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% © 2009 Michael Stapelberg
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% 2009-06-24
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\documentclass[mode=print,paper=screen,style=jefka]{powerdot}
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	\lstset{frame=single, basicstyle=\footnotesize\ttfamily, language=C, showstringspaces=false,%
		style=colors, numbers=left, morekeywords={xcb_get_window_attributes_cookie_t, xcb_map_request_event_t,%
		xcb_connection_t, xcb_get_window_attributes_reply_t, window_attributes_t, xcb_intern_atom_cookie_t,%
		xcb_intern_atom_reply_t, xcb_atom_t, uint32_t, uint16_t, foreach, UINT_MAX, NULL},%
		moreemph={xcb_get_window_attributes_reply, xcb_get_window_attributes_unchecked, manage_window,%
		add_ignore_event, xcb_intern_atom, xcb_intern_atom_reply, fprintf, printf, free, load_configuration,%
		XInternAtom, exit, strlen, xcb_change_window_attributes, xcb_event_wait_for_event_loop,%
		xcb_event_set_key_press_handler, xcb_property_set_handler}}
}{}

\newcommand{\isrc}[1]{\begin{center} \footnotesize\ttfamily Siehe auch: #1 \end{center}}

\title{Hacking your own window manager}
\author{sECuRE auf der GPN 8\\
~\\
powered by \LaTeX, of course}
\begin{document}
\maketitle

\begin{slide}{Dieser Vortrag}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Geschichte/Einführung in Window Manager
	\item Merkmale von i3
	\item Window Manager und X11
	%
	% zuerst: wie funktioniert ein client?
	%
	% WM ist nur ein weiterer Client
	% Keine Rechteverwaltung, prinzipiell darf jeder Fenster schubsen
	% Clients können Events abfangen, der WM macht das halt für das root-fenster
	\item Arbeitsumgebung
	\item XCB
	\item Setup
	\item Reparenting (Window Decorations)
	%\item fake\_configure\_notify
	%\item Colorpixel
	%\item UTF-8
	% irgendwo da erwähnen: fenster in eine hashtable aufnehmen

	\item Events
	% (die kriegt man natürlich nur wenn man redirectmask gesetzt hat:)
	% MapRequest
	% ConfigureRequest
	\item Hints (Titel, Klassen, Größen, …)
	% Atoms
	% NetWM
	% - NET_WM_WINDOW_TYPE
	% - NET_WM_NAME
	%   - in kombination mit NET_SUPPORTING_WM_CHECK auf dem rootfenster
	% - NET_WM_STRUT_PARTIAL
	% ICCCM
	% - Normal hints / size hints (warum zwei namen?)
	%   - Aspect ratio, wichtig z.B. für mplayer
	%   - min/max size, interessant primär für floating
	% - WM_NAME
	% - WM_TRANSIENT_FOR
	% - WM_CLASS
	\item Gotchas
	% flush()
	% WM_STATE_NORMAL und drag&drop in gtk-apps
	\item Zusammenfassung
	% TODO
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{Geschichte/Einführung}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item<1-> „All window managers suck, this one just sucks less”?
	\item<2-> Desktop environment vs. window manager (GNOME, KDE, Xfce, …)
	\item<3-> Stacking (e17, fluxbox, IceWM, fvwm, …) vs Tiling (dwm, wmii, xmonad, …)
	\item<4-> dwm, awesome, xmonad, …: statisches Layout
	% gedanke: man braucht sich nicht mal mehr um das layout kümmern
	\item<5-> wmii, ion: dynamisches layout
	\item<6-> Probleme an ion: tuomov (Lizenz, Kommunikation), Config, Look and feel, Code
	\item<7-> Probleme an wmii: Xinerama-support, Xlib, undokumentierter Code, nur Spalten, keine Reihen, Kleinigkeiten (titellose Fenster)
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{Merkmale von i3}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item<1-> gut lesbarer, dokumentierter Code. Dokumentation.
	\item<2-> XCB anstelle von Xlib
	\item<3-> Xinerama done right™
	\item<4-> Spalten und Zeilen, Tabelle als Basis
	\item<5-> command-mode, wie in vim
	\item<6-> UTF-8 clean
	\item<7-> kein Antialiasing, schlank und schnell bleiben
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{Typische Kommunikation mit X}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item<1-> Verbindung aufbauen
	\item<2-> Requests über die Leitung schicken (Fenster erzeugen)
	\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
		\item Cookie für jeden Request
		\item Antwort für spezifisches Cookie abholen
		\item $\Rightarrow$ Asynchronität nutzbar
	\end{list}
	\item<3-> Eventloop starten, reagieren (Fenster zeichnen, Eingaben, …)
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{Was genau macht ein WM?}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item<1-> Events umlenken
	\item<2-> Neue Fenster anzeigen/positionieren (MapRequest)
	\item<3-> Titelleisten malen (reparenting)
	\item<4-> Den Fokus verwalten
	\item<5-> Mit Hints umgehen (Fenstertitel, Fullscreen, Dock, …)
	\item<6-> Auf Benutzereingaben reagieren
\end{list}
\end{slide}


