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[staging/windowmanager.git] / doc / WindowManagerTMC.txt
1 = WindowManagerTMC
2 :doctype: book
3 :toc:
4 :icons:
5 :data-uri:
6 :lang: en
7 :encoding: utf-8
8
9 == Introduction
10 This WindowManager implements simple layout switching of applications on
11 multiple layers and with different layer layouts.
12
13 === Intended audience
14 This documentation is intended for developers and system integrators
15 that need to know, how the window manager works and how it is to be used.
16
17 === Scope of this Document
18 This document covers the window manager that was implemented for TMC and
19 delivered to the Automotive Grade Linux (AGL) project. It includes its
20 implementation details, concepts of operation, configuration and usage.
21
22 It does not include
23
24 * documentation of the underlying architecture, see
25   https://wiki.automotivelinux.org/hmiframework[HMI-Framework].
26 * documentation of the AGL application framework and its technologies,
27   see https://wiki.automotivelinux.org/agl-distro/app-framework[AGL
28   Application Framework].
29
30 It is highly recommended to have a good understanding of these documents
31 and projects before using the window manager.
32
33 === Known Issues
34 Currently there are a couple of known issues:
35
36 * Weston seems not to redraw the screen correctly. When the window
37   manager makes scene changes in quick succession, Weston seems not to
38   redraw the screen correctly and also not send wl_surface::enter
39   events, which in turn leaves applications "dead" - i.e. not rendering
40   or showing up. We developed a simple secondary ivi-controller client
41   application *redraw_fixer* (See <<_redraw_fixer,redraw_fixer>> for more)
42   that listens for specific scene-change events and issues other commands
43   that should prompt a correct redraw - however, this does not work in
44   all instances.
45 * Only single-surface Qt applications are support through the AFBClient
46   library. This is a limitation of how Qt creates surface IDs for the
47   ivi-application interface.
48
49 === External libraries
50 This project includes a copy of version 2.1.1 the excellent
51 https://github.com/nlohmann/json[C++11 JSON library by Niels Lohmann].
52
53 === Client Library
54 A client library implementation that internally uses the _libafbwsc_, is
55 provided in the subdirectory `client-lib/` with its own documentation
56 directory.
57
58 The client library is build together with the window manager itself.
59
60 == Concepts
61 The window manager implements a couple of concepts in order to allow
62 efficient implementation.
63
64 === Layers
65 Layers are entities that are stacked on top of each other. Each layer
66 has an ID which is used for the ivi-controller interface, but this ID
67 also implicitly specifies its stacking order. That is, the screen render
68 order will be set according to the layer stacking which is determined by
69 the layer IDs.
70
71 Layers are always full-screen. We do not use layer dimensions as a way
72 to setup the scene, rather - each layer has a layout attached to it,
73 which specifies an area that is used by surfaces to draw on.
74
75 Additionally, layers will generally leave surfaces on below layers
76 activated, and only disable surfaces on layers the are above the
77 currently used layer.
78
79 In order to deactivate surfaces on lower layer, it is possible to
80 deactivate these surfaces explicitly using the `DeactivateSurface` API
81 call.
82
83 === Surfaces
84 Surfaces are _placed_ on layers according to their name. The surface
85 will then be resized to dimensions, according to the layer's layout
86 configuration.
87
88 == Configuration
89 The window manager is configured with the _layers.json_ configuration
90 file, by default it is searched in `/etc/layers.json` but through the
91 use of the environment variable `LAYERS_JSON` the WM can be instructed
92 to use different file. Note, that the WM will not run unless this
93 configuration is found and valid.
94
95 A sample configuration is provided with the window manager
96 implementation, this sample is installed to /etc/layers.json.
97
98 === Configuration Items
99 This section describes configuration items available through
100 `layers.json`. It will do this, by first providing an example, and then
101 going into its components.
102
103 ==== main_surface
104 ------
105 "main_surface": {
106    "surface_role": "HomeScreen",
107 },
108 ------
109
110 The `main_surface` object describes a surface that will internally be
111 treated as the main surface - usually this mean _HomeScreen_. The only
112 special handling this surface receives, is that it is not allowed to
113 deactivate it. Placement of this surface on an layer is done by the
114 other configuration described below.
115
116 * `surface_role` this configuration item specifies the name of the main
117   surface. Set this to e.g. `HomeScreen`.
