ef3b8064659401ac7f0d5ab45e7372e6505dc689
[AGL/documentation.git] / docs / 5_Component_Documentation / 1_agl-compositor.md
1 ---
2 title: agl-compositor
3 ---
4
5 # Wayland compositor
6
7 When the AGL project was started, weston was chosen as the compositor, which is
8 the reference implementation of a Wayland compositor, while for window management
9 functionality it relied on *ivi-shell* (In-Vehicle Infotainment) together
10 with an extension, called [wayland-ivi-exension](https://github.com/GENIVI/wayland-ivi-extension).
11
12 A demo platform image of AGL comes with a handful of demo applications, done
13 with the Qt, which abstracts the protocol communication between the client and
14 the compositor. Additional functionality was in place under the form of
15 library, to control and signal back to the compositor when applications were
16 started, among other things.
17
18 Management of applications, starting, running and stopping them is done in AGL
19 with AppFW [Application Framework Management](../3_Developer_Guides/1_Application_Framework/1_Introduction.md),
20 which is an umbrella name to denote the suite of tools and daemons that handle
21 all of that. It is integrated with systemd and with the current security model.
22 Applications can use AppFW to hang off data, and to pass it down to
23 other services. Together with AppFW, applications could tell the compositor
24 which application to activate or to switch to.
25
26
27 ## Simplifying the graphical stack
28
29 Trimming down these abstractions, simplifying the way clients interact with the
30 compositor, and avoid using modules that aren't really maintained upstream were
31 the reasons behind looking at alternatives to ivi-shell. On the desktop,
32 [xdg-shell](https://gitlab.freedesktop.org/wayland/wayland-protocols/-/raw/master/stable/xdg-shell/xdg-shell.xml)
33 is currently de-facto protocol for handling all window management related
34 functionality.
35
36 Wayland protocol has a window-like interface embedded into its protocol (called
37 wl_shell), but *xdg-shell* has long time ago deprecated it and instead
38 of adding it in the wayland protocol namespace, it was integrated
39 together with some other useful protocols, into
40 [wayland-protocols](https://gitlab.freedesktop.org/wayland/wayland-protocols)
41 project.  The whole purpose of wayland-protocols is to enhance the Wayland
42 protocol with new functionality and bring new extensions entirely.  Compositors
43 are free to implement, modify, enhance, and add new extensions to
44 wayland-protocols but they need to do so in consensus.
45
46 Besides the core wayland protocol and extended functionality from
47 wayland-protocols, a compositor can provide and implement additional protocol
48 extensions (custom to that compositor). By using such private extensions we
49 align with the AGL project and its requirements, without compromising specific
50 functionality and allows to add or improve the current ones. With that in mind,
51 the approach was to create a new compositor, called
52 [agl-compositor](https://gerrit.automotivelinux.org/gerrit/admin/repos/src/agl-compositor)
53 and implement dedicated private extensions, rather than trying to modify weston
54 itself, which AGL project would have been required to keep and maintain for
55 itself, as a fork.
56
57 ## A compositor based on libweston
58
59 The compositor used currently in AGL, just like weston, is built on top of
60 *libweston* and *libweston-desktop*. The latter, among other things, is required
61 as it provides the server side implementation of the xdg-shell protocol which
62 underlying toolkits (like Qt/Chromium project) makes use of to deliver
63 desktop-like functionality. The former is used to provide back-ends and
64 rendering support, effectively managing the HW, besides implementing the
65 wayland protocol.
66
67 The high-level goal of [libweston](https://wayland.pages.freedesktop.org/weston/toc/libweston.html) is
68 to decouple the compositor from the shell implementation.
69
70 Traditionally, clients were entirely separated from the window manager, the
71 desktop environment and the display server. In wayland all these are
72 conceptually under the same entity though they are implemented as different
73 (UNIX) processes, or as a different namespaces with front and back-end APIs,
74 exposed by libraries. The compositor and the shell driving the UI should be
75 seen as one and the same, and in practice, this happens on desktop
76 environments. For AGL, the shell client can be represented under different
77 forms, as well as the fact that the process management has another layer
78 baked-in to handle MAC (Mandatory Access Control) labels and use the
79 above-mentioned Application Framework Management. These are all tightly
80 integrated and therefore, the AGL compositor will not automatically start the
81 shell client, although there's code to handle that. One can modify the
82 configuration file, add the shell client path, and the compositor will attempt
83 to start it.
