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dotnet X11 简单使用 MIT-SHM 共享内存推送图片

Updated: at 01:30,Created: at 23:19

这是我在尝试优化 Avalonia 在 Linux 上的低端设备的渲染性能时所研究的方式,本文将告诉大家如何简单使用 XShmPutImage 等 X11 的 XShm Extension 扩展方法,通过共享内存的方式推送图片

众所周知,在 X11 里面有经典的 Client-Server 模型。客户端程序是属于 Client 角色,需要将渲染界面作为图片推送到 Server 端进行在屏幕上呈现。推送的方法可以是 XPutImage 方式,也可以是本文介绍的 X11 的 XShm Extension 的 XShmPutImage 方式

上文的 XShm 是 X Shared Memory 的缩写,核心使用的是 libc 提供的 shmget 共享内存方法作为 X 的扩展。对于 XPutImage 的优势在于,如果是 Client 和 Server 都在本机的情况下,可以减少 Client 通过 X 协议传输图片到 Server 的耗时。利用 XShmPutImage 可以实现共享内存的共享,减少传输的耗时,提升渲染性能,降低渲染延迟

相关 Avalonia 链接: https://github.com/AvaloniaUI/Avalonia/discussions/16690#discussioncomment-10359540

经过我在兆芯的 ZHAOXIN KaiXian KX-U6780A 的 CPU 上的实际测试,使用 XPutImage 推送界面大图能够耗时 10 多毫秒,而使用 XShmPutImage 耗时约 0 毫秒

为什么 XShmPutImage 能够如此明显提升 XPutImage 的耗时,减少推送图片的延迟?其实 XShmPutImage 里面只是做一个通知,准确来说啥都没有做。调用 XShmPutImage 时会在 XServer 端慢慢执行渲染相关逻辑

从 XPutImage 换成 XShmPutImage 只是减少传输的影响,对于界面渲染与合成器部分没有优化。实际减少的耗时有限,上文的实际测试的耗时影响,仅仅只是 XShmPutImage 对于 XPutImage 的耗时相同阶段上,被 XShmPutImage 给延后在其他模块了,总耗时减少上可能只有 1-2 毫秒

接下来将和大家演示如何在 X11 里面简单使用 XShm Extension 扩展方法推送图片渲染

本文使用的很多 X11 的 PInvoke 代码是从 CPF 和 Avalonia 里面抄的,大家可以在本文末尾找到本文所有代码的下载方法

前置的 X11 相关知识博客,请参阅 博客导航

尽管在上个世纪就能找到 XShm 相关文档,但是在实际使用之前,推荐还是判断一下当前设备的 XShm 情况,判断代码如下

var status = XShmQueryExtension(display);
if (status == 0)
{
Console.WriteLine("XShmQueryExtension failed");
}
status = XShmQueryVersion(display, out var major, out var minor, out var pixmaps);
Console.WriteLine($"XShmQueryVersion: {status} major={major} minor={minor} pixmaps={pixmaps}");

如果以上两个函数任意一个 status 为 0 则代表失败,当前设备不能使用 XShm 扩展

在创建图片信息之前,需要先获取对应的色深的 visual 指针,本文设置尝试获取的是 32 色的,代码如下

XMatchVisualInfo(display, screen, depth: 32, klass: 4, out var info);
var visual = info.visual;

使用 XShmCreateImage 方法创建 XImage 对象,于此同时注册 XShmSegmentInfo 信息。在 LibC 共享内存里面,共享内存的工作依赖 shmget 创建一个共享内存标识和 shmat 通过共享内存标识获取一段内存地址。这两个信息,共享内存标识和当前进程的共享内存地址信息需要存放给到 XShmSegmentInfo 信息里面,让 X 底层工作,详细请参阅 Linux进程间通信(六):共享内存 shmget()、shmat()、shmdt()、shmctl() - 52php - 博客园

const int ZPixmap = 2;
var xShmSegmentInfo = new XShmSegmentInfo();
var shmImage = (XImage*) XShmCreateImage(display, visual, 32, ZPixmap, IntPtr.Zero, &xShmSegmentInfo,
(uint) width, (uint) height);

