documented data structures. The most important ones are
184 explained right here.
185
186 image:bigpicture.png[The Big Picture]
187
188 So, the hierarchy is:
189
190 . *Virtual screens* (Screen 0 in this example)
191 . *Workspaces* (Workspace 1 in this example)
192 . *Table* (There can only be one table per Workspace)
193 . *Container* (left and right in this example)
194 . *Client* (The two clients in the left container)
195
196 === Virtual screens
197
198 A virtual screen (type `i3Screen`) is generated from the connected screens
199 obtained through Xinerama. The difference to the raw Xinerama monitors as seen
200 when using +xrandr(1)+ is that it falls back to the lowest common resolution of
201 the logical screens.
202
203 For example, if your notebook has 1280x800 and you connect a video projector
204 with 1024x768, set up in clone mode (+xrandr \--output VGA \--mode 1024x768
205 \--same-as LVDS+), i3 will have one virtual screen.
206
207 However, if you configure it using +xrandr \--output VGA \--mode 1024x768
208 \--right-of LVDS+, i3 will generate two virtual screens. For each virtual
209 screen, a new workspace will be assigned. New workspaces are created on the
210 screen you are currently on.
211
212 === Workspace
213
214 A workspace is identified by its number. Basically, you could think of
215 workspaces as different desks in your bureau, if you like the desktop
216 methaphor. They just contain different sets of windows and are completely
217 separate of each other. Other window managers also call this ``Virtual
218 desktops''.
219
220 === The layout table
221
222 Each workspace has a table, which is just a two-dimensional dynamic array
223 containing Containers (see below). This table grows and shrinks as you need it
224 (by moving windows to the right you can create a new column in the table, by
225 moving them to the bottom you create a new row).
226
227 === Container
228
229 A container is the content of a table’s cell. It holds an arbitrary amount of
230 windows and has a specific layout (default layout or stack layout). Containers
231 can consume multiple table cells by modifying their colspan/rowspan attribute.
232
233 === Client
234
235 A client is x11-speak for a window.
236
237 == List/queue macros
238
239 i3 makes heavy use of the list macros defined in BSD operating systems. To
240 ensure that the operating system on which i3 is compiled has all the expected
241 features, i3 comes with `include/queue.h`. On BSD systems, you can use man
242 `queue(3)`. On Linux, you have to use google (or read the source).
243
244 The lists used are `SLIST` (single linked lists), `CIRCLEQ` (circular
245 queues) and TAILQ (tail queues). Usually, only forward traversal is necessary,
246 so an `SLIST` works fine. If inserting elements at arbitrary positions or at
247 the end of a list is necessary, a `TAILQ` is used instead. However, for the
248 windows inside a container, a `CIRCLEQ` is necessary to go from the currently
249 selected window to the window above/below.
250
251 == Naming conventions
252
253 There is a row of standard variables used in many events. The following names
254 should be chosen for those:
255
256  * ``conn'' is the xcb_connection_t
257  * ``event'' is the event of the particular type
258  * ``container'' names a container
259  * ``client'' names a client, for example when using a +CIRCLEQ_FOREACH+
260
261 == Startup (src/mainx.c, main())
262
263  * Establish the xcb connection
264  * Check for XKB extension on the separate X connection
265  * Check for Xinerama screens
266  * Grab the keycodes for which bindings exist
267  * Manage all existing windows
268  * Enter the event loop
269
270 == Keybindings
271
272 === Grabbing the bindings
273
274 Grabbing the bindings is quite straight-forward. You pass X your combination of
275 modifiers and the keycode you want to grab and whether you want to grab them
276 actively or passively. Most bindings (everything except for bindings using
277 Mode_switch) are grabbed passively, that is, just the window manager gets the
278 event and cannot replay it.
279
280 We need to grab bindings that use Mode_switch actively because of a bug in X.
281 When the window manager receives the keypress/keyrelease event for an actively
282 grabbed keycode, it has to decide what to do with this event: It can either
283 replay it so that other applications get it or it can prevent other
284 applications from receiving it.
285
286 So, why do we need to grab keycodes actively? Because X does not set the
287 state-property of keypress/keyrelease events properly. The Mode_switch bit is
288 not set and we need to get it using XkbGetState. This means we cannot pass X
289 our combination of modifiers containing Mode_switch when grabbing the key and
290 therefore need to grab the keycode itself without any modiffiers. This means,
291 if you bind Mode_switch + keycode 38 ("a"), i3 will grab keycode 38 ("a") and
292 check on each press of "a" if the Mode_switch bit is set using XKB. If yes, it
293 will handle the event, if not, it will replay the event.
