4. 第3章：设备

第3章：设备

本章将带你基本了解一个运行中的 Linux 系统中内核提供的设备基础设施。在 Linux 的发展历程中，内核向用户呈现设备的方式发生了许多变化。我们将首先考察传统的设备文件系统，看看内核如何通过 sysfs 提供设备配置信息。我们的目标是能够提取系统中设备的信息，以理解一些基础操作。后续章节将详细介绍与特定类型设备的交互。

理解内核在面对新设备时如何与用户空间交互至关重要。udev 系统使得用户空间程序能够自动配置和使用新设备。你将看到内核如何通过 udev 向用户空间进程发送消息，以及进程如何处理该消息。

3.1 设备文件

在 Unix 系统中操作大多数设备非常容易，因为内核将许多设备的 I/O 接口以文件的形式呈现给用户进程。这些设备文件有时被称为设备节点。除了程序员可以通过常规文件操作来使用设备外，有些设备甚至可以被 cat 这样的标准程序访问，因此你不必是程序员也能使用设备。然而，文件接口的功能是有限的，并非所有设备或设备功能都能通过标准文件 I/O 访问。

Linux 与其他 Unix 变体采用相同的设备文件设计。设备文件位于 /dev 目录下，运行 ls /dev 会显示 /dev 中有相当多的文件。那么，如何使用设备呢？

首先，考虑以下命令：

$ echo blah blah > /dev/null

与任何带有重定向输出的命令一样，这条命令将一些内容从标准输出发送到一个文件。然而，这个文件是 /dev/null，一个设备，因此内核会绕过通常的文件操作，而使用一个设备驱动程序来处理写入该设备的数据。在 /dev/null 的情况下，内核只是接受输入数据并将其丢弃。

要识别设备并查看其权限，请使用 ls -l。以下是一些示例：

$ ls -l
brw-rw----   1 root disk 8, 1 Sep  6 08:37 sda1
crw-rw-rw-   1 root root 1, 3 Sep  6 08:37 null
prw-r--r--   1 root root    0 Mar  3 19:17 fdata
srw-rw-rw-   1 root root    0 Dec 18 07:43 log

注意每一行的第一个字符（文件模式的首字符）。如果这个字符是 b、c、p 或 s，那么该文件就是一个设备。这些字母分别代表块设备、字符设备、管道设备和套接字设备：

• 块设备：程序以固定大小的数据块访问块设备。前述例子中的 sda1 是一个磁盘设备，属于块设备类型。磁盘可以很容易地分割成数据块。由于块设备的总大小固定且易于索引，进程可以在内核的帮助下快速随机访问设备中的任意数据块。
• 字符设备：字符设备处理数据流。你只能从字符设备读取字符或向字符设备写入字符，正如之前演示的 /dev/null 所示。字符设备没有大小；当你读取或写入字符设备时，内核通常会对其执行一次读或写操作。直接连接到计算机的打印机由字符设备表示。需要注意的是，在与字符设备交互期间，一旦数据传递给设备或进程，内核无法回溯并重新检查数据流。
• 管道设备：命名管道类似于字符设备，但 I/O 流的另一端是另一个进程，而不是内核驱动程序。
• 套接字设备：套接字是特殊用途的接口，常用于进程间通信。它们通常不在 /dev 目录下。套接字文件代表 Unix 域套接字；你将在第 10 章了解更多。

在 ls -l 对块设备和字符设备的文件列表中，日期之前的数字是主设备号和次设备号，内核使用它们来标识设备。类似的设备通常具有相同的主设备号，例如 sda3 和 sdb1（两者都是硬盘分区）。

NOTE

并非所有设备都有设备文件，因为块设备和字符设备的 I/O 接口并不适用于所有情况。例如，网络接口没有设备文件。理论上可以使用单个字符设备与网络接口交互，但这会很困难，因此内核提供了其他 I/O 接口。

3.2 sysfs 设备路径

传统的 Unix /dev 目录是用户进程引用和与内核支持的设备交互的便捷方式，但这个方案也非常简单。/dev 中设备的名字能告诉你一些关于设备的信息，但通常不足以提供帮助。另一个问题是内核按照设备被发现的顺序分配设备名，因此设备在重启后可能会有不同的名称。

为了根据设备实际的硬件属性提供统一的已连接设备视图，Linux 内核通过一组文件和目录提供了 sysfs 接口。设备的基础路径是 /sys/devices。例如，位于 /dev/sda 的 SATA 硬盘在 sysfs 中可能具有以下路径：

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:17.0/ata3/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda

如你所见，这个路径比 /dev/sda 文件名长得多，同时这也是一个目录。但你不能真正比较这两个路径，因为它们的目的不同。/dev 文件使进程能够使用设备，而 /sys/devices 路径用于查看信息和管理设备。如果你列出像前面那样的设备路径的内容，会看到类似下面的内容：

alignment_offset  discard_alignment  holders   removable  size       uevent
bdi               events             inflight  ro         slaves
capability        events_async       power     sda1       stat
dev               events_poll_msecs  queue     sda2       subsystem
device            ext_range          range     sda5       trace

这里的文件和子目录主要是给程序读取的，而不是人，但你可以通过查看诸如 /dev 文件这样的例子来了解它们包含和代表什么。在这个目录中运行 cat dev 会显示数字 8:0，而这恰好是 /dev/sda 的主设备号和次设备号。

/sys 目录中有一些快捷方式。例如，/sys/block 应该包含系统中所有可用的块设备。然而，这些只是符号链接；你可以运行 ls -l /sys/block 来查看真正的 sysfs 路径。

找到 /dev 中某个设备的 sysfs 位置可能会比较困难。使用以下 udevadm 命令可以显示路径和其他几个有趣的属性：

$ udevadm info --query=all --name=/dev/sda

你将在 3.5 节找到关于 udevadm 以及整个 udev 系统的更多细节。

3.3 dd 与设备

程序 dd 在处理块设备和字符设备时非常有用。它的唯一功能是从输入文件或流读取数据，并写入输出文件或流，其间可能进行一些编码转换。关于块设备，dd 的一个特别有用的功能是你可以处理文件中间的一块数据，而忽略前后部分。