上面代码的 ZPixmap 格式请参阅 dotnet 理解 X11 的 24 位或 32 位色深窗口

如此即可创建一个颜色深度为 32 位色深的 XImage 指针

如上文所述,使用 shmget 创建一个共享内存标识符,代码如下

var mapLength = width * 4 * height; // 这里的 4 表示的是一个像素使用 4 个 byte 组成,即 ARGB 一个颜色分量一个 byte 大小
var shmgetResult = shmget(IPC_PRIVATE, mapLength, IPC_CREAT | 0777);

详细关于 shmget 函数的介绍,还请参阅 Linux进程间通信(六):共享内存 shmget()、shmat()、shmdt()、shmctl() - 52php - 博客园

上面代码没有列举出来的 IPC_PRIVATE 和 IPC_CREAT 是两个常量,定义如下

// #define IPC_CREAT 01000 /* create key if key does not exist */
// #define IPC_PRIVATE ((key_t) 0) /* private key */
public const int IPC_CREAT = 01000;
public const int IPC_PRIVATE = 0;

更详细的代码可以在本文末尾找到本文所有代码的下载方法

以上代码获取到的 shmgetResult 局部变量就是共享内存标识,需要将其放入到 XShmSegmentInfo 的 shmid 字段里面,且依据此变量调用 Lib C 的 shmat 获取内存地址,代码如下

var shmgetResult = shmget(IPC_PRIVATE, mapLength, IPC_CREAT | 0777);
xShmSegmentInfo.shmid = shmgetResult;
var shmaddr = shmat(shmgetResult, IntPtr.Zero, 0);

获取到的共享内存地址 shmaddr 需要同样也放入到 XShmSegmentInfo 的字段进行存放,也用于 XImage 的 data 指针赋值,代码如下

xShmSegmentInfo.shmaddr = (char*) shmaddr.ToPointer();
shmImage->data = shmaddr;

以上逻辑都在 Client 端执行的,现在 Server 端还不知道信息,此时通过 XShmAttach 方法即可将其关联,让 Server 端也能知道 XImage 对应的共享内存信息,包括 shm id 共享内存标识和 shm addr 共享内存地址信息

XShmAttach(display, &xShmSegmentInfo);
XFlush(display);

上述代码的 XFlush 非必须,只是在本演示代码里面,期望立刻将此信息推送过去而已。慢点推送不会造成问题,也不会导致延迟

通过上文方法,现在就完成了 XShm Extension 扩展的初始化逻辑。接下来即可尝试在此共享内存里面写入数据,通知给到 Server 端在界面显示即可

以下代码演示写入一个测试界面的画面到共享内存里面,代码如下,以下将绘制一个随机颜色作为纯色界面

// 模拟绘制界面
var color = Random.Shared.Next();
color = (color | 0xFF << 24); // 让 Alpha 部分是不透明的,防止显示透明色让大家以为界面看不到
for (int i = 0; i < mapLength / 4; i++)
{
var p = (int*) shmaddr;
p[i] = color;
}

还请不要在意这里的设置纯色使用的是 for 循环方法,本文这里只是一个演示代码,大家开森就好

向共享内存写入数据之后,即可通过 XShmPutImage 通知 Server 端,代码如下

XShmPutImage(display, drawable: handle, gc, (XImage*) shmImage, src_x: 0, src_y: 0, dst_x: 0, dst_y: 0, (uint) width, (uint) height, send_event: true);
XFlush(display);

此 XShmPutImage 的参数和使用方法和 XPutImage 非常相同。只是其最后一个参数 send_event 表示的是在 Server 端完成读取共享内存的数据之后,是否要发一条 Event 给到 Client 端,让 Client 端可以在 XNextEvent 读取到

为什么会需要 Server 端读取之后发送 Event 事件给到 Client 端?这是 Lib C 共享内存的一个设计问题,共享内存的读取是不带通知的,即生产端和消费端之间的写入和读取完成是没有带通知的,需要通过第三方方式进行通知。在 XShm Extension 扩展里面,生产端在 Client 端写入数据之后,通过 XShmPutImage 通知到 Server 进行消费,这也就是为什么 XShmPutImage 执行速度非常快,耗时接近 0 毫秒的原因。当 Server 端消费完成,即读取完成共享内存的数据之后,就通过发送 Event 事件给到 Client 端,让 Client 可以决定是否复用共享内存空间

