設(shè)備文件系統(tǒng)devfs詳解

介紹 devfs

設(shè)備，到處都是設(shè)備

Devfs，也叫設(shè)備文件系統(tǒng)（Device Filesystem），設(shè)計(jì)它的唯一目的就是提供一個(gè)新的（更理性的）方式管理通常位于 /dev 的所有塊設(shè)備和字符設(shè)備。您也許知道，典型的 /dev 樹包含數(shù)百個(gè)塊特殊文件和字符特殊文件，它們?nèi)荚诟募到y(tǒng)上。每個(gè)特殊文件都可以讓用戶空間進(jìn)程輕松地與內(nèi)核設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互。舉例來說，通過對(duì)這些特殊文件執(zhí)行操作，您的 X 服務(wù)器就能夠訪問視頻硬件， fsck 可以執(zhí)行文件系統(tǒng)檢驗(yàn)， lpd 可以通過并行端口向打印機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

實(shí)際上，通常 Linux 和 Unix 更“酷”的方面是，設(shè)備不是簡(jiǎn)單地隱藏在晦澀的 API 之后，而是真正地與普通文件、目錄和符號(hào)鏈接一樣存在于文件系統(tǒng)上。因?yàn)樽址蛪K設(shè)備是映射到普通文件系統(tǒng)名稱空間的，我們通?？梢杂糜幸饬x的方式來與硬件交互，可以僅使用標(biāo)準(zhǔn) Unix 命令，如 cat 和 dd。除了有趣之外，這還使我們有更強(qiáng)的能力，并提高生產(chǎn)力。

設(shè)備管理問題

然而，雖然設(shè)備特殊文件本身是一件好事情，但典型的 Linux 系統(tǒng)以一種不太理想而且麻煩的方式管理這些特殊文件。 如今，Linux 支持 很多不同種類的硬件。這意味著嚴(yán)格意義上我們中絕大多數(shù)在 /dev 中都有數(shù)百個(gè)特殊文件來表示所有這些設(shè)備。還不止這樣，這些特殊文件中大多數(shù)甚至不會(huì)映射到系統(tǒng)中存在的設(shè)備上（但需要它們存在，只是考慮到我們最終會(huì)在系統(tǒng)中添加新的硬件／驅(qū)動(dòng)器），這讓事情變得更令人困惑。

僅從這個(gè)方面來看，我們就知道 /dev 需要徹底檢修，而創(chuàng)建 devfs 的明確目的就是讓 /dev 變回原形。為了很好地理解 devfs 是怎樣解決絕大多數(shù) /dev 管理問題的，我們從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的角度來看看 devfs。

設(shè)備管理內(nèi)幕

為了很好地理解 devfs ，最好是先理解從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的角度來看 devfs 是怎樣改變事物的。傳統(tǒng)地（不使用 devfs），根據(jù)是否注冊(cè)在 塊設(shè)備或 字符設(shè)備，基于內(nèi)核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過調(diào)用 register_blkdev()或 register_chrdev() 向系統(tǒng)的其余部分注冊(cè)設(shè)備。

您必須提供一個(gè) 主設(shè)備號(hào)（一個(gè)無符號(hào) 8 位整數(shù)）作為 register_blkdev()或 register_chrdev() 的參數(shù)；然后，在設(shè)備注冊(cè)之后，內(nèi)核就會(huì)知道這個(gè)特定的主設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)于執(zhí)行 register_--?dev()調(diào)用的特定設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

那么，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員為調(diào)用 register_--?dev() 提供的主設(shè)備號(hào) 應(yīng)該是什么呢？如果開發(fā)人員不打算將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外界共享，那么什么號(hào)碼都可以，只要它與當(dāng)前內(nèi)核使用的其它主設(shè)備號(hào)都不沖突即可。開發(fā)人員還可以選擇動(dòng)態(tài)地分配 register_--?dev() 調(diào)用的設(shè)備的主設(shè)備號(hào)。然而，這樣的解決方案通常只是在驅(qū)動(dòng)程序不會(huì)被其它人使用的情況下可行。

獲取號(hào)碼

然而，如果開發(fā)人員想讓驅(qū)動(dòng)程序與外界共享（大多數(shù) Linux 開發(fā)人員常常采用這一方法），那么僅僅從“真空”中抽一個(gè)主設(shè)備號(hào)或者使用動(dòng)態(tài)的主設(shè)備號(hào)分配就不行了。相反，開發(fā)人員必須聯(lián)系 Linux 內(nèi)核開發(fā)人員，這樣他（她）的特定的設(shè)備才能分配一個(gè)“正式”主設(shè)備號(hào)。那么，在整個(gè) Linux 世界中，這個(gè)特定的設(shè)備（也 只有這個(gè)設(shè)備）才會(huì)被關(guān)聯(lián)到那個(gè)特定的主設(shè)備號(hào)。

