在 WSL2 中使用 Ubuntu 桌面環境

雖然微軟在 BUILD 2020 上已經宣佈，未來會讓 WSL2 可以執行 GUI 應用程式^[1]，但不知道什麼時候才會正式支援這個功能，對於想體驗看看效果到底如何的我呢，就打算先在 Windows 端啓動一個 X Window Server 來嚐鮮看看。

事前準備

首先，對於一個習慣 Ubuntu 的我來說，如果可以體驗到完整的 Ubuntu 桌面是再好不過了，換句話說，我們需要在上面可以跑一個完整的 Gnome Shell 環境，並加上 Ubuntu 的 Extension 們。

取得完整 systemd 環境

Gnome Shell 從 3.34 版開始，就已經跟 systemd 整合^[2]了，也就是說，我們必須要先有一個完整的 systemd 環境才能順利的執行 Gnome Shell。由於 WSL2 的實作機制其實是啓動一個 Tiny Linux VM，然後利用 Linux Namespace 機制來執行並隔離各個發行版，並且由微軟實作了一個 init (PID 1) 來辦到快速啓動以及作為與 windows 溝通的橋樑^[3]。

也因此，在 WSL2 的系統裡面，其實是沒有啓用 systemd 的，我們可以簡單的透過下面的方式來檢查看看：

$ systemctl
System has not been booted with systemd as init system (PID 1). Can't operate.
Failed to connect to bus: Host is down
$ ps u -q 1
USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root           1  0.0  0.0    908   592 ?        Sl   10:31   0:00 /init

可以很明顯的看到，當我們執行 systemctl 的時候，會顯示出我們的 init system (PID 1) 並非 systemd，而是微軟提供的 /init。

那我們如果想要擁有一個 systemd 環境的話，該怎麼辦呢？

由於 systemd 必須以 PID 1 的方式執行，所以直接執行 systemd 是沒有用的，但多虧了 Linux Namespace 我們可以在 WSL2 中建立新的 Namespace 並把 systemd 作為 PID 1 來執行，也就是在 WSL2 中再多加一層 PID Namespace，使得我們可以建築一個 systemd 的環境並跳進這個新的 Namespace 中。