\begin{slide}[method=direct]{Window Manager und X11 (1)}
\includegraphics[width=1\textwidth]{xserver_konzept.eps}
\end{slide}

\begin{slide}{Window Manager und X11 (2)}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item<1-> Keine Rechteaufteilung, prinzipiell kann jeder Fenster managen
	\item<2-> Window Manager verantwortlich für alle Kinder das Root-Fensters
	\item<3-> RedirectMask, lässt sich Events des Root-Fensters schicken
	\item<4-> Setzt hints auf dem Root-Fenster
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{Arbeitsumgebung}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item X sinnvoll beim Entwickeln $\Rightarrow$ anderen Computer verwenden oder Xephyr
	\item xtrace dazwischenschalten (sowohl zwischen WM und X11 als auch zwischen Clients und X11 sinnvoll)\\
\texttt{DISPLAY=:1 xtrace -o /tmp/xtrace.log -n :9}
	\item \texttt{xprop} zeigt Hints an, \texttt{xwininfo} gibt Struktur aus
	\item als ersten Client ein Terminal starten $\Rightarrow$ wenn der WM crashed lebt
	die X-Session noch\\
\texttt{DISPLAY=:1 urxvt \&}
	\item Debugger, strace, logfiles, core-dumps aktivieren\\
	(Siehe auch \url{http://i3.zekjur.net/docs/debugging.html})
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{XCB}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item \url{http://xcb.freedesktop.org/}
	\item<1-> „X-protocol C-language Binding”
	\item<2-> Klein, wartbar (aus einer Protokollbeschreibung auto-generiert)
	\item<3-> Sinnvoll benannte Funktionsnamen und Datentypen
	\item<4-> Nutzt die Asynchronität von X aus
	\item<5-> Allerdings: Sehr spärlich dokumentiert, man muss mit Xlib-Doku arbeiten
	\item<6-> xcb-util: XCB noch mal ein bisschen gekapselt, nützliche Funktionen abstrahiert
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Xlib-Beispielcode}
\begin{code}
  char *names[10] = {"_NET_SUPPORTED", "_NET_WM_STATE",
  "_NET_WM_STATE_FULLSCREEN", "_NET_WM_NAME" /* ... */};
  Atom atoms[10];

  /* Get atoms */
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    atoms[i] = XInternAtom(display, names[i], 0);
  }
\end{code}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{XCB-Beispielcode}
\begin{code}
char *names[10] = {"_NET_SUPPORTED", "_NET_WM_STATE",
  "_NET_WM_STATE_FULLSCREEN", "_NET_WM_NAME" /* ... */};
xcb_intern_atom_cookie_t cookies[10];

/* Place requests for atoms as soon as possible */
for (int c = 0; c < 10; c++)
  xcb_intern_atom(connection, 0, strlen(names[c]), names[c]);

/* Do other stuff here */
load_configuration();