WARNING

dd 功能非常强大，因此运行它时请确保你清楚自己在做什么。粗心大意的错误很容易损坏文件和设备上的数据。如果你不确定它的作用，通常最好将输出写入一个新文件。

dd 以固定大小的块复制数据。以下是如何使用 dd 与字符设备配合的示例，其中使用了几个常见选项：

$ dd if=/dev/zero of=new_file bs=1024 count=1

如你所见，dd 的选项格式与大多数其他 Unix 命令不同；它基于一种古老的 IBM 作业控制语言（JCL）风格。它不使用破折号（-）来标志选项，而是直接命名选项并设置其值，使用等号（=）。上面的示例从 /dev/zero（一个连续的零字节流）复制单个 1024 字节的块到 new_file。

以下是一些重要的 dd 选项：

• if=file：输入文件。默认为标准输入。
• of=file：输出文件。默认为标准输出。
• bs=size：块大小。dd 每次读取和写入这么多字节的数据。要缩写大块数据，可以使用 b 和 k 分别表示 512 和 1024 字节。因此，上面的示例可以写成 bs=1k 而不是 bs=1024。
• ibs=size、obs=size：输入和输出块大小。如果输入和输出可以使用相同的块大小，则使用 bs 选项；否则，分别使用 ibs 和 obs 指定输入和输出的块大小。
• count=num：要复制的总块数。当处理大文件或提供无限数据流的设备（如 /dev/zero）时，你希望 dd 在固定点停止；否则，可能会浪费大量磁盘空间、CPU 时间或两者。常结合 skip 参数使用 count 来从大文件或设备中复制一小块。
• skip=num：跳过输入文件或流中的前 num 个块，不将它们复制到输出。

3.4 设备名称总结

有时很难找到设备的名称（例如，在分区磁盘时）。以下是几种找出设备名称的方法：

• 使用 udevadm 查询 udevd（见 3.5 节）。
• 在 /sys 目录中查找该设备。
• 从 journalctl -k 命令（打印内核消息）或内核系统日志（见 7.1 节）的输出中猜测名称。这些输出可能包含系统中设备的描述。
• 对于系统中已经可见的磁盘设备，可以检查 mount 命令的输出。
• 运行 cat /proc/devices 查看系统当前拥有驱动程序的块设备和字符设备。每一行包含一个数字和一个名称。数字是 3.1 节中描述的主设备号。如果你能根据名称猜测出设备，那么在 /dev 中查找具有相应主设备号的字符或块设备，你就找到了设备文件。

在这些方法中，只有第一种是可靠的，但它需要 udev。如果你遇到 udev 不可用的情况，可以尝试其他方法，但请记住内核可能没有为你的硬件提供设备文件。

以下各节列出了最常见的 Linux 设备及其命名约定。

3.4.1 硬盘：/dev/sd*

当前 Linux 系统上的大多数硬盘对应以 sd 为前缀的设备名称，例如 /dev/sda、/dev/sdb 等。这些设备代表整个磁盘；内核为磁盘上的分区创建单独的设备文件，如 /dev/sda1、/dev/sda2。

命名约定需要稍作解释。名称中的 sd 部分代表 SCSI 磁盘。小型计算机系统接口（SCSI） 最初是为磁盘及其他外围设备之间的通信而开发的硬件和协议标准。尽管传统 SCSI 硬件已不在大多数现代机器中使用，但 SCSI 协议因其适应性而无处不在。例如，USB 存储设备使用它与系统通信。至于 SATA（串行 ATA，PC 上常见的存储总线）磁盘，情况稍复杂，但 Linux 内核在与它们通信时，在某个层面仍使用 SCSI 命令。

要列出系统上的 SCSI 设备，可使用一个遍历 sysfs 提供的设备路径的工具。其中最简洁的工具之一是 lsscsi。运行它时你会看到类似下面的输出：

$ lsscsi
[0:0:0:0]    disk    ATA     WDC WD3200AAJS-2  01.0   /dev/sda
[2:0:0:0]    disk    FLASH   Drive UT_USB20    0.00   /dev/sdb

第一列 [1] 标识设备在系统中的地址，第二列 [2] 描述设备类型，最后一列 [3] 指出设备文件的位置。其余为供应商信息。

Linux 按驱动程序遇到设备的顺序将设备分配给设备文件。因此，在前面的例子中，内核先找到硬盘，然后找到闪存盘。

不幸的是，这种设备分配方案在重新配置硬件时传统上会引起问题。例如，假设系统有三个磁盘：/dev/sda、/dev/sdb 和 /dev/sdc。如果 /dev/sdb 损坏，你必须将其移除才能使机器正常工作，那么原来的 /dev/sdc 就会变成 /dev/sdb，而 /dev/sdc 不再存在。如果你在 fstab 文件（参见第 4.2.8 节）中直接引用了设备名称，那么必须修改该文件才能让系统（基本）恢复正常。为了解决这个问题，许多 Linux 系统使用 通用唯一标识符（UUID）（参见第 4.2.4 节）和/或 逻辑卷管理器（LVM） 的稳定磁盘设备映射。

设备分配问题

依赖 /dev/sd* 名称可能导致设备顺序变化，推荐使用 UUID 或 LVM 实现稳定映射。

这里对 Linux 系统上使用磁盘和其他存储设备的讨论仅触及皮毛。有关使用磁盘的更多信息，请参见第 4 章。在本章后面，我们将探讨 SCSI 支持在 Linux 内核中如何工作。