294
295 === Handling a keypress
296
297 As mentioned in "Grabbing the bindings", upon a keypress event, i3 first gets
298 the correct state.
299
300 Then, it looks through all bindings and gets the one which matches the received
301 event.
302
303 The bound command is parsed directly in command mode.
304
305 == Manage windows (src/mainx.c, manage_window() and reparent_window())
306
307 `manage_window()` does some checks to decide whether the window should be
308 managed at all:
309
310  * Windows have to be mapped, that is, visible on screen
311  * The override_redirect must not be set. Windows with override_redirect shall
312    not be managed by a window manager
313
314 Afterwards, i3 gets the intial geometry and reparents the window (see
315 `reparent_window()`) if it wasn’t already managed.
316
317 Reparenting means that for each window which is reparented, a new window,
318 slightly larger than the original one, is created. The original window is then
319 reparented to the bigger one (called "frame").
320
321 After reparenting, the window type (`_NET_WM_WINDOW_TYPE`) is checked to see
322 whether this window is a dock (`_NET_WM_WINDOW_TYPE_DOCK`), like dzen2 for
323 example. Docks are handled differently, they don’t have decorations and are not
324 assigned to a specific container. Instead, they are positioned at the bottom
325 of the screen. To get the height which needsd to be reserved for the window,
326 the `_NET_WM_STRUT_PARTIAL` property is used.
327
328 Furthermore, the list of assignments (to other workspaces, which may be on
329 other screens) is checked. If the window matches one of the user’s criteria,
330 it may either be put in floating mode or moved to a different workspace. If the
331 target workspace is not visible, the window will not be mapped.
332
333 == What happens when an application is started?
334
335 i3 does not care for applications. All it notices is when new windows are
336 mapped (see `src/handlers.c`, `handle_map_request()`). The window is then
337 reparented (see section "Manage windows").
338
339 After reparenting the window, `render_layout()` is called which renders the
340 internal layout table. The new window has been placed in the currently focused
341 container and therefore the new window and the old windows (if any) need to be
342 moved/resized so that the currently active layout (default mode/stacking mode)
343 is rendered correctly. To move/resize windows, a window is ``configured'' in
344 X11-speak.
345
346 Some applications, such as MPlayer obivously assume the window manager is
347 stupid and try to configure their windows by themselves. This generates an
348 event called configurerequest. i3 handles these events and tells the window the
349 size it had before the configurerequest (with the exception of not yet mapped
350 windows, which get configured like they want to, and floating windows, which
351 can reconfigure themselves).
352
353 == _NET_WM_STATE
354
355 Only the _NET_WM_STATE_FULLSCREEN atom is handled. It calls
356 ``toggle_fullscreen()'' for the specific client which just configures the
357 client to use the whole screen on which it currently is. Also, it is set as
358 fullscreen_client for the i3Screen.
359
360 == WM_NAME
361
362 When the WM_NAME property of a window changes, its decoration (containing the
363 title) is re-rendered. Note that WM_NAME is in COMPOUND_TEXT encoding which is
364 totally uncommon and cumbersome. Therefore, the _NET_WM_NAME atom will be used
365 if present.
366
367 == _NET_WM_NAME
368
369 Like WM_NAME, this atom contains the title of a window. However, _NET_WM_NAME
370 is encoded in UTF-8. i3 will recode it to UCS-2 in order to be able to pass it
371 to X. Using an appropriate font (ISO-10646), you can see most special
372 characters (every special character contained in your font).
373
374 == Size hints
375
376 Size hints specify the minimum/maximum size for a given window aswell as its
377 aspect ratio.  This is important for clients like mplayer, who only set the
378 aspect ratio and resize their window to be as small as possible (but only with
379 some video outputs, for example in Xv, while when using x11, mplayer does the
380 necessary centering for itself).
381
382 So, when an aspect ratio was specified, i3 adjusts the height of the window
383 until the size maintains the correct aspect ratio. For the code to do this, see
384 src/layout.c, function resize_client().
385
386 == Rendering (src/layout.c, render_layout() and render_container())
387
388 There are several entry points to rendering: `render_layout()`,
389 `render_workspace()` and `render_container()`. The former one calls
390 `render_workspace()` for every screen, which in turn will call
391 `render_container()` for every container inside its layout table. Therefore, if
392 you need to render only a single container, for example because a window was
393 removed, added or changed its title, you should directly call
394 render_container().