所幸，我們不需要自己來研究這部分該如何操作，GitHub 上已經有幾個專案可以直接拿來參考並使用：

• arkane-systems
• DamionGans/ubuntu-wsl2-systemd-script

我們下面會使用 DamionGans/ubuntu-wsl2-systemd-script 來當作範例，只要按照說明操作就可以了：

$ git clone https://github.com/DamionGans/ubuntu-wsl2-systemd-script.git
Cloning into 'ubuntu-wsl2-systemd-script'...
remote: Enumerating objects: 76, done.
remote: Counting objects: 100% (76/76), done.
remote: Compressing objects: 100% (55/55), done.
remote: Total 76 (delta 40), reused 41 (delta 21), pack-reused 0
Unpacking objects: 100% (76/76), 19.46 KiB | 996.00 KiB/s, done.
$ cd ubuntu-wsl2-systemd-script/
ubuntu-wsl2-systemd-script $ bash ubuntu-wsl2-systemd-script.sh
[sudo] password for davy:
Hit:1 http://security.ubuntu.com/ubuntu focal-security InRelease
Hit:2 http://archive.ubuntu.com/ubuntu focal InRelease
Hit:3 http://archive.ubuntu.com/ubuntu focal-updates InRelease
Hit:4 http://archive.ubuntu.com/ubuntu focal-backports InRelease
Reading package lists... Done
(Reading database ... 31836 files and directories currently installed.)
Preparing to unpack .../0-dbus-user-session_1.12.16-2ubuntu2.1_amd64.deb ...
Unpacking dbus-user-session (1.12.16-2ubuntu2.1) over (1.12.16-2ubuntu2) ...
Preparing to unpack .../1-dbus-x11_1.12.16-2ubuntu2.1_amd64.deb ...
Unpacking dbus-x11 (1.12.16-2ubuntu2.1) over (1.12.16-2ubuntu2) ...
Preparing to unpack .../2-dbus_1.12.16-2ubuntu2.1_amd64.deb ...
Unpacking dbus (1.12.16-2ubuntu2.1) over (1.12.16-2ubuntu2) ...
Preparing to unpack .../3-libdbus-1-3_1.12.16-2ubuntu2.1_amd64.deb ...
Unpacking libdbus-1-3:amd64 (1.12.16-2ubuntu2.1) over (1.12.16-2ubuntu2) ...
Selecting previously unselected package daemonize.
Preparing to unpack .../4-daemonize_1.7.8-1_amd64.deb ...
Unpacking daemonize (1.7.8-1) ...
Selecting previously unselected package fontconfig.
Preparing to unpack .../5-fontconfig_2.13.1-2ubuntu3_amd64.deb ...
Unpacking fontconfig (2.13.1-2ubuntu3) ...
Setting up fontconfig (2.13.1-2ubuntu3) ...
Regenerating fonts cache... done.
Setting up libdbus-1-3:amd64 (1.12.16-2ubuntu2.1) ...
Setting up dbus (1.12.16-2ubuntu2.1) ...
Setting up daemonize (1.7.8-1) ...
Setting up dbus-x11 (1.12.16-2ubuntu2.1) ...
Setting up dbus-user-session (1.12.16-2ubuntu2.1) ...
Processing triggers for systemd (245.4-4ubuntu3) ...
Processing triggers for man-db (2.9.1-1) ...
Processing triggers for libc-bin (2.31-0ubuntu9) ...
rm: cannot remove '/lib/systemd/system/sysinit.target.wants/proc-sys-fs-binfmt_misc.mount': No such file or directory
'\\wsl$\Ubuntu-20.04\home\davy\ubuntu-wsl2-systemd-script'
是目前用來啟動 CMD.EXE 的目錄路徑。不支援 UNC 路徑。
預設目錄是 Windows 目錄。

成功: 已經儲存指定的值。
'\\wsl$\Ubuntu-20.04\home\davy\ubuntu-wsl2-systemd-script'
是目前用來啟動 CMD.EXE 的目錄路徑。不支援 UNC 路徑。
預設目錄是 Windows 目錄。

成功: 已經儲存指定的值。
ubuntu-wsl2-systemd-script $

安裝完畢後我們需要重啓整個 WSL2，假定我們的 WSL 名稱是 ubuntu-20.04，在命令提示字元（CMD）中執行下列指令以關閉 WSL2：

> wsl.exe -t ubuntu-20.04

接者使用一般使用者啓動 WSL2，就可以發現有不一樣的地方了（多了一個啓動 systemd 的提示），透過檢查 PID 1 也可以發現整個環境已經是由 systemd 掌握了：

Sleeping for 1 second to let systemd settle
Welcome to Ubuntu 20.04 LTS (GNU/Linux 4.19.104-microsoft-standard x86_64)

$ ps u -q 1
USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root           1  2.8  0.0 175224 12920 ?        Ss   21:48   0:06 /lib/systemd/systemd --system-unit=basic.target
$

移除用不到的 snap（可選）

由於 Ubuntu 安裝 systemd 時，會連 snap 也一併啓用，如果大家用不到的話可以把 snap 從系統中移除，這麼一來也可以提升啓動速度，我們可以看到系統啓動時也連著一些 snap 的元件一起啓動了（而且還不少 Processes）：