84
85 ## Private extensions
86
87 Compositors can define and implement custom extensions to further control
88 application behaviour. For AGL, we have two private extensions defined.
89 One targeted at defining surface roles commonly found in desktop environments
90 (like panels, and backgrounds), which a shell client would bind to, and one
91 targeted at regular application(s) that might require additional functionality:
92 being able to display/activate its own surface or other's application surface,
93 implement some kind of split screen management of windows, or
94 dialog/pop-ups that exhibit always-on-top property even if the active
95 surface has been changed.
96
97 ![Layers_And_Extensions](images/agl-compositor/drawing_shell.png)
98
99 Clients can make use of these private extensions to define other kind of roles
100 for instance dialog/pop-ups or full-screen roles, and split windows vertically or
101 horizontally. It includes the ability to activate other applications, assuming
102 that the surfaces have been created, and the capability of delaying
103 presentation for the client shell. Doing so, all the information is displayed
104 at once, rather than waiting for the toolkit to map/show the surface.
105
106 An application identification mechanism was required to be able to activate
107 other clients windows/surfaces. A string-based identifier name was chosen
108 which can be used by the client to set an application-based identifier using
109 the xdg-shell protocol. While there's nothing stopping the client to avoid
110 doing that, specifically, to avoid assigning an application identifier,
111 the compositor won't be able to find which surfaces matches to a particular
112 client, if one would want to activate/display it at some time in the future.
113
114 ### agl-shell
115
116 Client shellls can make use of this protocol to define panels and background
117 roles for different surfaces. It includes to ability to activate other
118 applications, assuming that those are already running. Activation happens by
119 using using the app_id, respectively using set_app_id request as defined by the
120 xdg-shell protocol. Established client-side implementation of the xdg-shelll
121 protocol will have a function exposed which can be used to set an application
122 identifier.  Further more, the compositor will not present/display anything to
123 the user as long the `ready()` is not requested. So, after creating the surfaces
124 assigning them panel and/or background roles, and they're fully loaded,
125 the client can then issue `ready()` request and the compositor will start
126 presenting.
127
128 Please consult the [protocol file](https://gerrit.automotivelinux.org/gerrit/gitweb?p=src/agl-compositor.git;a=blob_plain;f=protocol/agl-shell.xml;hb=refs/heads/master)
129 as that is the authoritative way of getting the latest version.
130
131 ### agl-shell-desktop
132
133 This extension is targeted at keeping some of the functionally already
134 established in AGL as to a) allow applications display/activate other
135 surfaces/application window, and b) set further roles, specially dialog/window
136 pop-ups and split-type of surfaces.
137
138 Clients can make use of this protocol to set further roles, like independently
139 positioned pop-up dialog windows, split type of surfaces or fullscreen ones.
140 Additional roles, and implicitly functionality can be added by extending the
141 protocol. These roles serve as hints for the compositor and should be used
142 before the actual surface creation takes place, such that the compositor can
143 take the necessary steps to satisfy those requirements.
144
145 Please consult the [protocol file](https://gerrit.automotivelinux.org/gerrit/gitweb?p=src/agl-compositor.git;a=blob_plain;f=protocol/agl-shell-desktop.xml;hb=refs/heads/master)
146 as that is the authoritative way of getting the latest version.
147
148 #### Additional surface roles in agl-shell-desktop
149
150 Like mentioned earlier, the compositor is already making use of some (internal)
151 roles, and with this extension we add some further ones. These are:
152
153 * split (there's vertical and a horizontal one)
154 * fullscreen
155 * dialog/pop-up
156
157 Internally these are encoded with different values such that there's a
158 translation needed, between the protocol values and the internal ones.  Besides
159 the roles, additional data can to be passed on, but only depending on the role.
160 It is highly recommend **to avoid** using the protocol to pass down information
161 between different applications using this communication channel. It is only
162 intended to help out with demo applications. Other sharing mechanism are
163 available in the AGL project that can satisfy those requirements.
164
165 #### Receiving application state events from (other) applications
166
167 agl-shell-desktop exposes two events which client can install handlers for, one
168 that signals when regular xdg application have been created, and one that
169 signals state changes (active/hidden) as well as destroyed/no longer present
170 surfaces. These events can be useful to add additional functionality if
171 needed.