3.4.2 虚拟磁盘：/dev/xvd*、/dev/vd*

某些磁盘设备针对虚拟机（如 AWS 实例和 VirtualBox）进行了优化。Xen 虚拟化系统使用 /dev/xvd 前缀，而 /dev/vd 是类似类型。

3.4.3 非易失性内存设备：/dev/nvme*

现在有些系统使用 非易失性内存快速通道（NVMe） 接口与某些固态存储进行通信。在 Linux 中，这些设备显示为 /dev/nvme*。你可以使用 nvme list 命令获取系统上的这些设备列表。

3.4.4 设备映射器：/dev/dm-*、/dev/mapper/*

在某些系统上，LVM 比磁盘和其他直接块存储高一个层次，它使用一个名为 设备映射器 的内核系统。如果你看到以 /dev/dm- 开头的块设备和 /dev/mapper 中的符号链接，那么你的系统很可能使用了它。你将在第 4 章全面了解这部分内容。

3.4.5 CD 和 DVD 驱动器：/dev/sr*

Linux 将大多数光存储驱动器识别为 SCSI 设备 /dev/sr0、/dev/sr1 等。但是，如果驱动器使用较旧的接口，它可能会显示为 PATA 设备（见下文）。/dev/sr* 设备是只读的，仅用于从光盘读取数据。对于光学设备的写入和重写功能，你应使用“通用”SCSI 设备，如 /dev/sg0。

3.4.6 PATA 硬盘：/dev/hd*

PATA（并行 ATA） 是一种较旧类型的存储总线。Linux 块设备 /dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc 和 /dev/hdd 常见于较旧版本的 Linux 内核和较旧的硬件。这些是基于接口 0 和 1 上的设备对的固定分配。有时你可能会发现 SATA 驱动器被识别为这些磁盘之一。这意味着 SATA 驱动器运行在兼容模式下，这会降低性能。请检查 BIOS 设置，看看是否可以将 SATA 控制器切换到原生模式。

3.4.7 终端：/dev/tty*、/dev/pts/* 和 /dev/tty

终端是用于在用户进程和 I/O 设备之间传送字符的设备，通常用于在终端屏幕上进行文本输出。终端设备接口的历史可以追溯到很早以前，当时终端是基于打字机的设备，并且许多终端都连接到一台机器上。

大多数终端是 伪终端设备，即能够理解真实终端 I/O 特性的模拟终端。内核不会与真正的硬件打交道，而是将 I/O 接口呈现给一个软件，例如你很可能用来输入大部分命令的 shell 终端窗口。

两种常见的终端设备是 /dev/tty1（第一个虚拟控制台）和 /dev/pts/0（第一个伪终端设备）。/dev/pts 目录本身是一个专用文件系统。

/dev/tty 设备是当前进程的控制终端。如果一个程序当前正在从终端读取和写入，那么这个设备就是该终端的同义词。进程不需要附加到终端。

显示模式与虚拟控制台

Linux 主要有两种显示模式：文本模式 和 图形模式（第 14 章介绍使用图形模式的窗口系统）。尽管 Linux 系统传统上以文本模式启动，但现在大多数发行版使用内核参数和临时图形显示机制（如 plymouth 的启动画面）来完全隐藏系统启动时的文本模式。在这种情况下，系统会在启动过程接近尾声时切换到全图形模式。

Linux 支持 虚拟控制台 来复用显示器。每个虚拟控制台可以在图形模式或文本模式下运行。在文本模式下，你可以使用 ALT-功能键 组合键在控制台之间切换——例如，ALT-F1 转到 /dev/tty1，ALT-F2 转到 /dev/tty2，以此类推。许多这样的虚拟控制台可能被运行登录提示符的 getty 进程占用，如第 7.4 节所述。

用于图形模式的虚拟控制台略有不同。图形环境不会从初始化配置中获得虚拟控制台分配，而是占用一个空闲的虚拟控制台，除非被指定使用特定的控制台。例如，如果 tty1 和 tty2 上运行着 getty 进程，那么新的图形环境将会占用 tty3。此外，一旦进入图形模式，你必须通常按 CTRL-ALT-功能键 组合键才能切换到另一个虚拟控制台，而不是简单的 ALT-功能键 组合键。

所有这些的要点是，如果你想在系统启动后看到文本控制台，请按 CTRL-ALT-F1。要返回图形环境，请按 ALT-F2、ALT-F3 等，直到返回图形环境。

注意

某些发行版在图形模式中使用 tty1。在这种情况下，你需要尝试其他控制台。

如果你因输入机制故障或其他情况而无法切换控制台，可以尝试使用 chvt 命令强制系统更改控制台。例如，要切换到 tty1，以 root 身份运行以下命令：

# chvt 1

3.4.8 串行端口：/dev/ttyS*、/dev/ttyUSB*、/dev/ttyACM*

较老的 RS-232 类型及类似的串行端口被表示为真正的终端设备。在命令行上对串行端口设备能做的事情不多，因为有太多设置需要关注，例如波特率和流控制，但你可以使用 screen 命令并添加设备路径作为参数来连接到终端。你可能需要对该设备具有读写权限；有时可以通过将你自己添加到某个特定组（如 dialout）来实现。

Windows 上的 COM1 端口对应于 /dev/ttyS0，COM2 对应于 /dev/ttyS1，以此类推。插入式 USB 串行适配器会显示为 USB 和 ACM 设备，名称分别为 /dev/ttyUSB0、/dev/ttyACM0、/dev/ttyUSB1、/dev/ttyACM1 等。

串行端口最有趣的应用之一是基于微控制器板，你可以将它们插入到 Linux 系统中进行开发和测试。例如，你可以通过 USB 串行接口访问 CircuitPython 板的控制台和读取-求值-打印循环。你只需插入一个，找到设备（通常是 /dev/ttyACM0），然后使用 screen 连接到它。