如果在调用 XShmPutImage 之后,不等 Server 端回复的读取完成 XShmCompletionEvent 事件,就继续向共享内存写入数据呢?此时将会发现 Server 端读取到错误的信息,这是不合理的代码逻辑

以上就是使用 XShm Extension 扩展方法,使用共享内存发送传输界面画面图片数据

我将所有的核心代码组装起来,合起来的代码如下

var status = XShmQueryExtension(display);
if (status == 0)
{
Console.WriteLine("XShmQueryExtension failed");
}
status = XShmQueryVersion(display, out var major, out var minor, out var pixmaps);
Console.WriteLine($"XShmQueryVersion: {status} major={major} minor={minor} pixmaps={pixmaps}");
XMatchVisualInfo(display, screen, depth: 32, klass: 4, out var info);
var visual = info.visual;
const int ZPixmap = 2;
var xShmSegmentInfo = new XShmSegmentInfo();
var shmImage = (XImage*) XShmCreateImage(display, visual, 32, ZPixmap, IntPtr.Zero, &xShmSegmentInfo,
(uint) width, (uint) height);
var shmgetResult = shmget(IPC_PRIVATE, mapLength, IPC_CREAT | 0777);
Console.WriteLine($"shmgetResult={shmgetResult:X}");
xShmSegmentInfo.shmid = shmgetResult;
var shmaddr = shmat(shmgetResult, IntPtr.Zero, 0);
Console.WriteLine($"shmaddr={shmaddr:X}");
xShmSegmentInfo.shmaddr = (char*) shmaddr.ToPointer();
shmImage->data = shmaddr;
XShmAttach(display, &xShmSegmentInfo);
XFlush(display);
var gc = XCreateGC(display, handle, 0, 0);
// 以下为绘制界面
// 模拟绘制界面
var color = Random.Shared.Next();
color = (color | 0xFF << 24);
for (int i = 0; i < mapLength / 4; i++)
{
var p = (int*) shmaddr;
p[i] = color;
}
// 推送图片
XShmPutImage(display, drawable: handle, gc, (XImage*) shmImage, src_x: 0, src_y: 0, dst_x: 0, dst_y: 0, (uint) width, (uint) height, send_event: true);
XFlush(display);