有一個(gè)“正式的”主設(shè)備號(hào)很重要，因?yàn)橐c特定的設(shè)備交互，管理員必須在 /dev 創(chuàng)建一個(gè)特殊文件。當(dāng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)（特殊文件）創(chuàng)建后，它使用的主設(shè)備號(hào)必須同內(nèi)核內(nèi)部使用的完全相同。這樣，進(jìn)程對(duì)設(shè)備執(zhí)行操作時(shí)，內(nèi)核就會(huì)知道應(yīng)該引用什么設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。讓特殊文件到內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的映射成為可能的是主設(shè)備號(hào)，而不是真實(shí)的設(shè)備名稱（它和非 devfs 系統(tǒng)無關(guān)）。

一旦設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具備正式主設(shè)備號(hào)，設(shè)備就可以被公開使用了，設(shè)備節(jié)點(diǎn)也就可以開始并入不同分發(fā)版的 /dev 樹，還有它們的正式 /dev/MAKEDEV 腳本（用來幫助超級(jí)用戶用正確的主從設(shè)備號(hào)、權(quán)限和所有權(quán)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)的特殊腳本）中。

傳統(tǒng)的問題

不幸的是，這種方法有很多可伸縮性問題。不僅設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員聯(lián)系內(nèi)核開發(fā)人員來獲取正式主設(shè)備號(hào)是一件討厭的事，內(nèi)核開發(fā)人員弄清他們?cè)鯓臃峙渌羞@些主設(shè)備號(hào)甚至更加惱人。這種任務(wù)在很多方面很象系統(tǒng)管理員跟蹤公司局域網(wǎng)靜態(tài) IP 地址分配的工作 ― 這并不十分有趣。正如系統(tǒng)管理員可以利用 DHCP 來緩解這種管理負(fù)擔(dān)，如果設(shè)備注冊(cè)有某種類似的方法就好了。

不只是這樣，Linux 還正在耗盡主設(shè)備號(hào)和副號(hào)碼。雖然這種問題可以通過簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展主設(shè)備號(hào)和副號(hào)碼使用的位數(shù)，首先維護(hù)這些主設(shè)備號(hào)映射就很討厭了，所以我們又在考慮有沒有更好的方法來處理這些事情。幸運(yùn)的是，有這樣的方法；進(jìn)入 devfs。

進(jìn)入 devfs

devfs_register()

這里是對(duì) devfs 如何一下子處理事情和解決這些問題的一個(gè)簡(jiǎn)單明了的快速綱要。一旦 devfs 被正確配置（包括在內(nèi)核添加 devfs 支持和對(duì)啟動(dòng)腳本進(jìn)行一些稍復(fù)雜的更改），超級(jí)用戶重新啟動(dòng)系統(tǒng)。然后內(nèi)核開始啟動(dòng)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開始向系統(tǒng)的剩余部分注冊(cè)設(shè)備。您會(huì)記起在非 devfs 系統(tǒng)上， register_blkdev()和 register_chrdev() 調(diào)用（連同提供的主設(shè)備號(hào)）正是用于這一目的。然而，現(xiàn)在啟用了 devfs，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是用一種新的、改進(jìn)了的內(nèi)核調(diào)用來注冊(cè)設(shè)備，稱為 devfs_register()。

這里是 devfs_register() 調(diào)用有趣的地方。雖然為了兼容性目的指定主設(shè)備號(hào)和副號(hào)碼作為參數(shù)是可能的，但不再需要這樣了。相反， devfs_register()調(diào)用接受 設(shè)備路徑（就是它在 /dev 下可能的出現(xiàn)形式）作為參數(shù)。舉例來說，假設(shè) foo 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序希望使用 devfs 注冊(cè)設(shè)備。它會(huì)提供一個(gè) foo0 的參數(shù)給 devfs_register()，從而告訴內(nèi)核應(yīng)該在 devfs 名稱空間的根目錄創(chuàng)建一個(gè)新的 foo0 設(shè)備。相應(yīng)的， devfs_register() 在 devfs 名稱空間的根目錄添加 foo0設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并記錄這個(gè)新的 foo0 節(jié)點(diǎn)應(yīng)該映射到內(nèi)核中的 foo設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