/* Get atoms */
for (int c = 0; c < 10; c++) {
  xcb_intern_atom_reply_t *reply =
    xcb_intern_atom_reply(connection, cookies[c], NULL);
  if (!reply) {
    fprintf(stderr, "Could not get atom\n");
    exit(-1);
  }
  printf("atom has ID %d\n", reply->atom);
  free(reply);
}
\end{code}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Setup}
\begin{code}
get_atoms();

xcb_event_set_key_press_handler(&evenths, handle_key_press, NULL);
xcb_property_set_handler(&prophs, WM_TRANSIENT_FOR, UINT_MAX,
			 handle_transient_for, NULL);

xcb_grab_key(conn, 0, root, modifier, keycode,
	     XCB_GRAB_MODE_SYNC, XCB_GRAB_MODE_ASYNC);
xcb_grab_key(conn, 0, root, modifier | xcb_numlock_mask, keycode,
	     XCB_GRAB_MODE_SYNC, XCB_GRAB_MODE_ASYNC);

uint32_t values[] = { XCB_EVENT_MASK_SUBSTRUCTURE_REDIRECT |
		      XCB_EVENT_MASK_STRUCTURE_NOTIFY |
		      XCB_EVENT_MASK_PROPERTY_CHANGE |
		      XCB_EVENT_MASK_ENTER_WINDOW };
xcb_change_window_attributes(conn, root, XCB_CW_EVENT_MASK, values);

manage_existing_windows();

xcb_event_wait_for_event_loop(&evenths);
\end{code}

\isrc{i3/src/mainx.c:370ff}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Reparenting}
\includegraphics[width=1\textwidth]{reparenting.eps}
\begin{enumerate}
	\item (App) Fenster wird konfiguriert (Position, Größe, …)
	\item (App) MapRequest
	\item (WM) Window Manager erstellt eigenes Fenster
	\item (WM) Reparent = neues Fenster kriegt statt root das WM-Fenster als parent
	\item (WM) Mappen des neuen Fensters
\end{enumerate}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{fake\_configure\_notify}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item (Alte) Reparented clients kriegen nichts mit, denken relativ zum root-Fenster
	\item $\Rightarrow$ Window Manager tut so, als würde das Fenster neu konfiguriert, sendet den Event mit absoluten statt relativen Koordinaten
	\item Sieht man sehr gut an \texttt{xfontsel} und anderen Anwendungen, die Xaw (X Athena widget set) verwenden
\end{list}
\begin{code}
        xcb_configure_notify_event_t generated_event;
        generated_event.window = window;
        generated_event.response_type = XCB_CONFIGURE_NOTIFY;
        generated_event.x = r.x;
	/* ... */
        generated_event.override_redirect = false;
        xcb_send_event(conn, false, window,
		       XCB_EVENT_MASK_STRUCTURE_NOTIFY,
		       (char*)&generated_event);
\end{code}
\isrc{i3/src/xcb.c:193ff}
\end{slide}


\begin{slide}[method=direct]{Events: button\_press}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Aktiv grabben, die Anwendung soll keinen Klick bekommen, wenn der Nutzer das Fenster verschiebt
\end{list}
\begin{code}
int handle_button_press(void *ignored, xcb_connection_t *conn,
		        xcb_button_press_event_t *event) {
        /* ... */
        if ((event->state & XCB_MOD_MASK_1) != 0)
		floating_drag_window(conn, client, event);

	/* ... */
	if (event->detail == XCB_BUTTON_INDEX_4 ||
	    event->detail == XCB_BUTTON_INDEX_5) {
		LOG("User scrolled\n");
		return 1;
	}
	/* if unhandled, forward the click to the application */
	xcb_allow_events(conn, XCB_ALLOW_REPLAY_POINTER, event->time);
	return 1;
}
\end{code}
\isrc{i3/src/handlers.c:148ff}
\end{slide}


\begin{slide}[method=direct]{Events: enter\_notify}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Der Mauszeiger ist über dem Fenster gelandet
	\item Auch unabsichtlich: Wenn das Fenster unter den Mauszeiger konfiguriert wird
	\item $\Rightarrow$ Blacklist an Events, die man ignorieren muss
\end{list}

\begin{code}
int handle_enter_notify(void *ignored, xcb_connection_t *conn,
			xcb_enter_notify_event_t *event) {
        if (event_is_ignored(event->sequence))
                return 1;

