Wayland

Waylandとは

概要

Waylandは次世代のディスプレイサーバープロトコルであり、X11に代わることを目指しています。クライアントとコンポジタ（ディスプレイサーバー）が直接やり取りを行う設計により、描画の効率化やセキュリティの強化が図られています。

特徴

クライアントとコンポジタ間の直接通信によるスムーズなレンダリング
X11と異なり、中間層のXサーバーを排除することで低遅延を実現
セキュリティ面での向上（アプリケーション間の隔離が強化されている）

メリットとデメリット

メリット: 高いセキュリティ、低遅延、スムーズな描画
デメリット: X11に比べて互換性が少なく、一部アプリケーションは非対応

Waylandの基本構造

Waylandの基本的な構成要素として、コンポジタとクライアントがあります。

コンポジタ

コンポジタはディスプレイの内容を管理し、クライアントと通信を行う役割を果たします。主要なWaylandコンポジタには以下のものがあります。

weston: Waylandのリファレンス実装
sway: i3互換のタイル型コンポジタ
kwin: KDEデスクトップ環境のコンポジタ
mutter: GNOMEデスクトップ環境のコンポジタ

クライアント

クライアントは、ウィンドウやアプリケーションの描画を行うプロセスであり、Waylandプロトコルに基づいてコンポジタと通信します。

WaylandとX11の比較

特徴	X11	Wayland
アーキテクチャ	中間層にXサーバーが存在	クライアントとコンポジタが直接通信
パフォーマンス	若干の遅延が発生しやすい	低遅延
セキュリティ	Xサーバー内でアプリケーション同士が影響し合う可能性	分離された環境
互換性	長年のサポートによる互換性あり	一部のアプリケーションが非対応

Waylandのインストールと設定

主要ディストリビューションでのWaylandサポート

Ubuntu: デフォルトでWaylandが使用可能で、gdmでセッションを選択できます。
Fedora: GNOMEデスクトップ環境でWaylandがデフォルトで有効です。
Arch Linux: westonやswayをインストールしてWaylandセッションを利用可能です。

インストール手順

1. westonのインストール: Arch Linuxの場合、# pacman -S westonを使用します。 2. コンポジタの設定ファイルの編集: 設定ファイルは~/.config/weston.iniに保存します。 3. Waylandセッションの開始: westonコマンドで起動します。

Waylandプロトコルの構成

Core Protocol: Waylandプロトコルの基本部分で、ウィンドウ管理やバッファの管理を含みます。
Extensions: XDGシェル拡張など、リッチなウィンドウ管理を可能にするプロトコル拡張。
Libwayland: Waylandプロトコルの実装ライブラリであり、libwayland-clientとlibwayland-serverから成ります。

主要なコンポジタと特徴

Waylandで使用される代表的なコンポジタには以下のものがあります。各コンポジタにはそれぞれ異なる特徴や適用例があります。

Weston

説明: WestonはWaylandのリファレンス実装で、Waylandプロトコルの動作確認やテストを目的として開発されています。
特徴: シンプルな設計で、基本的なWayland機能の実装にフォーカスしています。
用途: 開発者向けのテストやデモンストレーション用の環境として利用されます。

Sway

説明: Swayは、i3互換のタイル型ウィンドウマネージャであり、Wayland上で動作するためのものです。
特徴: タイル型ウィンドウ管理の操作性を持ち、リソース消費が少なく軽量です。
用途: X11ベースのi3ウィンドウマネージャを使っていたユーザーに適しており、シンプルで効率的な作業環境を求める方におすすめです。

KWin

説明: KDE Plasmaデスクトップのコンポジタであり、X11とWaylandの両方をサポートします。
特徴: 多機能でカスタマイズ性が高く、グラフィカルなエフェクトを豊富にサポートします。
用途: KDEデスクトップ環境を利用するユーザー向けに最適で、エフェクトや視覚的な魅力を求める場合に適しています。