172
173 #### Activating (other) applications
174
175 Both agl-shell and agl-shell-desktop have requests to activate other
176 application based on their xdg-shell app_id. In case the application is
177 present/running, it will attempt to make the surface backing that application
178 the current activate one, with each output having independently active
179 surfaces.
180
181 ## Explicit output
182
183 The activation and setting surface roles requires passing a Wayland output
184 (wl_output).  The output is the wayland interface representation of an output
185 and is **mandatory** to pass it down to the compositor when activating a surface.
186 Clients can retrieve it (the output) if they wish to place the surface on other
187 outputs by using the toolkits that expose the Wayland objects.  A human-like
188 representation is provided by either the toolkit, or by using other extensions
189 implemented by the client, for instance [xdg-output](https://gitlab.freedesktop.org/wayland/wayland-protocols/-/raw/master/unstable/xdg-output/xdg-output-unstable-v1.xml)
190 is the one recommended way and provides a mapping between a human
191 representation of the output and the wayland one.
192
193 One can also choose the output where the application can start, by configuring
194 directly the AGL compositor. Under the `[output]` section one can use
195 `agl-shell-app-id=appid` restart the AGL compositor unitd systemd service and
196 start the application. Currently this *only* applies to regular applications, the
197 client shell having to handle it in the code.
198
199 ## Available toolkits, application conversions and available eco-systems
200
201 Users and OEM vendors alike have the possibility, depending on their use-cases,
202 to either use some kind of a toolkit (Qt/GTK) for writing  application,
203 or use plain C and the wayland library to communicate with the compositor
204 directly, without any toolkit abstraction.
205
206 Currently, the demo applications in AGL use the Qt platform with Chromium being
207 at this phase, a second-class citizen, being currently in the works of
208 achieving the same level of integration as QtWayland (the underlying library that
209 abstracts the Wayland interaction) has at this moment. The Qt platform has
210 long been favoured in embedded systems so it feels natural why AGL project
211 chose it over other alternatives.  In the same time, as web applications are
212 for quite some time now permeating the application development scene, it also
213 felt natural to add support for a runtime that gives that option, which in AGL
214 was achieved with the help of the Chromium project.
215
216 For normal applications, not needing the ability to activate or displaying
217 other's application surface, would basically mean that it would use what the
218 toolkit has to offer, simplifying the application handling even more.  Under
219 Qt, the client shell can use QPA (Qt Platform Abstraction) to gain access to
220 Wayland primitives, and implicitly is being able use the private extensions.
221
222 ![Architecture Diagram](images/agl-compositor/arch_diagram.png)
223
224 On the Chromium side of things, that happens indirectly, as Chromium doesn't
225 expose the Wayland primitives. Not only that, but on the Chromium platform,
226 there's another mid-layer component, called [WAM](https://github.com/webosose/wam)
227 (WebApplicationManager) with the purpose of handling web applications life-cycle.
228
229 So, controlling and passing information from a web application, that resembles
230 that of a shell client, has to travel more than a few levels in the software
231 stack, until it reaches the lower layers in Chromium where the Wayland
232 communication and interaction takes place. Support for the private extension
233 was done at the Ozone interface abstraction, which Chromium projects uses now
234 to handle the display/graphical interaction with the lower stack levels.
235
236 ## Streaming buffers and receiving events to and from remote outputs
237
238 Quite a common feature, in the infotainment market, is the ability to stream
239 out buffers/data to remote outputs. For instance, super-imposing the navigation
240 application, between the speedometer and tachometer, in the IC (Instrument
241 Cluster) of a car is such a scenario. Just like weston, the AGL compositor is
242 capable of loading up libweston modules and make use of them. And just like
243 weston, the AGL compositor loads up the remoting-plugin to achieve the same
244 thing.
245
246 The remoting-plugin uses the DRM virtual output API from libweston together
247 with gstreamer pipeline to capture, using DMA buffers, the DRM output and to
248 stream it, remotely to another machine. They can be over the network, or
249 locally.
250
251 Further more, to cope with situations where the output is just a
252 panel/display, without some kind of compositor driving it, the necessity of
253 handling input events is an important feature to have, giving the user to
254 possibility to manipulate the application/environment as he or she seems fit.
255 The compositor loads a plug-in that streams out the buffers to an output
256 remotely, with [another plug-in](2_waltham-receiver_waltham-transmitter.md)
257 handling the input events. The events, which are sent back from the display to
258 the compositor, are generated with the help of wayland-eque protocol that works
259 over the network, called [Waltham](https://github.com/waltham/waltham).
