第一章 概述
1 一点历史
下述历史内容基本都是从Wikipedia得来，仅供参考
人机交互 ( Human–Computer Interaction ) 领域研究如何在人与计算机之间建造高效沟通的桥梁，这个桥梁就是我们现在经常听到的用户界面 ( User Interface, UI ) 。UI 无处不在，可以说，只要涉及到人机交互的设备：游戏机、手机、MP3播放器、嵌入式设备等，都需要 UI 。我们熟悉的两种 UI 分别是命令行界面 ( Command Line Interface ) 和 图形用户界面 ( Graphic User Interface ) 。
命令行界面从早期的电传打字机 ( Teleprinter, TTY ) 里的一种对话框 ( Dialog ) 演化而来，这也是终端 ( Terminal ) 这个词得以由来。我们现在看到的终端其实只是一个模拟器，早期的终端实际上就是一台机器。
1973年，原施乐帕罗奥图研发中心生产的 Xerox Alto 成为了世界上第一台搭载了完整的图形用户界面的计算机（2）。这台计算机具有一个完整的图形窗口系统，包括窗口、菜单、单选按钮和复选框，并且当时就有了指针设备和键盘。并在1981年正式商业化，并搭载了 Xerox Star 图形化操作系统。
Xerox Star 虽然没有大卖，但由于 Xerox Star 带来的影响，促进了一批图形用户界面的操作系统的诞生，其中就包括 Apple Macintosh 和 Microsoft Windows 。Macintosh 取自于一种苹果的名字 ( mcintosh, 麦金托什苹果 )，最早的型号是 Macintosh 128K，于1984年1月发布。借着当时超级碗广告的造势(3)，到同年三月的时候，就取得了惊人的7万台的销售业绩【6】，这使得 Macintosh 128K 成为历史上第一次被大规模销售的带有图形用户界面的个人计算机【8】。然而，精美的Macintosh 128K由于糟糕的性能使其销量后劲不足【7】。
1985年的计算机经销商博览会 ( Comdex ) 微软正式发布了为 IBM 个人电脑打造的图形化操作系统 Windows 1.0，然而，Windows 1.0 仅仅只是一个 DOS 的图形化接口，在视觉体验表现并不如 Macintosh 那么惊艳，因此也没有掀起太大波浪。尽管如此，Apple 和 微软并没有放弃对 GUI 的追求，在1987年，微软发布了 Windows 2.0 和 Windows 2.1 操作系统，1988年，离开了苹果公司的乔布斯也发布了 NeXT 电脑。但 NeXT 并没有引起市场轰动，失去了乔布斯的苹果公司也一直萎靡不振，另一方面，微软用了多年时间打造的 Windows 3.0 也于1990年推出，此后借由1995年发布的 Windows 95 操作系统成为了史上最成功的个人计算机操作系统。微软也从此开始了桌面操作系统的市场绝对占有优势。
苹果公司经历了1990年到1997年的低谷期，并迎来了乔布斯的回归后，终于在1998年开始复苏，并于2001年推出了基于 UNIX 内核的 OS X 操作系统 ( 以前的苹果操作系统称为 Classic Mac OS，即经典的 Mac OS，一共有9代，均不是 UNIX 内核的操作系统 )，也就是我们今天看到的 MacOS，并于2005年正式开始使用 Intel 的处理器，直到现在 (5)。
2 实现
2.1 终端
早期人们实现计算机图形的方式非常艰辛，用尽了各种智慧才只能实现像 Macintosh 128k 那样的简单图形产品 ( 尽管在当年，Macintosh 已经非常不简单了 )。现代计算机技术发展迅速，图形实现方式已趋于标准化，大部分都是通过光栅扫描系统显示图形【10】，操作系统通过专门的模块渲染图形，并实现了一套窗口管理器，通过与输入输出设备的交互实现图形用户界面【1】。
前面我们提到过，现在的终端都是图形模拟出来的，早期的终端都是独立的设备。在Linux中，设备分为字符设备和块设备。块设备的一个例子就是可以随机存取的磁盘。字符设备通过串口的方式与操作系统进行通信。终端是典型的字符设备，通过字符设备驱动来输入和输出字符。后来的计算机引入了视频卡，支持更丰富的显示，因此引入了视频卡驱动，我们需要让显示器显示的内容可以写入到帧缓冲，最终会以光栅化的方式显示出来。下面这片文章很好的介绍了终端，推荐一读。
命令行界面 (CLI)、终端 (Terminal)、Shell、TTY，傻傻分不清楚？
2.2 窗口管理器和X System
窗口构成了桌面环境，GUI 中的人机交互更多是人与窗口的互动，因此窗口管理是GUI最重要的组件。早期，窗口直接通过帧缓冲绘制，整个桌面的信息都存储在一个帧缓冲里。后来人们有了更高的渲染需求，印日了X System和窗口管理器。X System只是一个协议，但他提供了一个沿用至今的C/S架构模型，让Unix/Linux上得以运行各种桌面系统。（待补充）
2.3 Wayland
X System尽管有悠久的历史，但这个架构天然携带的性能缺陷至今仍被诟病，因此社区开始考虑更好的架构用于GUI系统。Wayland是其中最引人注目的一支。（待补充）
2.3 带有 Darwin 核心的 Mac OS