        Client *client = table_get(&by_parent, event->event);
	if (client == NULL) {
		return 1; /* user moved cursor to another screen */
	}

        set_focus(conn, client, false);
	return 1;
}
\end{code}
\isrc{i3/src/handlers.c:148ff}
\end{slide}


\begin{slide}[method=direct]{Events: key\_press }
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Aktives key grabbing: WM entscheidet, ob Tastendruck weitergeht, also bei der Anwendung ankommt (kann abfangen)
	\item Passives key grabbing: WM kriegt einen event
\end{list}

\begin{code}
uint16_t state_filtered =
	 event->state & ~(xcb_numlock_mask | XCB_MOD_MASK_LOCK);
state_filtered &= 0xFF; /* filter mouse buttons */
foreach (binding) {
	if (binding->keycode == event->detail &&
	    binding->mods == state_filtered) {
		/* do fancy stuff here */
		break;
	}
}
\end{code}
\isrc{i3/src/handlers.c:100ff}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Events: key\_press (2), Mode\_switch }
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.25em}
	\item \texttt{event->state} enthält nie das Mode\_switch-Bit, Bug in X
	\item XKB hilft, den korrekten state zu ermitteln
	\item $\Rightarrow$ Mode\_switch nicht als modifier in \texttt{xcb\_grab\_key} verwendbar
	\item $\Rightarrow$ wir grabben alle keys aktiv (!) und filtern selbst nach Mode\_switch
\end{list}

\begin{code}
/* ... state_filtered is already cleaned */
XkbStateRec state;
if (XkbGetState(xkbdpy, XkbUseCoreKbd, &state) == Success &&
    (state.group+1) == 2)
	state_filtered |= BIND_MODE_SWITCH;
foreach (binding)
	if (binding->keycode == event->detail &&
	    binding->mods == state_filtered) {
		xcb_allow_events(conn, SyncKeyboard, event->time);
		return; /* after doing actual stuff, of course */
	}
xcb_allow_events(conn, ReplayKeyboard, event->time);
\end{code}
\isrc{i3/src/handlers.c:100ff}
\end{slide}


\begin{slide}[method=direct]{Umlaute und Sonderzeichen}
\includegraphics[width=.5\textwidth]{xft.eps}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.1em}
	\item Verschiedene APIs für Render von Text: X Core Fonts und xft
	\item xft = X FreeType, antialiased fonts, Pango, GTK
	\item Problem mit X Core Fonts: keine Sonderzeichen
	\item …oder? \texttt{misc-fixed-*-iso10646}, also X Core Fonts mit Universal Character Set (= Unicode-Zeichen). Nicht 100\% vollständig
	\item urxvt: benutzt beide APIs, pro Glyph unterschiedlich
	\item Trend geht leider zu fontconfig/xft :-(
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Umlaute und Sonderzeichen (2)}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item X hat eigenes Encoding: Compound Text
	\item Früher ICCCM (Compound text, z.B. Atom WM\_NAME)\\
	ICCCM = Inter-Client Communication Conventions Manual
	\item heute EWMH (UTF-8, z.B. Atom \_NET\_WM\_NAME)\\
	EWMH = Extended Window Manager Hints (= NetWM)
	\item XImageText16 (bzw xcb\_image\_text\_16) erwartet UCS-2\\
	$\Rightarrow$ \texttt{iconv\_open(UCS2\_BE, UTF-8)}
\end{list}
\isrc{i3/src/util.c:191ff, i3/src/handlers.c:663ff}
\end{slide}