118
119 ==== mappings
120 This configuration item is a list of surface-name to layer mappings.
121
122 ===== surface to layer mapping
123 ------
124 "mappings": [
125    {
126       "role": "^HomeScreen$",
127       "name": "HomeScreen",
128       "layer_id": 1000,
129       "area": { "type": "full" },
130    },
131    {
132       "role": "^App.*",
133       "name": "apps",
134       "layer_id": 1001,
135       "area": { "type": "rect",
136                 "rect": { "x": 0,
137                           "y": 100,
138                           "width": -1,
139                           "height": -201 } },
140       "split_layouts": []
141    }
142 ]
143 ------
144
145 Each mapping defines the following items to map corresponding surfaces
146 to a layer.
147
148 * `role` defines a regular expression that application drawing names are
149   matched against. If applications match tis regular expression, the
150   surface will be visible on this layer.
151 * `name` is just a name definition for this layer, it has no functional use
152   apart from identifying a layer with a name.
153 * `layer_id` specifies which ID this layer will use.
154 * `area` is an object that defines the area assigned to surfaces.
155 * `split_layouts` is an optional item, that - if present - defines a
156   number of possible split-screen layouts for this layer.
157
158 ===== Area
159 Areas can be either `full` or `rect`, whereas `full` means a full-screen
160 layer, this is mostly useful for the main_surface or HomeScreen layer.
161 `rect` declares a layer drawing area specified as a rectangle with
162 start coordinates `x` and `y` as well as its dimensions `width` and
163 `height`.
164
165 The dimensions can be specified relative to the screen dimensions. For
166 this negative values for width and height mus be used.
167
168 For example, a full-screen surface can have the following `rect`
169 definition:
170
171 ------
172 "rect": { "x": 0,
173           "y": 0,
174           "width": -1,
175           "height": -1 }
176 ------
177
178 A surface that leaves a 200pixel margin on the top and bottom can use
179 the following `rect` definition:
180
181 ------
182 "rect": { "x": 0,
183           "y": 200,
184           "width": -1,
185           "height": -401 }
186 ------
187
188 So the expression for the actual surface dimensions when using
189 screen-size-relative values will be:
190
191 ------
192 actual_width = screen_width + 1 + width
193 actual_height = screen_height + 1 + height
194 ------
195
196 Or in other words, to leave an `N` wide border around a surface, the
197 actual value in the configuration needs to be `-N - 1`.
198
199 ===== split_layouts
200 this configuration item allows the specification of split-screen layouts
201 on layers for certain surfaces. A split screen layout always has a
202 _main_ surface and a _sub_ surface. In order to enter a split screen
203 layout, first the _main_ surface of the layout must be activated, and
204 then the _sub_ surface. In order to disable the split layout, one of the
205 two participating surface must be deactivate (or a surface on a layer
206 below the current one must be activated).
207
208 ------
209 "split_layouts": [
210    {
211       "name": "Media Player",
212       "main_match": "^App MPlayer Main$",
213       "sub_match": "^App MPlayer Sub",
214    }
215 ]
216 ------
217
218 A split layout object has the following attributes:
219
220 * `name` defines its name, it has no actual function other then a way to
221   identify this split layout.
222 * `main_match` is a regular expression that matches for the _main_
223   surface of this split layout.
224 * `sub_match` is a regular expression that matches for the _sub_ surface
225   of this layout.
226
227 In the above example only the surface with drawing name
228 `App MPlayer Main` will be used as the _main_ surface, but all surfaces
229 that begin with `App MPlayer Sub` can be used as a _sub_ surface for
230 this layout.
231
232 .Note
233 ******
234 The names must still match the layer's role match!
235 ******
236
237 == Binding API
238 The binding API consists of a couple of AFB _verbs_ - that is; function
239 calls to the Window Manager.
240
241 === Verbs (Functions)
242 Each function returns a reply containing at least a failed or successful
243 result of the call, additionally, when calls return something, it is
244 noted.
245
246 * `RequestSurface(drawing_name: string): int`
247   Request a surface ID for the given name. This name and ID association
248   will live until the surface is destroyed (or e.g. the application
249   exits). Each surface that is managed by the window manager needs to
250   call this function first!
251 * `ActivateSurface(drawing_name: string)`
252   This function requests the activation of a surface. It usually is not
253   called by the application, but rather by the application framework or
254   the HomeScreen.