Mutter

説明: MutterはGNOMEデスクトップ環境のコンポジタであり、Wayland環境でのGNOME Shellの基盤となっています。
特徴: GNOMEと統合され、シームレスな操作体験を提供します。
用途: GNOMEデスクトップを使用しているユーザー向けで、統一されたユーザーエクスペリエンスを提供します。

Waylandクライアントの開発

Waylandクライアントの開発には、libwayland-clientライブラリが必要です。以下に、基本的なクライアントの作成方法や描画の手法について説明します。

基本的なWaylandクライアント

クライアントの基本的な作成手順として、Waylandディスプレイへの接続、サーフェスの作成、描画バッファの設定が必要です。
クライアントプログラムはwl_displayオブジェクトを介してWaylandコンポジタと通信します。

WaylandとEGLによる描画

OpenGL描画を行う場合、EGLを利用してwl_egl_windowやwl_surfaceを設定し、画面への描画を行います。
Wayland上でのEGLの利用は、OpenGLをサポートするアプリケーションにおいて重要な技術です。

Wayland互換の実現（XWayland）

X11用に開発されたアプリケーションをWayland上で実行するには、XWaylandと呼ばれる互換レイヤーを利用します。

XWayland

XWaylandはX11アプリケーションがWaylandセッションで動作できるようにする互換レイヤーです。
互換性を保ちながら、Waylandセッション上で従来のX11アプリケーションを動作させることができます。

設定と使用方法

WaylandセッションでX11アプリケーションを起動するには、XWaylandが正しく動作していることを確認します。
環境変数DISPLAYを適切に設定し、WaylandセッションでX11アプリケーションが起動することを確認します。

トラブルシューティングとFAQ

Wayland環境で発生しがちな問題について、トラブルシューティングとよくある質問を以下にまとめます。

よくある問題と対策

ウィンドウが正しく表示されない場合：XWaylandが正しく設定されているか確認し、コンポジタの設定も見直します。
アプリケーションの遅延が発生する場合：コンポジタ設定やEGLドライバのバージョンを確認し、必要に応じて更新を行います。
Waylandで動作しないアプリケーション：XWaylandで動作可能かを確認し、代替アプリケーションの検討も検討してください。