\begin{slide}[method=direct]{Colorpixel}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Heutzutage: TrueColor. Früher: 8 bit o.ä.
	\item Colormaps: Geben an welche Farben die Hardware kann
	\item Colorpixel: Ein Wert aus der Colormap, der der gewünschten Farbe am nähesten kommt
	\item Bei TrueColor: \texttt{return (red << 16) + (green << 8) + blue;}
	\item Alles andere: Round-Trip zum X-Server:
\end{list}
\begin{code}
        #define RGB_8_TO_16(i) (65535 * ((i) & 0xFF) / 255)
        xcb_alloc_color_reply_t *reply;
        reply = xcb_alloc_color_reply(conn, xcb_alloc_color(conn,
		root_screen->default_colormap, RGB_8_TO_16(red),
		RGB_8_TO_16(green), RGB_8_TO_16(blue)), NULL);
        if (!reply)
                die("Could not allocate color\n");
        return reply->pixel;
\end{code}
\isrc{i3/src/xcb.c:76ff}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Hints}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item NetWM
	\begin{description}
		\item[NET\_WM\_WINDOW\_TYPE] dock, dialog, utility, toolbar, splashscreen
		\item[NET\_WM\_NAME] Fenstertitel (UTF-8), auch auf dem root-Fenster
		\item[NET\_WM\_STRUT\_PARTIAL] Reservierter Bereich am Bildschirmrand (Docks), z.B. für dzen2
	\end{description}
	\item ICCCM
	\begin{description}
		\item[WM\_NAME] Fenstertitel (Compound Text)
		\item[WM\_TRANSIENT\_FOR] Zugehöriges, "`temporäres"' Fenster für Anwendung X ($\Rightarrow$ floating)
		\item[WM\_CLASS] Fensterklasse (z.B. "`urxvt"'), praktisch zum identifizieren
		\item[WM\_NORMAL\_HINTS] (Size hints), beinhaltet Aspect Ratio (mplayer!), minimale und maximale Größe
	\end{description}
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Hints (2)}
\begin{code}
int handle_transient_for(void *data, xcb_connection_t *conn,
           uint8_t state, xcb_window_t window,
           xcb_atom_t name, xcb_get_property_reply_t *reply)
{
  xcb_window_t transient_for;
  if (reply != NULL) {
    if (!xcb_get_wm_transient_for_from_reply(&transient_for, reply)) {
      LOG("Not transient for any window\n");
      return 1;
    }
  } else {
    if (!xcb_get_wm_transient_for_reply(conn,
        xcb_get_wm_transient_for_unchecked(conn, window),
        &transient_for, NULL)) {
      LOG("Not transient for any window\n");
      return 1;
    }
  }
  if (client->floating == FLOATING_AUTO_OFF)
    toggle_floating_mode(conn, client, true);
  return 1;
}
\end{code}
\end{slide}

\begin{slide}[method=direct]{Gotchas}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Flushing (\texttt{xcb\_flush(connection);})
	\item \texttt{WM\_STATE} != \texttt{WM\_STATE\_NORMAL}
	\item Eventloops / Caching von xcb (GIMP splash screen)
\end{list}
\end{slide}


\begin{slide}{Zusammenfassung}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=.5em}
	\item Bindings aufsetzen, Eventmask konfigurieren
	\item Events/Hints abarbeiten
	\item Decorations zeichnen
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{Lust bekommen?}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item git clone \url{git://code.stapelberg.de/i3}
	\item development branch: \texttt{git checkout --track -b next origin/next}
	\item Debian: \texttt{apt-get install i3-wm/unstable}
	\item non-Debian: \texttt{cd i3; cat DEPENDS; make \&\& sudo make install}
	\item in \~{}/.xsession: \texttt{exec /usr/bin/i3}
	\item Siehe manpage \texttt{i3(1)}, user’s guide, how to hack
\end{list}
\end{slide}

\begin{slide}{exit(0);}
\begin{list}{$\bullet$}{\itemsep=1em}
	\item git-webinterface: \url{http://code.stapelberg.de/git/i3}
	\item Website: \url{http://i3.zekjur.net}
	\item IRC: \#i3 auf irc.twice-irc.de
	\item xcb: \url{http://xcb.freedesktop.org/}
	\item 50-Zeilen-WM: \url{http://incise.org/tinywm.html}
	\item „Why X is not our ideal window system”: \url{http://www.std.org/~msm/common/WhyX.pdf}
	\item …noch Fragen?
\end{list}
\end{slide}

\end{document}