255 * `DeactivateSurface(drawing_name: string)`
256   Request deactivation of a surface. This function is not usually called
257   by applications themselves, but rather by the application framework or
258   the HomeScreen.
259 * `EndDraw(drawing_name: string)`
260   Signals the window manager, that the surface is finished drawing. This
261   is useful for consistent flicker-free layout switches, see the
262   Architecture document for details.
263
264 There are a couple of non-essential (mostly for debugging and
265 development) API calls:
266
267 * `list_drawing_names(): json`
268   List known surface _name_ to _ID_ associations.
269 * `ping()`
270   Ping the window manager. Does also dispatch pending events if any.
271 * `debug_status(): json`
272   Returns a json representation of the current layers and surfaces known
273   to the window manager. This represents the wayland-ivi-extension
274   object's properties.
275 * `debug_surfaces(): json`
276   Returns a json representation of all surfaces known to the window
277   manager. This represents the wayland-ivi-extension properties of the
278   surfaces.
279 * `debug_layers(): json`
280   Returns the current layer configuration, as configured through
281   _layers.json_.
282 * `debug_terminate()`
283   Terminates the afb-daemon running the window manager binding, if the
284   environment variable `WINMAN_DEBUG_TERMINATE` is set.
285
286 === Events
287 The window manager broadcasts certain events (to all applications) that
288 signal information on the state of the surface regarding the current
289 layout.
290
291 * `Active(drawing_name: string)`
292   Signal that the surface with the name `drawing_name` is now active.
293 * `Inactive(drawing_name: string)`
294   Signal that the surface with the name `drawing_name` is now inactive.
295   This usually means, the layout got changed, and the surface is now
296   considered inactive (or sleeping).
297 * `Visible(drawing_name: string)`
298   Signal applications, that the surface with name `drawing_name` is now
299   visible.
300 * `Invisible(drawing_name: string)`
301   Signal applications that the surface with name `drawing_name` is now
302   invisible.
303 * `SyncDraw(drawing_name: string)`
304   Signal applications, that the surface with name `drawing_name` needs
305   to redraw its content - this usually is sent when the surface geometry
306   changed.
307 * `FlushDraw(drawing_name: string)`
308   Signal to applications, that the surface with name `drawing_name` can
309   now be swapped to its newly drawn content as the window manager is
310   ready to activate a new layout (i.e. a new surface geometry).
311
312 === Binding API Usage
313 For a detailed description on how the binding API is supposed to be
314 used, refer to the Architecture document.
315
316 == Building and Running
317
318 === Dependencies
319 This project is intended to be build with the 4.0 release of AGL.
320
321 Build dependencies are as follows:
322
323 * afb-daemon >= 1.0
324 * libsystemd >= 222
325 * wayland-client >= 1.11
326 * cmake >= 3.6.1
327
328 === Build Configuration
329 Use cmake to configure a build tree:
330
331 --------
332 mkdir build
333 cd build
334 cmake ..
335 make
336 [sudo] make install
337 --------
338
339 A couple of build options to configure the build are available:
340
341 * `ENABLE_DEBUG_OUTPUT:BOOL` Compiles including very verbose debug
342   output from the window manager, use --verbose three times on an
343   afb-daemon instance to see the debug messages.
344 * `ENABLE_SCOPE_TRACING:BOOL` Enables a simple scope tracing mechanism
345   used for a rather small portion of the window manager code. However,
346   it is used quite extensively in the AFBClient implementation.
347
348 By default these options will be disabled.
349
350 == Utilities
351 With the actual window manager implementation, two general utilities are
352 provided.
353
354 === wm-request
355 A shell script, that wraps `afb-client-demo` and issues commands to the
356 window manager using the AFB exposed API. It will call synchronously to
357 the WM, and output any events that are happening in the meantime.
358 Replies are printed to stdout using an failed/success annotation and a
359 dump of the actual json reply from the AFB. When found on the system, it
360 will use `pygmentize` to apply syntax highlighting to the returned JSON.