260
261 Together, they provide proper means to achieve a seamless integration with
262 other display devices in the car cabin.
263
264 ## Policies and Role Base Arbitration
265
266 The compositor contains an API useful for implementing user-defined policies.
267 It contains a policy engine, and installs by default an allow-all kind of
268 policy. The policy engine controls if the client using the private extensions
269 is permitted to perform those calls. Not only that, but with some policies, it
270 won't allow the client to bind to the interfaces in the first place. That
271 happens with the deny-all policy, which is able to retrieve the client's
272 SMACK label and compares it with the ones statically defined.
273
274 In the works, there's a new policy model, called [Role Based
275 Arbitration](https://gerrit.automotivelinux.org/gerrit/admin/repos/staging/rba).
276 Internally, how it works, should be found at [RBA](3_rba.md).
277 While the other two policies are embedded into the compositor, the RBA policy
278 model is an off the-shell policy.  Obviously, vendors and users can hook up
279 their own policies, just like RBA did.  These all work towards satisfying
280 the driver distraction mitigation requirement for the AGL project, as to avoid
281 overwhelming the driver with too much information.
282
283 Users wanting  to create their own policy should create a specialized version
284 of the callbacks defined in `struct ivi_policy_api`.
285
286 As there's no dynamic loading of policies you'll need to recompile the compositor
287 with that policy in mind, specifically like the following:
288
289         $ meson -Dprefix=/path/to/install-compositor/ -Dpolicy-default=my_policy build_directory
290
291 The default policy found in src/policy-default.c should more than sufficient to
292 get started on creating new ones. Users can either re-purpose the default
293 policy or create a new one entirely different, based on their needs.
294
295 These are hooks in place by the policy engine control the creation, committing
296 and activation of surfaces (`ivi_policy_api::surface_create()`,
297 `ivi_policy_api::surface_commited()`, `ivi_policy_api::surface_activate()`),
298 among other situations.
299
300 Users can customize the hooks by using some sort of database to retrieve the
301 application name to compare against, or incorporate some kind of policy rule
302 engine.  Alternatively, one can use the deny-all policy engine which allows the
303 top panel applications to be used/displayed as permitted applications.
304
305 ### Reactive rules
306
307 The policy engine is stateful,  and allows the ability to inject back events,
308 such that it allows the user to add custom rules into a policy and, depending
309 on the event received by the policy engine, to execute a rule match for that
310 event. Further more, the framework allows adding new states and events and the
311 default implementation has code for handling events like showing or hiding the
312 application specified in the policy rule.  The most common example to exemplify
313 this feature is the ability to show a custom application, like displaying the
314 rear view camera application, when the automobile has been put in reverse.
315
316 For deadling with these kind of rules, `ivi_policy_api::policy_rule_allow_to_add()`
317 can be used to control if policy rules could be added or not. Finally, we have
318 `ivi_policy_api::policy_rule_try_event()` which is executed for each policy
319 rule added, by using the policy API `ivi_policy_add()` function.
320
321 By default the policy framework it will add the 'show', and 'hide' events and
322 the 'start', 'stop' and 'reverse' states. An special type, assigned by default
323 is 'invalid'.  A **state change** has to be propagated to the compositor, which can
324 happen by using `ivi_policy_state_change()` function, and which signals the
325 compositor the state change took place, in order to apply the policy rules, and
326 implicitly to call the event handler `ivi_policy_api::policy_rule_try_event()`.
327
328 ## Back-ends and specific options for agl-compositor
329
330 The compositor has support for the following back-ends:
331
332 * **DRM/KMS** - runs a stand-alone back-end, uses Direct Rendering Manager/Kernel
333   Modesetting and evdev, that is utilizes and runs on real or virtualized HW
334   (qemu/Vbox/etc).
335 * **Wayland** - runs as a Wayland application, nested in another Wayland compositor
336   instance
337 * **X11** - run as a x11 application, nested in a X11 display server instance
338
339 ### Building and running the compositor on different platforms
340
341 The compositor can run on desktop machines as easily as it does on AGL
342 platform. It should infer, depending on the environment, if it is being
343 compiled with the AGL SDK, or with the host build system.  Running would also
344 be inferred from the environment.