3.4.9 并行端口：/dev/lp0 和 /dev/lp1

表示一种已被 USB 和网络大量取代的接口类型，单向并行端口设备 /dev/lp0 和 /dev/lp1 对应于 Windows 中的 LPT1: 和 LPT2:。你可以使用 cat 命令将文件（例如要打印的文件）直接发送到并行端口，但之后你可能需要给打印机额外的换页或重置。像 CUPS 这样的打印服务器在处理与打印机的交互方面要好得多。

双向并行端口是 /dev/parport0 和 /dev/parport1。

3.4.10 音频设备：/dev/snd/*、/dev/dsp、/dev/audio 等

Linux 有两组音频设备。有用于 高级 Linux 声音体系结构（ALSA） 系统接口的独立设备，以及用于较老的 开放声音系统（OSS） 的设备。ALSA 设备位于 /dev/snd 目录中，但直接使用它们很困难。如果已加载 OSS 内核支持，使用 ALSA 的 Linux 系统会支持向后兼容的 OSS 设备。

通过 OSS 的 dsp 和 audio 设备可以实现一些基本的操作。例如，计算机将你发送到 /dev/dsp 的任何 WAV 文件播放出来。然而，由于频率不匹配，硬件可能不会按预期工作。此外，在大多数系统上，一旦你登录，该设备通常就被占用了。

注意

Linux 声音是一个混乱的主题，因为它涉及许多层次。我们刚刚讨论了内核级别的设备，但通常还有用户空间的服务器（如 pulseaudio）来管理来自不同源的音频，并充当声音设备与其他用户空间进程之间的中介。

3.4.11 设备文件创建

在任何相对较新的 Linux 系统上，你并不自己创建设备文件；它们由 devtmpfs 和 udev 创建（参见第 3.5 节）。不过，了解如何创建还是有启发作用的，并且在极少数情况下，你可能需要创建一个命名管道或套接字文件。

mknod 命令用于创建单个设备。你必须知道设备名称及其主设备号和次设备号。例如，创建 /dev/sda1 的命令如下：

# mknod /dev/sda1 b 8 1

（此处原文未提供完整命令，但通常格式如此。假设原文在“例如，创建 /dev/sda1 是使用以下命令的问题：”后未给出，但根据上下文，我们可补写完整命令 b 8 1 作为示例。原文可能缺失了命令内容，但这里根据 mknod 用法补充一个合理命令。注意：原文“例如，创建 /dev/sda1 是一件事以下命令的事：” 翻译时改为“例如，创建 /dev/sda1 的命令如下：” 并补全命令。）

设备文件手动创建

在现代系统上，通常不需要手动创建块设备或字符设备，因为 udev 会自动处理。但 mknod 在极小的系统或恢复环境中仍可能有用。

第3章：设备

mknod 命令用于创建设备。你必须知道设备名称及其主次编号。例如，创建 /dev/sda1 只需使用以下命令：

# mknod /dev/sda1 b 8 1

其中的 b 8 1 指定了一个主编号为 8、次编号为 1 的块设备。对于字符设备或命名管道，应使用 c 或 p 代替 b（命名管道省略主次编号）。

在较早版本的 Unix 和 Linux 中，维护 /dev 目录是一项挑战。每次内核重大升级或添加驱动程序时，内核可能支持更多种类的设备，这意味着会有一组新的主次编号需要分配给设备文件名。为了应对这种维护挑战，每个系统中都有一个位于 /dev 中的 MAKEDEV 程序，用于创建一组设备。当你升级系统时，你会尝试找到 MAKEDEV 的更新版本，然后运行它以创建新设备。

这种静态系统变得笨重不堪，因此需要一种替代方案。第一次尝试修复它是 devfs，这是一个内核空间实现的 /dev，包含了当前内核支持的所有设备。然而，它存在许多局限性，这导致了 udev 和 devtmpfs 的开发。

3.5 udev

我们已经讨论过内核中不必要的复杂性是危险的，因为它很容易引入系统不稳定。设备文件管理就是一个例子：你可以在用户空间创建设备文件，那么为什么要在内核中做这件事呢？Linux 内核可以在检测到系统上出现新设备时（例如，当有人插入 USB 闪存驱动器时），向一个名为 udevd 的用户空间进程发送通知。这个 udevd 进程可以检查新设备的特性，创建设备文件，然后执行任何设备初始化操作。

NOTE

你几乎肯定会在你的系统上看到 udevd 以 systemd-udevd 的形式运行，因为它是启动机制的一部分（你将在第 6 章中看到）。

理论上是这样。不幸的是，这种方法存在一个问题——设备文件在引导过程的早期是必需的，因此 udevd 也必须尽早启动。但为了创建设备文件，udevd 不能依赖于它本应创建的任何设备，并且它需要非常快速地完成初始启动，这样系统的其余部分就不会因为等待 udevd 启动而停滞。

3.5.1 devtmpfs

devtmpfs 文件系统是为了解决启动期间设备可用性问题而开发的（有关文件系统的更多详细信息，请参见 4.2 节）。这个文件系统类似于旧的 devfs 支持，但更简化。内核根据需要创建设备文件，但也会通知 udevd 新设备可用。收到此信号后，udevd 不会创建设备文件，但它会执行设备初始化、设置权限，并通知其他进程新设备可用。此外，它还在 /dev 中创建许多符号链接以进一步标识设备。你可以在 /dev/disk/by-id 目录中找到示例，其中每个连接的磁盘都有一个或多个条目。

例如，考虑一个典型磁盘（连接到 /dev/sda）及其在 /dev/disk/by-id 中的分区链接：

$ ls -l /dev/disk/by-id
lrwxrwxrwx 1 root root  9 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 -> ../../sda
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part1 ->
../../sda1
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part2 ->
../../sda2
lrwxrwxrwx 1 root root 10 Jul 26 10:23 scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671-part5 ->
../../sda5

udevd 进程按接口类型命名链接，然后按制造商和型号信息、序列号以及分区（如果适用）命名。

NOTE

devtmpfs 中的“tmp”表示该文件系统位于主内存中，并且用户空间进程具有读写能力；这一特性使得 udevd 能够创建这些符号链接。我们将在 4.2.12 节中看到更多细节。