在实际的代码里面,推送图片 XShmPutImage 等逻辑是写到 Expose 事件里面的,完全的代码如下

XInitThreads();
var display = XOpenDisplay(IntPtr.Zero);
var screen = XDefaultScreen(display);
var rootWindow = XDefaultRootWindow(display);
XMatchVisualInfo(display, screen, depth: 32, klass: 4, out var info);
var visual = info.visual;
var xDisplayWidth = XDisplayWidth(display, screen);
var xDisplayHeight = XDisplayHeight(display, screen);
var width = xDisplayWidth;
var height = xDisplayHeight;
var valueMask =
//SetWindowValuemask.BackPixmap
0
| SetWindowValuemask.BackPixel
| SetWindowValuemask.BorderPixel
| SetWindowValuemask.BitGravity
| SetWindowValuemask.WinGravity
| SetWindowValuemask.BackingStore
| SetWindowValuemask.ColorMap
//| SetWindowValuemask.OverrideRedirect
;
var xSetWindowAttributes = new XSetWindowAttributes
{
backing_store = 1,
bit_gravity = Gravity.NorthWestGravity,
win_gravity = Gravity.NorthWestGravity,
//override_redirect = true, // 设置窗口的override_redirect属性为True,以避免窗口管理器的干预
colormap = XCreateColormap(display, rootWindow, visual, 0),
border_pixel = 0,
background_pixel = 0,
};
var handle = XCreateWindow(display, rootWindow, 0, 0, width, height, 5,
32,
(int) CreateWindowArgs.InputOutput,
visual,
(nuint) valueMask, ref xSetWindowAttributes);
XEventMask ignoredMask = XEventMask.SubstructureRedirectMask | XEventMask.ResizeRedirectMask |
XEventMask.PointerMotionHintMask;
var mask = new IntPtr(0xffffff ^ (int) ignoredMask);
XSelectInput(display, handle, mask);
XMapWindow(display, handle);
XFlush(display);
var mapLength = width * 4 * height;
//Console.WriteLine($"Length = {mapLength}");
var status = XShmQueryExtension(display);
if (status == 0)
{
Console.WriteLine("XShmQueryExtension failed");
}
status = XShmQueryVersion(display, out var major, out var minor, out var pixmaps);
Console.WriteLine($"XShmQueryVersion: {status} major={major} minor={minor} pixmaps={pixmaps}");
const int ZPixmap = 2;
var xShmSegmentInfo = new XShmSegmentInfo();
var shmImage = (XImage*) XShmCreateImage(display, visual, 32, ZPixmap, IntPtr.Zero, &xShmSegmentInfo,
(uint) width, (uint) height);
Console.WriteLine($"XShmCreateImage = {(IntPtr) shmImage:X} xShmSegmentInfo={xShmSegmentInfo}");
var shmgetResult = shmget(IPC_PRIVATE, mapLength, IPC_CREAT | 0777);
Console.WriteLine($"shmgetResult={shmgetResult:X}");
xShmSegmentInfo.shmid = shmgetResult;
var shmaddr = shmat(shmgetResult, IntPtr.Zero, 0);
Console.WriteLine($"shmaddr={shmaddr:X}");
xShmSegmentInfo.shmaddr = (char*) shmaddr.ToPointer();
shmImage->data = shmaddr;
XShmAttach(display, &xShmSegmentInfo);
XFlush(display);
var gc = XCreateGC(display, handle, 0, 0);
XFlush(display);
Task.Run(() =>
{
var newDisplay = XOpenDisplay(IntPtr.Zero);
while (true)
{
Console.ReadLine();
var xEvent = new XEvent
{
ExposeEvent =
{
type = XEventName.Expose,
send_event = true,
window = handle,
count = 1,
display = newDisplay,
x = 0,
y = 0,
width = width,
height = height,
}
};
// [Xlib Programming Manual: Expose Events](https://tronche.com/gui/x/xlib/events/exposure/expose.html )
XLib.XSendEvent(newDisplay, handle, propagate: false,
new IntPtr((int) (EventMask.ExposureMask)),
ref xEvent);
XFlush(newDisplay);
}
XCloseDisplay(newDisplay);
});
var stopwatch = new Stopwatch();
while (true)
{
var xNextEvent = XNextEvent(display, out var @event);
if (xNextEvent != 0)
{
break;
}
if (@event.type == XEventName.Expose)
{
// 模拟绘制界面
var color = Random.Shared.Next();
color = (color | 0xFF << 24);
for (int i = 0; i < mapLength / 4; i++)
{
var p = (int*) shmaddr;
p[i] = color;
}
stopwatch.Restart();
XShmPutImage(display, drawable: handle, gc, (XImage*) shmImage, src_x: 0, src_y: 0, dst_x: 0, dst_y: 0, (uint) width, (uint) height, send_event: true);
XFlush(display);
stopwatch.Stop();
}
}

本文代码放在 githubgitee 上,可以使用如下命令行拉取代码。我整个代码仓库比较庞大,使用以下命令行可以进行部分拉取,拉取速度比较快

先创建一个空文件夹,接着使用命令行 cd 命令进入此空文件夹,在命令行里面输入以下代码,即可获取到本文的代码

git init
git remote add origin https://gitee.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin 2557bcf18d1aecedd57b6c8c8bc0d74ed8251977

以上使用的是国内的 gitee 的源,如果 gitee 不能访问,请替换为 github 的源。请在命令行继续输入以下代码,将 gitee 源换成 github 源进行拉取代码。如果依然拉取不到代码,可以发邮件向我要代码

git remote remove origin
git remote add origin https://github.com/lindexi/lindexi_gd.git
git pull origin 2557bcf18d1aecedd57b6c8c8bc0d74ed8251977

获取代码之后,进入 X11/WercawchallwarnefeWhedurcachay 文件夹,即可获取到源代码

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知识共享许可协议

原文链接: http://blog.lindexi.com/post/dotnet-X11-%E7%AE%80%E5%8D%95%E4%BD%BF%E7%94%A8-MIT-SHM-%E5%85%B1%E4%BA%AB%E5%86%85%E5%AD%98%E6%8E%A8%E9%80%81%E5%9B%BE%E7%89%87

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