395
396 Rendering consists of two steps: In the first one, in `render_workspace()`, each
397 container gets its position (screen offset + offset in the table) and size
398 (container's width times colspan/rowspan). Then, `render_container()` is called,
399 which takes different approaches, depending on the mode the container is in:
400
401 === Common parts
402
403 On the frame (the window which was created around the client’s window for the
404 decorations), a black rectangle is drawn as a background for windows like
405 MPlayer, which do not completely fit into the frame.
406
407 === Default mode
408
409 Each clients gets the container’s width and an equal amount of height.
410
411 === Stack mode
412
413 In stack mode, a window containing the decorations of all windows inside the
414 container is placed at the top. The currently focused window is then given the
415 whole remaining space.
416
417 === Tabbed mode
418
419 Tabbed mode is like stack mode, except that the window decorations are drawn
420 in one single line at the top of the container.
421
422 === Window decorations
423
424 The window decorations consist of a rectangle in the appropriate color (depends
425 on whether this window is the currently focused one, the last focused one in a
426 not focused container or not focused at all) forming the background.
427 Afterwards, two lighter lines are drawn and the last step is drawing the
428 window’s title (see WM_NAME) onto it.
429
430 === Fullscreen windows
431
432 For fullscreen windows, the `rect` (x, y, width, height) is not changed to
433 allow the client to easily go back to its previous position. Instead,
434 fullscreen windows are skipped when rendering.
435
436 === Resizing containers
437
438 By clicking and dragging the border of a container, you can resize the whole
439 column (respectively row) which this container is in. This is necessary to keep
440 the table layout working and consistent.
441
442 The resizing works similarly to the resizing of floating windows or movement of
443 floating windows:
444
445 * A new, invisible window with the size of the root window is created
446   (+grabwin+)
447 * Another window, 2px width and as high as your screen (or vice versa for
448   horizontal resizing) is created. Its background color is the border color and
449   it is only there to signalize the user how big the container will be (it
450   creates the impression of dragging the border out of the container).
451 * The +drag_pointer+ function of +src/floating.c+ is called to grab the pointer
452   and enter an own event loop which will pass all events (expose events) but
453   motion notify events. This function then calls the specified callback
454   (+resize_callback+) which does some boundary checking and moves the helper
455   window. As soon as the mouse button is released, this loop will be
456   terminated.
457 * The new width_factor for each involved column (respectively row) will be
458   calculated.
459
460 == User commands / commandmode (src/commands.c)
461
462 Like in vim, you can control i3 using commands. They are intended to be a
463 powerful alternative to lots of shortcuts, because they can be combined. There
464 are a few special commands, which are the following:
465
466 exec <command>::
467 Starts the given command by passing it to `/bin/sh`.
468
469 restart::
470 Restarts i3 by executing `argv[0]` (the path with which you started i3) without
471 forking.
472
473 w::
474 "With". This is used to select a bunch of windows. Currently, only selecting
475 the whole container in which the window is in, is supported by specifying "w".
476
477 f, s, d::
478 Toggle fullscreen, stacking, default mode for the current window/container.
479
480 The other commands are to be combined with a direction. The directions are h,
481 j, k and l, like in vim (h = left, j = down, k = up, l = right). When you just
482 specify the direction keys, i3 will move the focus in that direction. You can
483 provide "m" or "s" before the direction to move a window respectively or snap.
484
485 == Gotchas
486
487 * Forgetting to call `xcb_flush(conn);` after sending a request. This usually
488   leads to code which looks like it works fine but which does not work under
489   certain conditions.
490
491 == Using git / sending patches
492
493 For a short introduction into using git, see
494 http://www.spheredev.org/wiki/Git_for_the_lazy or, for more documentation, see
495 http://git-scm.com/documentation
496
497 When you want to send a patch because you fixed a bug or implemented a cool
498 feature (please talk to us before working on features to see whether they are
499 maybe already implemented, not possible because of some reason or don’t fit
500 into the concept), please use git to create a patchfile.
501
502 First of all, update your working copy to the latest version of the master
503 branch:
504
505 --------
506 git pull
507 --------
508
509 Afterwards, make the necessary changes for your bugfix/feature. Then, review
510 the changes using +git diff+ (you might want to enable colors in the diff using
511 +git config diff.color auto+).  When you are definitely done, use +git commit
512 -a+ to commit all changes you’ve made.
513
514 Then, use the following command to generate a patchfile which we can directly
515 apply to the branch, preserving your commit message and name:
516
517 -----------------------
518 git format-patch origin
519 -----------------------
520
521 Just send us the generated file via mail.