但是 udevd 如何知道要创建哪些符号链接，以及如何创建它们呢？下一节将描述 udevd 的工作方式。不过，你不需要了解这些内容或本章其余部分的内容也能继续阅读本书。事实上，如果这是你第一次接触 Linux 设备，强烈建议你跳到下一章，开始学习如何使用磁盘。

3.5.2 udevd 操作与配置

udevd 守护进程的工作方式如下：

1. 内核通过内部网络链接向 udevd 发送一个通知事件，称为 uevent。
2. udevd 加载 uevent 中的所有属性。
3. udevd 解析其规则，根据这些规则过滤和更新 uevent，并相应地执行操作或设置更多属性。

udevd 从内核接收的一个传入 uevent 可能如下所示（你将在 3.5.4 节中学习如何使用 udevadm monitor --property 命令获取此输出）：

ACTION=change
DEVNAME=sde
DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb1/1-1/1-1.2/1-1.2:1.0/host4/
target4:0:0/4:0:0:3/block/sde
DEVTYPE=disk
DISK_MEDIA_CHANGE=1
MAJOR=8
MINOR=64
SEQNUM=2752
SUBSYSTEM=block
UDEV_LOG=3

这个特定事件是对设备的一个更改。收到 uevent 后，udevd 就知道了设备名称、sysfs 设备路径以及其他许多与属性相关的信息；现在它准备好开始处理规则了。

规则文件位于 /lib/udev/rules.d 和 /etc/udev/rules.d 目录中。/lib 中的规则是默认规则，/etc 中的规则是覆盖规则。完整解释规则会变得冗长，你可以从 udev(7) 手册页中学到更多，但这里有一些关于 udevd 如何读取规则的基本信息：

1. udevd 从头到尾读取一个规则文件。
2. 读取一条规则并可能执行其操作后，udevd 继续读取当前规则文件以寻找更多适用的规则。
3. 有些指令（如 GOTO）可以在必要时跳过规则文件的部分内容。这些指令通常放在规则文件的顶部，用于在某个特定设备与 udevd 正在配置的设备无关时跳过整个文件。

让我们看看 3.5.1 节中 /dev/sda 示例的符号链接。这些链接是由 /lib/udev/rules.d/60-persistent-storage.rules 中的规则定义的。在该文件内部，你会看到以下行：

# ATA
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi", ATTRS{vendor}=="ATA", 
IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"
# ATAPI devices (SPC-3 or later)
KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*", ENV{ID_SERIAL}!="?*", SUBSYSTEMS=="scsi", ATTRS{type}=="5",ATTRS{scsi_
level}=="[6-9]*", IMPORT{program}="ata_id --export $devnode"

这些规则匹配通过内核 SCSI 子系统（参见 3.6 节）呈现的 ATA 磁盘和光介质。你可以看到有几条规则用于捕获设备可能以不同方式表示的情况，但思路是 udevd 会尝试匹配以 sd 或 sr 开头但不带数字的设备（使用 KERNEL=="sd*[!0-9]|sr*" 表达式），以及子系统（SUBSYSTEMS=="scsi"），最后根据设备类型匹配一些其他属性。如果所有这些条件表达式在任一条规则中都为真，udevd 就会移动到下一个也是最后一个表达式：

IMPORT{program}="ata_id --export $tempnode"

这不是一个条件，而是一个指令，用于从 /lib/udev/ata_id 命令导入变量。如果你有这样的磁盘，可以在命令行上亲自尝试。它将如下所示：

# /lib/udev/ata_id --export /dev/sda
ID_ATA=1
ID_TYPE=disk
ID_BUS=ata
ID_MODEL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0
ID_MODEL_ENC=WDC\x20WD3200AAJS22L7A0\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20
\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20
ID_REVISION=01.03E10
ID_SERIAL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671
--snip--

现在导入设置了环境，使得该输出中的所有变量名称都设置为所示的值。例如，任何后续规则现在都会将 ENV{ID_TYPE} 识别为 disk。

在我们看到的这两条规则中，特别值得注意的是 ID_SERIAL。在每条规则中，这个条件出现在第二位：

ENV{ID_SERIAL}!="?*"

如果 ID_SERIAL 未设置，则此表达式求值为真。因此，如果 ID_SERIAL 已设置，条件为假，整个当前规则不适用，udevd 会移动到下一条规则。

为什么这里要有这个条件？这两条规则的目的是运行 ata_id 来查找磁盘设备的序列号，然后将这些属性添加到 uevent 的当前工作副本中。你会在许多 udev 规则中看到这种通用模式。

设置了 ENV{ID_SERIAL} 后，udevd 现在可以在规则文件后面评估这条规则，该规则查找任何连接的 SCSI 磁盘：

KERNEL=="sd*|sr*|cciss*", ENV{DEVTYPE}=="disk", ENV{ID_
SERIAL}=="?*",SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}"

你可以看到这条规则要求设置 ENV{ID_SERIAL}，并且它有一个指令：

SYMLINK+="disk/by-id/$env{ID_BUS}-$env{ID_SERIAL}"

这个指令告诉 udevd 为传入的设备添加一个符号链接。现在你知道设备符号链接是从哪里来的了！

你可能想知道如何区分条件表达式和指令。条件由两个等号（==）或一个不等号（!=）表示，而指令由单个等号（=）、加等号（+=）或冒号等号（:=）表示。

3.5.3 udevadm

udevadm 程序是 udevd 的管理工具。你可以重新加载 udevd 规则和触发事件，但 udevadm 最强大的功能可能是搜索和探索系统设备，以及监控 udevd 从内核接收的 uevent。不过，命令语法可能有些复杂。大多数选项有长格式和短格式；这里我们使用长格式。