345
346 The compositor has some additional configuration options like:
347
348 * `--debug` - enables the screenshooter interface, useful if one would want to
349   take a screenshot using `agl-screenshooter` client. This might be seen as a
350   security risk to it only be enabled in the AGL platform if built with agl-devel
351   DISTRO FEATURES.
352
353 Additional configuration ini options have been added to help with the CI
354 integration. Worth mentioning are:
355
356 * `activate-by-default=[true]` - if the surface of the client should be
357   displayed when the application started. Present in the `[core]` section.
358   By default set to `true`. Setting it to `false` will not activate,
359   by default, the client's surface when started.
360 * `hide-cursor=[false]` - do not advertise pointer/cursor to clients. Present
361   in the `[core]` section.
362
363 ## Running with software rendering
364
365 By default the compositor will attempt to use the GL-renderer, and implicitly
366 the GPU. One could instead use the CPU, by making use of the Pixman library. To
367 use it in the compositor append `--use-pixman` to the command line. This purely
368 software approach has the benefit that would not rely at all on any GL
369 implementatation or library. In constrast, even if the GL-renderer is used,
370 in some situations it won't be able to use the GPU supported implementation
371 and fallback to sofware based one, and for instance that might happen when
372 running in virtualized environments.
373
374 Both approaches could end up not actually using the GPU, but the latter does
375 actually use the GL library and perform the operations in software, while the
376 former does not use any GL whatsover. All back-ends support disabling the
377 GL-render to make sure it does not interfere with the composing process.
378
379 ## Multiple output set-up and touch input devices
380
381 There's no deterministic way in which the compositor enables the outputs and
382 depending on the input devices, specifically touch input devices, and the way
383 the connectors are wired, a touch input device might be associated with a
384 different output than the one intended.
385
386 A consistent way, that survives a reboot, is to use
387 [udev rules](https://man7.org/linux/man-pages/man7/udev.7.html), which
388 libweston would be able to use such that a particular output is tied/associated
389 to a particular touch input device.
390
391 For instance, assuming that you have a set-up consisting of 4 outputs, a 4
392 touch input devices, when the outputs are being enabled the compositor
393 front-end will associate all 4 touch input device -- if they haven't been
394 previously being associated to a particular output, to the first enabled
395 output.
396
397 In order to avoid that, and associate each touch input device to
398 their respective output an udev rule can be installed, for the default
399 seat (named `seat0`).
400
401 Example of a udev rule:
402
403 ```
404 SUBSYSTEM=="input", ATTRS{idVendor}=="222a", ATTRS{idProduct}=="004a", OWNER="display", ENV{ID_SEAT}="seat0", ENV{WL_OUTPUT}="HDMI-A-1"
405 SUBSYSTEM=="input", ATTRS{idVendor}=="222a", ATTRS{idProduct}=="004b", OWNER="display", ENV{ID_SEAT}="seat0", ENV{WL_OUTPUT}="HDMI-A-2"
406 SUBSYSTEM=="input", ATTRS{idVendor}=="222a", ATTRS{idProduct}=="004c", OWNER="display", ENV{ID_SEAT}="seat0", ENV{WL_OUTPUT}="HDMI-A-3"
407 SUBSYSTEM=="input", ATTRS{idVendor}=="222a", ATTRS{idProduct}=="004d", OWNER="display", ENV{ID_SEAT}="seat0", ENV{WL_OUTPUT}="HDMI-A-4"
408 ```
409
410 Add the following under `/etc/udev/rules.d/91-output.rules` and reload udev
411 rules for these changes to take effect:
412
413         $ udevadm control --reload-rules && udevadm trigger
414
415 Note that in the above example, we use physical seat, named `seat0` which is
416 the default physical seat. You can verify that these changes have been applied by
417 checking the compositor logs (under `/run/platform/display/compositor.log` file)
418 You should be seeing `CONNECTOR-NO by udev` message like the following:
419
420 ```
421 associating input device event0 with output HDMI-A-1 (HDMI-A-1 by udev)
422 ```
423
424 vs
425
426 ```
427 associating input device event0 with output HDMI-A-2 (none by udev)
428 ```
429
430 where the rules are either incorrect or badly written.
431
432 Retrieving device attributes could be done archaically using `lsusb` or `lspci`
433 or using `udevadm info -a /dev/input/event*` which can provide with a multitude
434 of attributes to use. In our above example we only relied `idVendor` and
435 `idProduct` but potentially other attributes might be used.