$ ps aux
USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root           1  1.3  0.0 108788 11360 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd --system-unit=basic.targ
root          43  2.1  0.1  45248 14600 ?        S<s  22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-journald
root          61  0.4  0.0  21592  8496 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-udevd
systemd+      63  1.2  0.0  18548  7896 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-networkd
root         152  0.0  0.0  10572  4588 pts/0    S    22:03   0:00 /bin/login -p -f      'HOSTTYPE=x86_64' 'PWD=
root         219  1.2  0.0   3608  1792 ?        Ss   22:03   0:00 snapfuse /var/lib/snapd/snaps/core18_1705.sna
root         220  0.3  0.0   3660  1476 ?        Ss   22:03   0:00 snapfuse /var/lib/snapd/snaps/lxd_14804.snap
root         221  0.1  0.0   3488  1536 ?        Ss   22:03   0:00 snapfuse /var/lib/snapd/snaps/snapd_7264.snap
systemd+     228  1.1  0.0  24116 12592 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-resolved
root         231  0.1  0.0 241020  9280 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/lib/accountsservice/accounts-daemon
message+     232  0.2  0.0   7428  4640 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/bin/dbus-daemon --system --address=syste
root         235  0.3  0.1  29216 17788 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/bin/python3 /usr/bin/networkd-dispatcher
syslog       236  0.1  0.0 224328  4296 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/sbin/rsyslogd -n -iNONE
root         238  2.1  0.2 1457156 35432 ?       Ssl  22:03   0:00 /usr/lib/snapd/snapd
root         240  1.1  0.0  16852  7728 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-logind
root         261  0.0  0.0 236408  9084 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/lib/policykit-1/polkitd --no-debug
root         302  0.0  0.0   8540  2764 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/sbin/cron -f
root         307  0.4  0.1 108036 20512 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/bin/python3 /usr/share/unattended-upgrad
daemon       308  0.0  0.0   3796  2200 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/sbin/atd -f
root         318  0.0  0.0   7356  2172 tty1     Ss+  22:03   0:00 /sbin/agetty -o -p -- \u --noclear --keep-bau
root         326  0.0  0.0   5832  1744 ?        Ss   22:03   0:00 /sbin/agetty -o -p -- \u --noclear tty1 linux
davy         376  0.2  0.0  18444  9612 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd --user
davy         377  0.0  0.0 110132  3188 ?        S    22:03   0:00 (sd-pam)
davy         387  0.2  0.0  10048  4992 pts/0    S    22:03   0:00 -bash
davy         431  0.0  0.0  10604  3224 pts/0    R+   22:04   0:00 ps aux
$

首先我們先將所有 snap 都列出後，一個一個移除：

$ snap list
Name    Version   Rev    Tracking         Publisher   Notes
core18  20200311  1705   latest/stable    canonical✓  base
lxd     4.0.1     14804  latest/stable/…  canonical✓  -
snapd   2.44.3    7264   latest/stable    canonical✓  snapd
# snap remove lxd
# snap remove core18
# snap remove snapd
$ snap list
No snaps are installed yet. Try 'snap install hello-world'.
# apt purge snapd
$ ps aux
USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root           1  0.6  0.0 109692 12692 ?        Ss   22:03   0:03 /lib/systemd/systemd --system-unit=basic.targ
root          43  0.1  0.1  53444 15456 ?        S<s  22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-journald
root          61  0.0  0.0  21592  8496 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-udevd
systemd+      63  0.1  0.0  18548  7896 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-networkd
root         152  0.0  0.0  10572  4588 pts/0    S    22:03   0:00 /bin/login -p -f      'HOSTTYPE=x86_64' 'PWD=
systemd+     228  0.0  0.0  24116 12592 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-resolved
root         231  0.0  0.0 241020  9280 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/lib/accountsservice/accounts-daemon
message+     232  0.0  0.0   7428  4640 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/bin/dbus-daemon --system --address=syste
root         235  0.0  0.1  29216 17788 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/bin/python3 /usr/bin/networkd-dispatcher
syslog       236  0.0  0.0 224328  4296 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/sbin/rsyslogd -n -iNONE
root         240  0.1  0.0  16852  7728 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd-logind
root         261  0.0  0.0 236408  9084 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/lib/policykit-1/polkitd --no-debug
root         302  0.0  0.0   8540  2764 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/sbin/cron -f
root         307  0.0  0.1 108036 20512 ?        Ssl  22:03   0:00 /usr/bin/python3 /usr/share/unattended-upgrad
daemon       308  0.0  0.0   3796  2200 ?        Ss   22:03   0:00 /usr/sbin/atd -f
root         318  0.0  0.0   7356  2172 tty1     Ss+  22:03   0:00 /sbin/agetty -o -p -- \u --noclear --keep-bau
root         326  0.0  0.0   5832  1744 ?        Ss   22:03   0:00 /sbin/agetty -o -p -- \u --noclear tty1 linux
davy         376  0.0  0.0  18444  9708 ?        Ss   22:03   0:00 /lib/systemd/systemd --user
davy         377  0.0  0.0 110132  3188 ?        S    22:03   0:00 (sd-pam)
davy         387  0.0  0.0  10180  5252 pts/0    S    22:03   0:00 -bash
root        1168  0.0  0.1 283780 15888 ?        Ssl  22:07   0:00 /usr/lib/packagekit/packagekitd
davy        1273  0.0  0.0  10604  3316 pts/0    R+   22:11   0:00 ps aux