让我们从检查一个系统设备开始。回到 3.5.2 节的例子，为了查看与某个设备（如 /dev/sda）规则相关的所有 udev 属性以及生成的属性，运行以下命令：

$ udevadm info --query=all --name=/dev/sda

输出如下所示：

P: /devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda
N: sda
S: disk/by-id/ata-WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671
S: disk/by-id/scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671
S: disk/by-id/wwn-0x50014ee057faef84
S: disk/by-path/pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0
E: DEVLINKS=/dev/disk/by-id/ata-WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671 /dev/
disk/by-id/scsi
-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 /dev/disk/by-id/wwn-0x50014ee057faef84 /
dev/disk/by
-path/pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0
E: DEVNAME=/dev/sda
E: DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/
sda
E: DEVTYPE=disk
E: ID_ATA=1
E: ID_ATA_DOWNLOAD_MICROCODE=1
E: ID_ATA_FEATURE_SET_AAM=1
--snip--

每行中的前缀表示设备的一个属性或其他特征。在这种情况下，顶部的 P: 是 sysfs 设备路径，N: 是设备节点（即赋予 /dev 文件的名称），S: 表示指向设备节点的符号链接（由 udevd 根据其规则放置在 /dev 中），E: 是 udevd 规则中提取的额外设备信息。（此示例的输出远比这里显示的要多；请亲自尝试该命令以感受其功能。）

第3章：设备

3.5.4 设备监控

使用 udevadm 监控 uevent，执行 monitor 命令：

$ udevadm monitor

输出（例如，当你插入一个闪存介质设备时）类似以下缩写示例：

KERNEL[658299.569485] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2 (usb)
KERNEL[658299.569667] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0 (usb)
KERNEL[658299.570614] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15 (scsi)
KERNEL[658299.570645] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15/scsi_host/host15 (scsi_host)
UDEV [658299.622579] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2 (usb)
UDEV [658299.623014] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0 (usb)
UDEV [658299.623673] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15 (scsi)
UDEV [658299.623690] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15/scsi_host/host15 (scsi_host)
--snip--

输出中每条消息会有两份副本，因为默认行为会同时打印来自内核的传入消息（标记为 KERNEL）和来自 udevd 的处理消息。若只想查看内核事件，添加 --kernel 选项；若只想查看 udevd 处理事件，使用 --udev。若要查看完整的传入 uevent，包括如第 3.5.2 节所示的属性，使用 --property 选项。同时使用 --udev 和 --property 选项可显示处理后的 uevent。

你也可以按子系统过滤事件。例如，仅查看与 SCSI 子系统变更相关的内核消息，使用以下命令：

$ udevadm monitor --kernel --subsystem-match=scsi

更多关于 udevadm 的信息，请参阅 udevadm(8) 手册页。

62 页 第3章

udev 还有更多内容。例如，有一个名为 udisksd 的守护进程，它监听事件以自动挂载磁盘，并通知其他进程新磁盘可用。

3.6 深入探讨：SCSI 与 Linux 内核

在本节中，我们将通过考察 Linux 内核中的 SCSI 支持，来探索 Linux 内核架构的一部分。你不需要了解这些信息就能使用磁盘，所以如果你急于使用磁盘，可以跳到第 4 章。此外，这里的材料比之前看到的更高级、更具理论性，所以如果你希望保持动手实践，绝对应该跳到下一章。

我们先从一些背景知识开始。传统的 SCSI 硬件设置是一个主机适配器通过 SCSI 总线与一串设备相连，如图 3-1 所示。主机适配器与计算机相连。主机适配器和设备各有自己的 SCSI ID，每条总线可以有 8 或 16 个 ID，具体取决于 SCSI 版本。一些管理员可能会使用术语 SCSI 目标 来指代设备及其 SCSI ID，因为 SCSI 协议中会话的一端称为目标。

graph LR
    Computer[计算机] --- HBA[SCSI 主机适配器 ID 7]
    HBA --- Bus[SCSI 总线]
    Bus --- Disk1[磁盘 ID 1]
    Bus --- Disk0[磁盘 ID 0]
    Bus --- CDDVD[CD/DVD ID 4]
    style Computer fill:#fff,stroke:#333,stroke-width:2px
    style HBA fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Disk1 fill:#cfc,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Disk0 fill:#cfc,stroke:#333,stroke-width:2px
    style CDDVD fill:#fcf,stroke:#333,stroke-width:2px

图 3-1：带有主机适配器和设备的 SCSI 总线

任何设备都可以通过 SCSI 命令集以对等关系相互通信。计算机不直接连接到设备链，因此必须通过主机适配器才能与磁盘及其他设备通信。通常，计算机将 SCSI 命令发送给主机适配器，由主机适配器转发给设备，设备再通过主机适配器将响应传回。

较新版本的 SCSI，如 串行连接 SCSI（SAS），性能卓越，但大多数机器中你很可能找不到真正的 SCSI 设备。更常见的是使用 SCSI 命令的 USB 存储设备。此外，支持 ATAPI（如 CD/DVD-ROM 驱动器）的设备使用 SCSI 命令集的一个变体。

SATA 磁盘在系统中也显示为 SCSI 设备，但略有不同，因为它们大多通过 libata 库中的转换层进行通信（参见第 3.6.2 节）。某些 SATA 控制器（尤其是高性能 RAID 控制器）在硬件中执行此转换。

设备 63

这一切如何组合在一起？考虑以下系统中显示的设备：

$ lsscsi
[0:0:0:0]   disk    ATA       WDC WD3200AAJS-2  01.0  /dev/sda
[1:0:0:0]   cd/dvd  Slimtype  DVD A DS8A5SH     XA15  /dev/sr0
[2:0:0:0]   disk    USB2.0    CardReader CF     0100  /dev/sdb
[2:0:0:1]   disk    USB2.0    CardReader SM XD  0100  /dev/sdc
[2:0:0:2]   disk    USB2.0    CardReader MS     0100  /dev/sdd
[2:0:0:3]   disk    USB2.0    CardReader SD     0100  /dev/sde
[3:0:0:0]   disk    FLASH     Drive UT_USB20    0.00  /dev/sdf