以下は、Waylandの用語集です。Waylandの設計や機能について理解を深めるための主要な用語を解説します。

用語集

Wayland: WaylandプロトコルとWaylandディスプレイサーバーのこと。X11の後継を目指し、シンプルなウィンドウシステムプロトコルとして設計されました。Wayland自体はプロトコル仕様であり、特定の実装を指すものではありません。
Weston: Waylandの公式リファレンス・コンポジタ（コンポジションエンジン、ディスプレイサーバー）。Waylandプロトコルのデモや検証目的で使われるほか、Waylandの動作を理解するための実例としても用いられます。
コンポジタ (Compositor): ウィンドウを画面上に合成（描画）する役割を持つプロセス。Waylandではコンポジタがウィンドウの位置や装飾、描画のスケジューリング、入力イベントの処理を担っています。X11ではウィンドウマネージャーとディスプレイサーバーが分かれていましたが、Waylandでは一体化しています。
クライアント (Client): Waylandサーバーと通信して画面描画を行うアプリケーション。Waylandでは、クライアントがウィンドウ描画の多くの責任を持ち、装飾やウィンドウの位置調整なども各クライアントが個別に行うことが一般的です。
Waylandサーバー (Wayland Server): コンポジタと同義で用いられることもあります。クライアントからの描画や入力のリクエストを処理し、ウィンドウの合成表示を管理します。
サーフェス (Surface): クライアントが描画する領域。ウィンドウやポップアップメニューなど、すべての表示オブジェクトはサーフェスとして扱われ、コンポジタがこのサーフェスを受け取って画面に描画します。
シート (Seat): キーボード、マウス、タッチパッドなど、入力デバイスを論理的にまとめる概念。1つのシートが複数の入力デバイスを統合的に扱います。
バッファ (Buffer): クライアントがコンポジタに送る描画データの格納場所。クライアントはこのバッファに描画を行い、コンポジタがその内容をサーフェスとして画面に合成します。
プロトコル (Protocol): Waylandサーバーとクライアント間で通信するための一連の仕様。ウィンドウの作成、描画の更新、入力イベントの受信などが含まれます。Waylandプロトコル自体は最小限で、追加機能は拡張プロトコルで実装されることが多いです。
プロトコル拡張 (Protocol Extension): Waylandの基本プロトコルに追加機能を加えるための拡張仕様。例えば、スクリーンショットの取得やデスクトップシェアリングなど、Waylandの標準機能には含まれない操作が実現できます。
EGL (Embedded Graphics Library): Khronos Groupによって開発されたOpenGLのサブセット。EGLはWayland上でOpenGLによるハードウェアアクセラレーションを利用するためのインターフェイスを提供します。
wl_display: Waylandの主要なエントリポイントで、サーバーとクライアント間の通信の要となるオブジェクトです。Waylandプロトコルのメッセージ送信・受信の際に利用され、イベントループやクライアント登録を管理します。
wl_surface: Waylandクライアントが生成するウィンドウやその他の描画領域を表すオブジェクト。クライアントはこのオブジェクトに対して描画を行い、サーバーがそれを画面に合成します。
XDGシェル (XDG Shell): クライアントが標準的なウィンドウ（タイトルバー、リサイズ可能なフレームなど）を作成するための拡張プロトコル。XDGシェルは、従来のX11のウィンドウ装飾に相当する機能をWaylandクライアントに提供します。
xdg_surface / xdg_toplevel: XDGシェルプロトコル内で使用されるサーフェスの一種で、ウィンドウのフレームや位置などの管理機能を持っています。通常のアプリケーションウィンドウにはxdg_toplevelが使用され、ポップアップやメニューにはxdg_popupが使われます。
Wlroots: Waylandコンポジタの構築を支援するライブラリ。Wlrootsは、入力処理やOpenGLサポートなど、コンポジタを構築するために必要な機能を提供し、Wayland環境で新たなデスクトップ環境を作成するのに用いられます。
入力メソッド (Input Method): マルチ言語入力対応のためのプロトコルやフレームワーク。キーボード入力を補助し、特に非ラテン文字（日本語や中国語など）の入力が必要な場合に使われます。Waylandではlibinputが標準的に用いられます。
libinput: Wayland環境での標準的な入力処理ライブラリ。キーボード、マウス、タッチパッド、タッチスクリーンなど多様な入力デバイスの動作を一元的に管理します。
DRM (Direct Rendering Manager): Linuxカーネル内でディスプレイ出力を管理するサブシステム。Waylandでは、DRMを利用してグラフィックデバイスへの直接アクセスを行い、効率的な描画とリフレッシュを実現します。
gbm (Generic Buffer Manager): グラフィックスメモリを管理するためのAPIで、EGLとDRMの間で使用される。Waylandクライアントが描画バッファを確保する際に使用され、ハードウェアアクセラレーションと効率的なバッファ共有を支援します。
DMA-BUF: DMA（Direct Memory Access）バッファを共有するための仕組みで、複数のプロセス間でバッファを効率的に共有します。Waylandでのグラフィックスバッファの転送にも利用され、高速な描画更新が可能です。
Vulkan: Khronos Groupが開発した低レベルグラフィックスAPI。Wayland上で3D描画を行う際に利用され、特に高パフォーマンスなグラフィックス処理が求められる環境に適しています。
wlroots: Waylandコンポジタの構築を支援するライブラリ。主にSwayやRiverなどのWaylandコンポジタが使用しており、入出力処理やグラフィック描画の低レベル機能を提供します。

Waylandはシンプルさを追求しているため、X11と比較して用語も少なめですが、各プロトコルや拡張機能の理解がWayland環境の構築やデバッグに役立ちます。

外部リンク

Wikipedia

ウィキペディアにWaylandの記事があります。

https://wayland.freedesktop.org/