結束後我們就可以發現 Processes 數量減少了許多，讓我們的環境又稍微輕量了些。

在 Windows 準備 X Window Server

這邊有很多選擇，我選擇了 X410^[4]（付費），大家也可以選擇 VcXsrv^[5] 之類的解決方案，這邊就不多贅述了，在這裡的範例中會需要將 X Window Server 開在 Windows 的 6000 port 上。

安裝 Ubuntu 桌面

接著我們就可以來安裝 Ubuntu 的預設桌面了，這裡會需要比較多的硬碟空間：

# apt install ubuntu-desktop
...
10 upgraded, 1077 newly installed, 0 to remove and 64 not upgraded.
Need to get 605 MB of archives.
After this operation, 2260 MB of additional disk space will be used.
Do you want to continue? [Y/n] y
...

安裝結束後，我們需要先取得 Windows 的 IP 位置^[6]，並嘗試對 X Window Server 連線看看：

$ cat /etc/resolv.conf
# This file was automatically generated by WSL. To stop automatic generation of this file, add the following entry to /etc/wsl.conf:
# [network]
# generateResolvConf = false
nameserver 172.17.160.1
$ nc -v 172.17.160.1 6000
Connection to 172.17.160.1 6000 port [tcp/x11] succeeded!
^C
$

成功連線後，我們可以撰寫一個啓動腳本，將 DISPLAY 指向 Windows 上的 X Window Server 中並且加上一些 Ubuntu 桌面的設定後執行 Gnome Shell：

$ cat - > gnome.sh <<'EOF'
#!/bin/bash
export DISPLAY=$(cat /etc/resolv.conf | grep nameserver | awk '{print $2}'):0.0;
export XDG_SESSION_TYPE="x11"
export XDG_RUNTIME_DIR=~/.cache/xdg
export XDG_SESSION_CLASS="user"
export XDG_SESSION_DESKTOP=ubuntu
export XDG_CURRENT_DESKTOP=ubuntu:GNOME
export DESKTOP_SESSION=ubuntu
export GDMSESSION=ubuntu
export GNOME_SHELL_SESSION_MODE=ubuntu

gnome-session "$@"
EOF
$ chmod +x gnome.sh
$ ./gnome.sh

當然，如果想要在這個桌面中執行 Windows CMD 也是沒有問題的，而系統也可以正確的偵測到 Virtualization 是 WSL 呢。

關閉 systemd-resolved

這裡是一個可選的項目，由於筆者在透過 /etc/resolv.conf 取得 Windows IP 時有遇到 resolv.conf 被 systemd-resolved 替換成 127.0.0.53 的問題，這邊提供一個方式將這個東西停用，操作完重啓 WSL2 即可：

# systemctl stop systemd-resolved
# systemctl disable systemd-resolved
Removed /etc/systemd/system/multi-user.target.wants/systemd-resolved.service.
Removed /etc/systemd/system/dbus-org.freedesktop.resolve1.service.

後記

由於目前的 WSL2 還沒有 GPGPU 加速，所以拿來執行 GUI 程式的話可能還是會有點 lag，微軟提出的最終方案是透過 RDP 來執行 GUI 應用程式也許會透過 RemoteApp 來將顯卡加速做在 Windows 端，但作為嚐鮮一下，目前的結果已經算是還可以的了XD