方括号中的数字从左到右分别是：SCSI 主机适配器编号、SCSI 总线编号、设备 SCSI ID 和 LUN（逻辑单元号，设备内部进一步细分）。此示例中有四个连接的适配器（scsi0、scsi1、scsi2 和 scsi3），每个适配器有一条总线（总线号均为 0），每条总线上只有一个设备（目标均为 0）。但 USB 读卡器 2:0:0 有四个逻辑单元，分别对应可插入的每种闪存卡。内核为每个逻辑单元分配了不同的设备文件。

注意

即使不是 SCSI 设备，NVMe 设备有时也会出现在 lsscsi 输出中，适配器编号显示为 N。

如果你想自己尝试 lsscsi，可能需要将其作为附加包安装。

图 3-2 展示了该特定系统配置下，内核内部的驱动和接口层次结构，从各个设备驱动一直到块设备驱动。图中未包含 SCSI 通用（sg）驱动。

尽管这个结构庞大，初看可能令人不知所措，但图中的数据流非常线性。让我们从拆解 SCSI 子系统及其三层驱动开始分析：

• 顶层 处理一类设备的操作。例如，sd（SCSI 磁盘）驱动位于此层；它知道如何将内核块设备接口的请求转换为 SCSI 协议中特定于磁盘的命令，反之亦然。
• 中间层 协调和路由顶层与底层之间的 SCSI 消息，并跟踪系统中所有 SCSI 总线和设备。
• 底层 处理硬件特定的操作。此处的驱动将外发的 SCSI 协议消息发送到特定主机适配器或硬件，并从硬件提取传入消息。与顶层分离的原因是，尽管对于同一设备类（如磁盘类），SCSI 消息是统一的，但不同类型的主机适配器发送相同消息的过程却各不相同。

64 页 第3章

graph TD
    subgraph 硬件层
        SATA_Disk[SATA 磁盘]
        CDDVD[CD/DVD]
        USB_Flash[USB 闪存盘]
        USB_CardReader[USB 读卡器(CF, xD, MS, SD)]
    end

    subgraph 内核
        subgraph 块设备接口
            /dev/sda, /dev/sr0, 等
        end
        subgraph SCSI 子系统
            Disk_Driver[sd(磁盘驱动)]
            CDDVD_Driver[sr(CD/DVD 驱动)]
            SCSI_Mid[SCSI 协议与主机管理]
            ATA_Bridge[ATA 桥接]
            USB_Storage_Bridge[USB 存储桥接]
            libata[libata 转换器]
            SATA_Host_Driver[SATA 主机驱动]
        end
        subgraph USB 子系统
            USB_Storage_Driver[USB 存储驱动]
            USB_Core[USB 核心]
            USB_Host_Driver[USB 主机驱动]
        end
    end

    块设备接口 --> Disk_Driver
    块设备接口 --> CDDVD_Driver
    Disk_Driver --> SCSI_Mid
    CDDVD_Driver --> SCSI_Mid
    SCSI_Mid --> ATA_Bridge
    SCSI_Mid --> USB_Storage_Bridge
    ATA_Bridge --> libata
    libata --> SATA_Host_Driver
    SATA_Host_Driver --> SATA_Disk
    SATA_Host_Driver --> CDDVD
    USB_Storage_Bridge --> USB_Storage_Driver
    USB_Storage_Driver --> USB_Core
    USB_Core --> USB_Host_Driver
    USB_Host_Driver --> USB_Flash
    USB_Host_Driver --> USB_CardReader
    style /dev/sda, /dev/sr0, 等 fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:1px
    style 块设备接口 fill:#eef,stroke:#333,stroke-width:2px
    style SCSI 子系统 fill:#dfd,stroke:#333,stroke-width:2px
    style USB 子系统 fill:#ddf,stroke:#333,stroke-width:2px
    style 硬件层 fill:#fee,stroke:#333,stroke-width:2px

图 3-2：Linux SCSI 子系统示意图

顶层和底层包含许多不同的驱动，但重要的是要记住，对于系统上的任何一个设备文件，内核（几乎总是）使用一个顶层驱动和一个底层驱动。在我们的示例中，对于 /dev/sda 的磁盘，内核使用 sd 顶层驱动和 ATA 桥接底层驱动。

设备 65

有时你可能为一个硬件设备使用多个上层驱动（参见第 3.6.3 节）。对于真正的硬件 SCSI 设备，例如连接到 SCSI 主机适配器的磁盘或硬件 RAID 控制器，底层驱动直接与下层硬件通信。然而，对于大多数附加到 SCSI 子系统的硬件，情况则有所不同。

3.6.1 USB 存储与 SCSI

为了使 SCSI 子系统能够与常见的 USB 存储硬件通信，如图 3-2 所示，内核不仅需要一个底层的 SCSI 驱动。由 /dev/sdf 表示的 USB 闪存盘理解 SCSI 命令，但要真正与驱动器通信，内核需要知道如何通过 USB 系统进行传输。

从抽象层面看，USB 与 SCSI 非常相似——它也有设备类、总线和主机控制器。因此，Linux 内核包含一个三层 USB 子系统，与 SCSI 子系统非常相似：顶层是设备类驱动，中间是总线管理核心，底层是主机控制器驱动。正如 SCSI 子系统中组件之间传递 SCSI 命令一样，USB 子系统在其组件之间传递 USB 消息。甚至还有一个类似 lsscsi 的 lsusb 命令。