運(yùn)行的 Devfs

一旦所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)并向內(nèi)核注冊(cè)適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，內(nèi)核就啟動(dòng) /sbin/init 和系統(tǒng)初始化腳本開始執(zhí)行。在啟動(dòng)過程初期（在文件系統(tǒng)檢查前），rc 腳本將 devfs 文件系統(tǒng)安裝在 /dev 中，/dev 包含了 devfs 名稱空間的表達(dá)。這意味著在安裝 /dev 后，所有注冊(cè)的設(shè)備（如上面的 /dev/foo0）都可以訪問，就象在非 devfs 上一樣。當(dāng)它們被訪問時(shí)，內(nèi)核 通過 devfs 設(shè)備名稱映射到合適的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而不是通過主設(shè)備號(hào)。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，所有需要的設(shè)備節(jié)點(diǎn)（沒有別的了）都由內(nèi)核自動(dòng)創(chuàng)建。這不僅僅意味著不再需要 MAKEDEV（因?yàn)樗凶?cè)的設(shè)備都只“出現(xiàn)”在 /dev 中），還意味著 /dev 不再被成百個(gè)“無用的”設(shè)備節(jié)點(diǎn)所充斥。實(shí)際上，使用 devfs，您可以只要查看 /dev 就知道系統(tǒng)上有什么設(shè)備。所以，如果您有一臺(tái)支持熱插拔的膝上型電腦，這意味著您甚至可以在您從系統(tǒng)中插入和拔出 PC 卡時(shí)魔術(shù)般地讓設(shè)備從 /dev 中出現(xiàn)和消失。這讓 devfs 成為對(duì)以前笨拙局面的一個(gè)非常徹底和實(shí)用的解決方案。

devfs 的優(yōu)點(diǎn)

Devfs 讓很多事變得容易許多。請(qǐng)考慮一下創(chuàng)建一張 Linux 可引導(dǎo)光盤的問題，它包括一個(gè)位于 CD 上的引導(dǎo)裝載器、一個(gè) initrd、一個(gè)內(nèi)核和一個(gè)回送文件系統(tǒng)。當(dāng) CD 引導(dǎo)時(shí)，引導(dǎo)裝載器裝載內(nèi)核和 initrd，然后內(nèi)核執(zhí)行 initrd 上的 /linuxrc腳本。 /linuxrc 的主要任務(wù)是安裝 CD，從而使回送文件系統(tǒng)本身也可以被安裝和訪問。

沒有 devfs， linuxrc 就需要“查看” /dev 中的很多特殊文件，它們可能有也可能沒有表示連接到系統(tǒng)的真實(shí)硬件。例如， linuxrc 會(huì)需要檢測(cè) /dev/hdc、/dev/scd0、/dev/hdb 和其它的設(shè)備以檢測(cè)“活動(dòng)的”光盤驅(qū)動(dòng)器設(shè)備。在檢測(cè)進(jìn)程中，很可能命中幾個(gè)“無用的”設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

然而，使用 devfs， linuxrc 只在 /dev/cdroms 中尋找，它包含了系統(tǒng)中所有和 活動(dòng)的光盤驅(qū)動(dòng)器相關(guān)聯(lián)的特殊文件，不管是 IDE 的還是 SCSI 的。由于這種便捷的新式 devfs 約定，再不需要猜測(cè)了；只有活動(dòng)的設(shè)備才會(huì)列出，而且設(shè)備檢測(cè)代碼甚至不必?fù)?dān)心底層的光盤驅(qū)動(dòng)器的細(xì)節(jié)，比如說它使用什么 IDE 通道或者什么 SCSI ID。實(shí)際上，這是 devfs 的另一個(gè)主要好處；在我下一篇文章中，我們會(huì)看到 devfs 下 /dev 中的設(shè)備有全新的缺省位置。

實(shí)際上，如果您想訪問一個(gè)特定的塊設(shè)備（如磁盤、分區(qū)、光盤驅(qū)動(dòng)器等等），事實(shí)上有 幾個(gè)不同的特殊文件可以引用。例如，我的服務(wù)器只有一個(gè) SCSI 光盤驅(qū)動(dòng)器；如果啟用了 devfs，我就可以通過安裝 /dev/cdroms/cdrom0 或 /dev/scsi/host0/bus0/target4/lun0/cd 訪問它。兩種都引用同一個(gè)設(shè)備，我可以引用我認(rèn)為最方便的特殊文件。如果愿意，我還可以使用一種老式的設(shè)備名稱（/dev/sr0）訪問光盤驅(qū)動(dòng)器，這都是因?yàn)橛幸粋€(gè)非常便捷的叫 devfsd的小程序。 devfsd 是一個(gè)有功能很多的程序，它負(fù)責(zé)創(chuàng)建老式的“兼容性”特殊文件，還允許您以很多種方式自定義 /dev。在我的下一篇文章中，我們會(huì)詳細(xì)討論 devfsd，到時(shí)我會(huì)一直引導(dǎo)您啟動(dòng) devfs 并在您自己的系統(tǒng)上運(yùn)行它。在那之前，請(qǐng)參考下面的參考資料以了解更多關(guān)于 devfs 的信息。