Mac OS 的系统核心是一个完整的 UNIX 实现，代号叫做 Darwin 【2】。但 Mac 系统并没有走其他 UNIX 系统采用 X11的老路 ，而是采用了一个全新的图形系统 —— Quartz 。Quartz 首次于1999年五月的 WWDC 披露，Quartz 能够保存矢量信息，可以对已经显示出来的图形进行无损变换。尽管到现代矢量显示器并没有普及，但保存矢量信息的优势仍然存在，例如 macOS 可以轻松的输出 PDF，并且默认就支持矢量到栅格的处理，对于 Adobe Illustrator 这样的图形处理软件就有了非常大的帮助，他们可以不需要实现自己的矢量到栅格中间的处理层了。
Quartz 由两部分组成： Core Graphic Service ( 核心图形服务 ) 与 Core Graphic Rendering ( 核心图形渲染 ) 。Core Graphic Service 负责处理事件以及组合需要显示到屏幕上的元素，呈现出 与实现细节无关的绘图模型 ( drawing model agnostic ) ，然后通过 Core Graphic Rendering 把这些元素的矢量描述，转化成像素，呈现到光栅显示器里。
值得注意的是，Core Graphic Rendering 使用 Adobe 的 PDF 来描述它的内部矢量图形（ 这里 PDF 不是指文件格式，而是 Adobe 设计的一整套矢量描述语言 ），桌面应用程序的元素都会经过 PDF 引擎渲染到桌面上，但 3D 游戏这类直接利用 OpenGL 或者 Metal 渲染的图形则不经过 Core Graphic Rendering。
注意，Apple 官方文档以 API 的角度描述Quartz，在官方文档中， Quartz 主要由 Quartz 2D API 和基于这套 API 实现的 Core Graphic Framework组成，并可以与 Core Image, Core Video, OpenGL 和 QuickTime 协同工作。
2.4 把 GUI 做在内核中的 Windows
无论是 X Window 还是 mac OS，它们负责图形桌面的组件都位于操作系统的用户空间 ( User Space ) 中，而微软的 Windows 操作系统则另辟蹊径，把图形桌面系统做在了内核空间 ( Kernel Space ) 中，大大提高了桌面渲染速度，他们称这套系统为 窗口和图形系统 ( The Windowing and Graphics System ) 【5】。我们在桌面看到的窗口环境以及开发一些基础图形功能用到的 GDI 函数都位于这个层。尽管把图形系统做在内核空间大幅度提升了桌面环境的性能，但也会给内核带来更大的不稳定性。
3 注释
（1）是的，你可能会联想到现在家喻户晓的 SSH 客户端 PuTTY。从概念上来看，PuTTY 确实是一个模拟的终端，但 PuTTY 的名字来源至今尚不确定。
（2）帕罗奥多研究中心是许多现代计算机技术的诞生地，他们的创造性的研发成果包括：个人电脑、激光打印机、鼠标、以太网；图形用户界面、Smalltalk、页面描述语言Interpress（PostScript的先驱）、图标和下拉菜单、所见即所得文本编辑器、语音压缩技术等。
（3）超级碗（Super Bowl）是NFL职业橄榄球大联盟的年度冠军赛，胜者被称为“世界冠军”。超级碗多年来都是全美收视率最高的电视节目，并逐渐成为美国一个非官方的全国性节日，因此超级碗广告带来的影响非同小可，苹果的这个广告当年花费了37万美元，在我们这个年代相当于百万美元的广告成本了。
（4）早期使用 TCP 实现图形界面因为往返通信延迟，极容易影响图形程序性能，因此后来为了改善这个问题，改用了UNIX Domain或者共享内存作为通信方式。
（5）苹果于2020年6月WWDC宣布下一代Mac产品将使用基于ARM架构的自研片上系统 ( SoC )
4 参考文献
【1】 《操作系统概念》Ch.13.2
【2】 《Mac OS X and iOS Internals To the Apples Core by Jonathan Levin 》 Ch.2
【3】《Hands-On GUI Application Development in Go by Andrew Williams (z-lib.org)》 Ch.1
【4】《iOS and macOS Performance Tuning Cocoa, Cocoa Touch, Objective-C, and Swift by Marcel Weiher (z-lib.org)》 Ch. 14
【5】《Windows Internals, Part 1 System architecture, processes, threads, memory management, and more by Pavel Yosifovich, Alex Ionescu, Mark E. Russinovich, David A. Solomon (z-lib.org)》 Ch.2
【6】https://en.wikipedia.org/wiki/Macintosh_128K
【7】https://en.wikipedia.org/wiki/Steve_Jobs#Pre-Apple
【8】https://en.wikipedia.org/wiki/Macintosh
【9】https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_Common_User_Access
【10】《计算机图形学》Ch.2