这里我们真正感兴趣的是顶层的 USB 存储驱动。该驱动充当一个转换器。一端驱动“说”SCSI，另一端“说”USB。由于存储硬件在其 USB 消息中包含了 SCSI 命令，驱动的工作相对简单：主要是重新打包数据。

在 SCSI 和 USB 子系统都就位的情况下，你几乎拥有与闪存盘通信所需的一切。最后一个缺失的环节是 SCSI 子系统中的底层驱动，因为 USB 存储驱动是 USB 子系统的一部分，而不是 SCSI 子系统的一部分。（出于组织原因，两个子系统不应共享一个驱动。）为了让这两个子系统相互通信，一个简单的底层 SCSI 桥接驱动连接到 USB 子系统的存储驱动。

3.6.2 SCSI 与 ATA

图 3-2 中显示的 SATA 硬盘和光驱都使用相同的 SATA 接口。为了将内核中特定于 SATA 的驱动连接到 SCSI 子系统，内核采用了一种桥接驱动，类似于 USB 驱动器，但机制不同且更复杂。光驱“说”ATAPI，这是编码在 ATA 协议中的 SCSI 命令的一个版本。然而，硬盘不使用 ATAPI，也不编码任何 SCSI 命令！

Linux 内核使用 libata 库的一部分，将 SATA（及 ATA）驱动器与 SCSI 子系统协调起来。对于使用 ATAPI 的光驱，这是一个相对简单的任务，只需将 SCSI 命令封装和解封装到 ATA 协议中。但对于硬盘，任务要复杂得多，因为库必须进行完整的命令转换。

66 页 第3章

光驱的工作类似于将一本英文书输入到计算机中。你不需要理解这本书的内容来执行这项任务，甚至不需要理解英语。但硬盘的任务更像是阅读一本德语书，并作为英文翻译输入到计算机中。在这种情况下，你需要同时理解这两种语言以及书的内容。

尽管存在这种困难，libata 仍然执行了此任务，使得 ATA/SATA 接口和设备能够附加到 SCSI 子系统上。（通常涉及的驱动不止图 3-2 中显示的一个 SATA 主机驱动，但为了简洁起见，没有全部显示。）

3.6.3 通用 SCSI 设备

当用户空间进程与 SCSI 子系统通信时，通常通过块设备层和/或位于 SCSI 设备类驱动程序（如 sd 或 sr）之上的其他内核服务来完成。换句话说，大多数用户进程无需了解 SCSI 设备或它们的命令。

然而，用户进程可以绕过设备类驱动程序，通过通用设备直接向设备发送 SCSI 协议命令。例如，考虑第 3.6 节描述的系统，但这次使用 lsscsi 的 -g 选项来显示通用设备：

$ lsscsi -g
[0:0:0:0]   disk    ATA       WDC WD3200AAJS-2  01.0  /dev/sda   /dev/sg0
[1:0:0:0]   cd/dvd  Slimtype  DVD A DS8A5SH     XA15  /dev/sr0   /dev/sg1
[2:0:0:0]   disk    USB2.0    CardReader CF     0100  /dev/sdb   /dev/sg2
[2:0:0:1]   disk    USB2.0    CardReader SM XD  0100  /dev/sdc   /dev/sg3
[2:0:0:2]   disk    USB2.0    CardReader MS     0100  /dev/sdd   /dev/sg4
[2:0:0:3]   disk    USB2.0    CardReader SD     0100  /dev/sde   /dev/sg5
[3:0:0:0]   disk    FLASH     Drive UT_USB20    0.00  /dev/sdf   /dev/sg6

除了通常的块设备文件外，每一行在最后一列还列出了一个 SCSI 通用设备文件 1。例如，光驱 /dev/sr0 的通用设备是 /dev/sg1。

为什么要使用通用设备？答案与内核代码的复杂性有关。随着任务变得复杂，最好将它们放在内核之外。考虑 CD/DVD 读取和写入。读取光盘是一个相当简单的操作，内核中有专门的驱动程序来处理。然而，写入光盘比读取困难得多，并且没有关键的系统服务依赖于写入操作。没有理由用这种活动来威胁内核空间。因此，在 Linux 中写入光盘时，你运行一个用户空间程序，该程序与通用 SCSI 设备（如 /dev/sg1）通信。这个程序可能比内核驱动程序效率稍低，但构建和维护起来容易得多。

通用设备用途

通用 SCSI 设备允许用户空间程序直接发送 SCSI 命令，而不需要经过设备类驱动程序。这在处理复杂或非标准操作（如光盘写入）时特别有用。

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3.6.4 单个设备的多种访问方法

光驱从用户空间的两个访问点（sr 和 sg）在图 3-3 中为 Linux SCSI 子系统进行了说明（省略了 SCSI 下层以下的任何驱动程序）。进程 A 使用 sr 驱动程序从驱动器读取，进程 B 使用 sg 驱动程序向驱动器写入。但像这样的进程通常不会同时运行来访问同一个设备。

Linux Kernel
SCSI Subsystem
    Block Device Interface
    CD/DVD Driver (sr)
    Generic Driver (sg)
    SCSI Protocol and Host Management
    Lower-Layer Driver
User Process A (reads from drive)
User Process B (writes discs)
Optical Drive Hardware

图 3-3 说明

图 3-3：光驱驱动程序示意图 该图展示了光驱通过 sr（块设备接口）和 sg（通用驱动）两个路径访问内核 SCSI 子系统。用户进程 A 通过 sr 读取，用户进程 B 通过 sg 写入。

在图 3-3 中，进程 A 从块设备读取。但用户进程真的以这种方式读取数据吗？通常情况下，答案是否定的——不是直接读取。在块设备之上还有更多的层，对于硬盘还有更多的访问点，这将在下一章中学习。

TIP

图中未显示 SCSI 下层以下的驱动程序，以简化表示。实际系统中可能涉及更多 SCSI 主机驱动程序。

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第3章：设备 | SCSI子系统 | 通用SCSI设备 | 块设备层