linux一切皆文件之块设备文件

Posted 2021-01-21 wilson排球

一、知识准备

1、在linux中，一切皆为文件，所有不同种类的类型都被抽象成文件（比如：块设备，socket套接字，pipe队列）
2、操作这些不同的类型就像操作文件一样，比如增删改查等
3、块设备是将信息存储在大小固定的块中，每一个块都有自己的地址，块设备支持随机访问。典型的块设备比如我们使用的硬盘

二、环境准备

组件	版本
OS	Ubuntu 16.04.4 LTS

三、主设备号（major）与次设备号（minor）

● 当一块磁盘被注册到操作系统的时候，会被分配主设备号与次设备号
● 其中主设备号代表了该设备属于的类型，次设备号代表了该设备在操作系统中的唯一标识

主设备号

[email protected]:~# ls -l /dev/sd*
brw-rw---- 1 root disk 8,  0 9月  30 17:47 /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk 8,  1 9月  30 17:47 /dev/sda1

sda的主设备号是8，代表了sda这块磁盘是属于8这个类型的，那8是什么类型的？

[email protected]:~# grep 8 /proc/devices
108 ppp
128 ptm
248 pps
  8 sd

在/proc/devices告诉我们，8是属于sd类型的，那sd又是啥意思？

打开 https://www.kernel.org/doc/Documentation/admin-guide/devices.txt

   8 block  SCSI disk devices (0-15)
          0 = /dev/sda      First SCSI disk whole disk
         16 = /dev/sdb      Second SCSI disk whole disk
         32 = /dev/sdc      Third SCSI disk whole disk
            ...
        240 = /dev/sdp      Sixteenth SCSI disk whole disk

        Partitions are handled in the same way as for IDE
        disks (see major number 3) except that the limit on
        partitions is 15.

终于清楚的看到，8这个类型代表了块设备，并且是SCSI 硬盘

次设备号

由于/dev/sda做了1个分区/dev/sda1，再加上原有的/dev/sda，操作系统内核给二者打上了唯一的标记：
8,0 代表了/dev/sda
8,1 代表了/dev/sda1

小结一下：
主设备号：代表着某一类型的设备，比如SCSI硬盘、虚拟硬盘、USB等等
次设备号：操作系统分配的整数，与主设备号一起（major,minor），组成了该设备在操作系统当中唯一的ID

四、块设备文件

● 块设备文件是连接用户空间和内核空间的桥梁，通过块设备文件描述符，能够找到内核中的设备驱动程序
● 通过内核中的驱动程序从而对该设备进行读写

   +----------------------+
   | user space           |
   |                      |
   |      +---------+     |
   |      | test.py |     |
   |      +---------+     |
   +----------------------+
               |
               |
          +----v----+
          |/dev/sda1|
          +----+----+
               |
               |(8,1)
               |
+---------------------------------------------
| kernel space |                             |
|              |                             |
|              v                             |
|        +-----+----+      +---------------+ |
|        | major:8  |      | device driver | |
|        +-----+----+      |               | |
|              |           +---------------+ |       +--------+
|              +---------->|  minor:1      |-------->| device |
|                          +---------------+ |       +--------+
|                          |               | |
|                          +---------------+ |
+--------------------------------------------+

五、测试

（a）首先虚拟一个块设备文件

[email protected]:~# dd if=/dev/zero of=/tmp/device_test bs=1M count=100
100+0 records in
100+0 records out
104857600 bytes (105 MB, 100 MiB) copied, 0.0890014 s, 1.2 GB/s
[email protected]:~# mknod /dev/device_test b 7 80
[email protected]:~# losetup /dev/device_test /tmp/device_test

我们已经虚拟出一个块设备文件了，由于是通过losetup虚拟出来的，所以major号只能为7

下面将该块设备格式化、挂载：

[email protected]:~# mkfs.ext4 /dev/device_test
mke2fs 1.42.13 (17-May-2015)
Discarding device blocks: done
Creating filesystem with 102400 1k blocks and 25688 inodes
Filesystem UUID: f38c24be-851b-41ff-8d55-4e692d5a4c83
Superblock backups stored on blocks:
    8193, 24577, 40961, 57345, 73729

Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (4096 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done

[email protected]:~# mount /dev/device_test /mnt

[email protected]:~# df -h | grep /mnt
/dev/device_test   93M  1.6M   85M   2% /mnt
[email protected]:/mnt# ls -l /dev/device_test
brw-r--r-- 1 root root 7, 80 Nov 12 09:54 /dev/device_test

至此，我们拥有了一个块设备，并且大小为100M

（b）测试脚本

准备一个python文件，每秒往test.log写入hello world

[email protected]:/mnt# more device_test.py
import time
f = open(‘test.log‘,‘a+‘)
while 1:
    f.write(‘hello world
‘)
    time.sleep(1)

运行并查看其打开的文件描述符

[email protected]:/mnt# python device_test.py &
[1] 25873
[email protected]:/mnt# lsof -n | grep 25873
COMMAND     PID   TID             USER   FD      TYPE             DEVICE  SIZE/OFF       NODE NAME
...
python    25873                   root    3u      REG               7,80      8923         14 /mnt/test.log

整理一下我们的信息：

● 首先运行脚本，它的进程号为25873。脚本的逻辑是需要打开test.log，然后进行读写
● 由于脚本中是相对路径，并且当前目录在/mnt下，/mnt相关联的硬盘是/dev/device_test
● 进程通过/dev/device_test拿到了该设备的设备号(7,80)
● 通过设备号在内存中找到对应的设备驱动程序，然后通过设备驱动程序对块设备进行读写
● 在块设备上没有发现test.log，首先创建一个，然后开始对该文件每秒写入一句‘hello world‘

六、小结

● 当块设备挂载的时候，会先在操作系统的/dev下创建一个块设备文件，并且分配主设备号与次设备号
● 块设备文件是连接用户空间和内核空间的桥梁，应用程序通过它能够找到在内核中的设备驱动，从而实现对设备的读写

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至此，本文结束
在下才疏学浅，有撒汤漏水的，请各位不吝赐教...