Treeland 技术揭秘，如何使得 DDE 纵享丝滑？
近日，deepin（深度）社区亮相COSCon'24 第九届中国开源年会开源市集，且社区资深桌面研发工程师张丁元为大家来了《Treeland，DDE进步的阶梯》技术分享。
就着这个机会，今天就让我们一起来聊聊如何在追求华丽动画和流畅体验的同时，还能保持系统的轻盈和高效。这就像是在玩一场平衡游戏，设计师和架构师各自站在天平的两端，一边是视觉盛宴，另一边是性能怪兽。这两者之间的平衡，就需要我们研发团队来巧妙地“牺牲”一些头发（脑力）来实现了。
历史背景
在 deepin 15 时期，开发团队使用 Mutter 为高性能设备提供流畅图形效果，用 Metacity 为低配置设备保证系统流畅性。但在 deepin 20 时期，团队决定采用 KWin 作为新窗口管理器，因其具备强大功能且可关闭合成器，适应不同硬件配置。因此，放弃了 Mullter+Metacity 的组合，以确保在各种设备上提供流畅安全的图形界面体验。然而，技术的不断发展促使我们再次面临技术革新。
技术选择：X11 与 Wayland
在 Linux 下目前有两个技术栈，一个是历史悠久的 X11，另一个是较新的 Wayland 。接下来，跟随我一起来对比两个技术。
| X11 | Wayland | |
| 架构 | 传统的客户端-服务器模型，支持网络传输和远程显示 | 简化设计，去除×服务器复杂性，提高效率和响应速度，专注于本地显示 |
| 性能 | 由于设计老旧，性能在现代场景下不 佳，依赖扩展和补丁实现现代图形效 果 | 现代化设计，简化染过程，性能提升显著，尤其在动画和窗口操作方面 |
| 安全性 | 安全性问题明显，应用程序可以访问 彼此的窗口信息，易受恶意程序干扰 | 应用程序隔离性强，无法访问其他程序的图像或输入输出，安全性高 |
| 可扩展性和兼容性 | x11有非常广泛的应用支持和兼容性。 许多老的应用程序和桌面环境仍然依赖于X11协议 | 逐渐被主流桌面环境支持，但生态不如x11广泛，需要兼容层运行×11应用 |
| 输入设备支持 | 对传统输入设备支持成熟，但在多点 触控和手势支持方面不够灵活 | 优化现代硬件支持，特别是在多点触控和手势方面 |
| 远程桌面和网络透明性 | 支持通过网络远程传输显示内容，适 合专业领域使用 | 没有×11的网络透明性，远程桌面功能有限，通常需要第三方工具 |
总的来说，X11 作为老牌的显示服务器，拥有广泛的兼容性和成熟的生态系统。然而，其架构在安全性、性能和易用性方面存在一些局限性。相比之下，Wayland 作为一种新兴的显示服务器，其架构简化了客户端和服务器之间的通信过程，减少了潜在的安全漏洞，从而提高了整体的安全性。
此外，Wayland 在性能方面也有显著的优势，能够更好地支持现代显示技术，如高分辨率和高帧率的显示任务。最后，Wayland 的架构设计使得其配置和管理相对简单，用户体验更加友好，有助于吸引更多新手用户。
架构设计与新窗口管理器 Treeland
从技术层面上，我们认为是时候更新技术方案了，曾经的 X11 + 窗口管理器 + 合成器的模式，灵活但不满足需求，而 Wayland 可通过将窗口管理器、合成器与显示系统从底层整合，提供了一种避免画面撕裂的更新机制。
因此 DDE 决定结合 Wayland 开发一个新的窗口管理器——Treeland。它在底层使用 wlroots 作为 Wayland 基础库，不修改 wlroots 代码，可随时同步上游进度，获得新的功能和修复。上层使用 Qt，使技术栈更统一。它专为满足 DDE 需求而设计，避免了使用第三方窗口管理器时常见的破坏性调整、同步问题和维护成本。
上图描述了 Treeland 在整体上会使用哪些项目或接口完成功能。
Treeland 结构图
Treeland 的技术结构与功能
1、重要项目介绍
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QWlroots：wlroots 的 Qt 绑定，将 Wayland 信号转换为 Qt 风格信号。
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Waylib：将 wlroots 组件封装成 QtQuick 对象，使用 QPA 为 Treeland 提供事件转换与分发。
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DtkDeclarative：DTK 的 QtQuick 组件，封装大部分 DTK style 控件。
在 Waylib 中，QPA 功能举足轻重。系统底层事件先进入 Waylib，转换为 Qt 内部事件发送给上层。当用户点击窗口时，Treeland 通过 Waylib 生成事件发送给客户端，完成界面交互。
Treeland 处理底层事件与上层事件的流程
2、界面效果与优化
- 圆角：
DDE 及 deepin 社区应用大量采用窗口圆角设计，Treeland 提供自己的裁圆角控件，新造型算法减少几何顶点数量和计算量，采用新抗锯齿算法提高 GPU 性能。QtQuick 圆角是由 Rectangle 组件提供的，它只能同时对四个角进行操作（红色块）。但 DTK 程序具备异形窗口的能力，所以 Treeland 提供了自己的裁圆角控件（黄色块）。
新的造型算法、几何顶点数量比 QtQuick 原生的 Rectangle 减少50%，GPU 顶点渲染和三角细分性能提升100%。
采用新的抗锯齿算法，提高了 GPU 片元着色器性能，相比于普通 4xMSAA 抗锯齿算法，计算量减少1/4。
红色为 QtQuick 圆角/黄色为 Treeland 圆角
- 模糊：
QtQuick 的模糊组件仅支持对控件自身进行模糊，这并不符合 Treeland 的需求。Treeland 重新实现模糊组件，能从显存获取组件下方图像数据，使用融合模糊算法优化性能。
QtQuick 模糊控件
Treeland 模糊控件
- 阴影：
Treeland 使用 BorderImage 作为窗口阴影贴图，通过 ImageProvider 手动创建贴图材质，在相同大小下可复用同一份材质。
- 动画：
直接使用 QtQuick 提供的动画组件为界面提供动画效果。使用 State 和 Transition 为组件定义属性变化，例如窗口最大化和还原，两个 State 切换会触发不同的 Transition 执行属性变化，在属性变化时，使用 QtQuick 的动画组件完成动画播放。
3、多用户功能
Treeland 作为解决方案的一部分，旨在实现多用户共用合成器。与传统模式相比，DDM 和 Treeland 重新设计工作流程，将 Treeland 单独抽离，用户通过相同机制将窗口画面发送给 Treeland 进行合成上屏，节省内存，避免黑屏闪烁和状态同步难题。
一个简化的 DDM 与 Treeland 的多用户登录流程
4、与 systemd 的集成
DDE 的每个用户会话切换至 systemd 服务，Treeland 模式下加载单独服务为用户会话注入显示环境变量，使用 systemd 的 socket 机制懒加载，确保用户侧窗口正常显示。
多用户登录时的基本流程
总结
深度操作系统（DDE）在窗口管理器方面的演进，从 Mutter 和 Metacity ，到 KWin ，再到我们自己的 Treeland ，展示了我们在系统架构和用户体验方面的持续创新和改进。
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