361
362 ==== Examples
363
364 ------
365 $ wm-request list_drawing_names
366 ON-REPLY 1:winman/list_drawing_names: OK
367 {
368   "response":{
369     "App1":1,
370     "App2":2,
371     "HomeScreen":3,
372     "OnScreen":4
373   },
374   "jtype":"afb-reply",
375   "request":{
376     "status":"success",
377     "info":"success"
378   }
379 }
380 $ wm-request activatesurface App1
381 ON-REPLY 1:winman/activatesurface: OK
382 {
383   "response":{
384   },
385   "jtype":"afb-reply",
386   "request":{
387     "status":"success",
388     "info":"success"
389   }
390 }
391 $ wm-request activatesurface AppThatDoesNotExist
392 ON-REPLY 1:winman/activatesurface: ERROR
393 {
394   "jtype":"afb-reply",
395   "request":{
396     "status":"failed",
397     "info":"Surface does not exist"
398   }
399 }
400 ------
401
402 === redraw_fixer
403 This utility is intended to be ran alongside the compositor, it will
404 listen for certain events regarding surfaces, and issue a couple of
405 other commands, to hopefully trigger a redraw of the surface in the
406 compositor.
407
408 It will print messages for each acted-upon event, and exit when the
409 compositor exits.
410
411 == Implementation Notes
412 The window manager is implemented as a app-framework-binder binding. That
413 means, the build produces one shared object that exports a binding
414 interface.
415
416 === Binding code generation
417 The binding API is rather simple; functions receive a json object
418 describing arguments and return a json object describing the result or
419 an error. In order to simplify development, the
420 `generate-binding-glue.py` script was added, that contains a description
421 of the API as a python dictionary. This script generates the header
422 `afb_binding_api.hpp` and the afb binding functions as
423 `afb_binding_glue.inl`. Where the latter is included in `main.cpp`.
424
425 Each function for the AFB binding that is generated does the following:
426
427 * Lock the binding mutex, so that we serialize all access to the
428   binding.
429 * Do some debug logging (if wanted).
430 * Check the binding state, i.e. the compositor might have exited
431   unexpectedly at which point it would not make sense to continue.
432 * Extract the arguments from the json object that is provided (doing
433   some primitive type checking).
434 * Call the afb_binding_api method corresponding to this binding function
435 * Check the afb_binding_api's function return value, log an error state
436   and return the result to the afb request.
437
438 The generated functions do also check for any "loose" exception that
439 comes out of the afb_binding_api call (which in turn might call the
440 actual non-trivial implementation in `App`). However, *IF* an exception
441 is thrown and not handled inside the afb_binding_call, that internal
442 state of the window manager might be broken at this time (hence the
443 talkative error log).
444
445 === Structure
446 The implementation is loosely split across the following source files:
447
448 * `main.cpp`: The program entry point as used by the afb-daemon. This
449   file defines the afbBindingV2 symbol tat is used by the afb-daemon in
450   order to load a binding. It also defines the wayland fd event
451   dispatcher and some globals to be used (as context for the afb calls
452   we receive).
453 * `afb_binding_api.cpp`: The implementation of the afb binding
454   functions. The actual functions are generated by
455   `generate-binding-glue.py` which generates a *.inl* file that is
456   included by `main.cpp`.
457 * `app.cpp` / `app.hpp`: This is the main application logic
458   implementation.
459 * `config.cpp` / `config.hpp`: Very simple configuration item interface.
460 * `controller_hooks.hpp`: hook functions called by the wayland
461   controller to call into the App instance. Only a very limited number
462   of events are passed to the Application, which allowed the usage of
463   such a simple interface.
464 * `json_helper.cpp` / `json_helper.hpp`: Smaller json related helper
465   functions.
466 * `layers.cpp` / `layers.hpp`: Actually hold all the data from
467   layers.json configuration, do some transformations and service the App
468   implementation.
469 * `layout.cpp` / `layout.hpp`: Very simple layout state for the
470   implementation of split layouts and tracking of the surfaces involved.
471 * `policy.hpp`: PolicyManager implementation stub. Gets passed the
472   current and new layout on layout switch and can decide upon it being
473   valid or not.
474 * `result.hpp`: Simple result class around `std::experimental::optional`
475   that additionally can hold a `char const *` to describe the error.
476 * `util.cpp` / `util.hpp`: general utility functions and structs - and
477   preprocessor definitions (e.g. `log*()` to AFB logging functions.
478 * `wayland.cpp` / `wayland.hpp`: A C++ object-oriented libwayland-client
479   wrapper. It is instanced in `main.cpp` and handles all our wayland
480   needs.
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482
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