设备特殊文件

引言

st_dev和st_rdev这两个字段经常引起混淆

struct stat
{
mode_t st_mode;/* file type & mode (permissions) */
ino_t st_ino;/* i-node number (serial number) */
dev_t st_dev;/* device number (file system) */
dev_t st_rdev;/* device number for special files */
nlink_t st_nlink;/* number of links */
uid_t st_uid;/* user ID of owner */
gid_t st_gid;/* group ID of owner */
off_t st_size;/* size in bytes, for regular files */
struct timespec st_atim;/* time of last access */
struct timespec st_mtim;/* time of last modification */
struct timespec st_ctim;/* time of last file status change */
blksize_t st_blksize;/* best I/O block size */
blkcnt_t st_blocks;/* number of disk blocks allocated */
};

每个文件系统所在的存储设备都由主、次设备号表示

设备号所用的数据类型是基本系统数据类型dev_t。在<sys/stat.h>中声明如下：

typedef__dev_tdev_t;

主设备号标识设备驱动程序

次设备号标识特定的子设备

系统中与每个文件名关联的st_dev值是文件系统的设备名，该文件系统包含了这一文件名以及对应的i节点

只有字符特殊文件和块特殊文件才有st_rdev值。此值包含实际设备的设备号

major和minor宏

我们通常使用两个宏：major和minor来访问主、次设备号，这也意味着我们无需关心这两个数是如何存放在dev_t对象中

在<sys/sysmacros.h>定义了这两个宏，而这个头文件又包含在<sys/type.h>中

#define major(dev) gnu_dev_major (dev)

实例

/**
* 为每个命令行参数打印设备号，另外，若此参数引用的是字符特殊文件或者块特殊文件，
* 则还打印特殊文件的st_rdev值
*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc,char*argv[])
{
struct stat buf;
int i =0;
for(i =1; i < argc; i++)
{
printf("%s: ", argv[i]);
if(stat(argv[i],&buf)<0)
{
err_ret("stat error");
continue;
}
printf("dev = %d/%d ", major(buf.st_dev), minor(buf.st_dev));
if(S_ISCHR(buf.st_mode))
{
printf("(character) rdev = %d/%d", major(buf.st_rdev), minor(buf.st_rdev));
}
elseif(S_ISBLK(buf.st_mode))
{
printf("(block) rdev = %d/%d", major(buf.st_rdev), minor(buf.st_rdev));
}
printf(" ");
}
exit(0);
}

程序运行如下：

$ ./a.out / /home/fireway/ /dev/tty[01]
/: dev = 8/1
/home/fireway/: dev = 8/1
/dev/tty0: dev = 0/6 (character) rdev = 4/0
/dev/tty1: dev = 0/6 (character) rdev = 4/1
$ mount <---------------------哪些目录安装在哪些设备上（详细原理见下文）
/dev/sda1 on / type ext4 (rw,errors=remount-ro)
proc on /proc type proc (rw,noexec,nosuid,nodev)
sysfs on /sys type sysfs (rw,noexec,nosuid,nodev)
none on /sys/fs/cgroup type tmpfs (rw)
none on /sys/fs/fuse/connections type fusectl (rw)
none on /sys/kernel/debug type debugfs (rw)
none on /sys/kernel/security type securityfs (rw)
udev on /dev type devtmpfs (rw,mode=0755)
devpts on /dev/pts type devpts (rw,noexec,nosuid,gid=5,mode=0620)
tmpfs on /run type tmpfs (rw,noexec,nosuid,size=10%,mode=0755)
none on /run/lock type tmpfs (rw,noexec,nosuid,nodev,size=5242880)
none on /run/shm type tmpfs (rw,nosuid,nodev)
none on /run/user type tmpfs (rw,noexec,nosuid,nodev,size=104857600,mode=0755)
none on /sys/fs/pstore type pstore (rw)
systemd on /sys/fs/cgroup/systemd type cgroup (rw,noexec,nosuid,nodev,none,name=systemd)
gvfsd-fuse on /run/user/112/gvfs type fuse.gvfsd-fuse (rw,nosuid,nodev,user=lightdm)
$ ls -l /dev/tty[01] /dev/sda[01]
brw-rw---- 1 root disk 8, 1 11月 17 07:52 /dev/sda1
crw--w---- 1 root tty 4, 0 11月 17 07:52 /dev/tty0
crw-rw---- 1 root tty 4, 1 11月 17 07:52 /dev/tty1

我们给程序传了4个参数，前两个参数是目录(/和/home/fireway)，后两个参数是设备名/dev/tty[01]。

认识设备特殊文件

在linux系统，每个设备都会被当成一个文件对待。比如IDE接口的硬盘（IDE的英文全称为“Integrated Drive Electronics”，即“电子集成驱动器”）的文件名即为/dev/hd[a-d]。

通常来说，电脑硬盘主要有IDE以及SATA两种接口类型，其中以前的旧电脑一般都是IDE硬盘接口，该接口由于传输速度慢，如今早已被淘汰，现在的新电脑都是SATA硬盘接口。

目前硬盘接口均采用SATA接口，SATA接口有分为SATA2.0以及SATA3.0，其中SATA2.0最大传输速度为300M/s，而SATA3.0最大传输速率为600M/s。如今固态硬盘均采用的是SATA3.0接口，而普通的机械硬盘很多也开始全面采用SATA3.0接口，只要部分容量较小，价格比较低的机械硬盘还是用的SATA2.0接口。

下面列出几个常见的设备与其在 Linux 当中的文件名：

设备	在Linux内的文件名
IDE硬盘	/dev/hd[a-d]
SCSI / SATA / USB 硬盘	/dev/sd[a-p]
U盘，全称USB闪存盘，英文名“USB flash disk”	/dev/sd[a-p](与SATA 相同)
软盘驱动器	/dev/fd[0-1]
打印机	25 针: /dev/lp[0-2] USB: /dev/usb/lp[0-15]
鼠标	USB: /dev/usb/mouse[0-15] PS2: /dev/psaux
当前CDROM/DVDROM	/dev/cdrom
当前的鼠标	/dev/mouse
磁带机	IDE: /dev/ht0 SCSI: /dev/st0

磁盘和磁盘分区

一块磁盘是可以被分割成多个分区(partition)，比如Windows就把一个磁盘划分成C、D、E盘，这个就是分区（partition），但是Linux的设备都是以文件形式存在，那它的分区以是什么表示的呢？

磁盘盘上面又可细分成扇区(Sector)与柱面(Cylinder)，其中扇区每个为 512bytes 。假设磁盘只有一个磁盘盘，如下图1所示：

图1. 磁盘盘组成示意图

整颗磁盘的第一个扇区非常重要，因为它主要记录两个重要信息：

主要启动记录项（Master Boot Record, MBR）:可以安装开机管理程序的地方，有446bytes
分区表(partition table):记录整颗硬盘分区的状态，有64bytes

图2.分区表的作用示意图

上图2中我们假设硬盘只有400个柱面，共划分成4个分区，第四个分区在第301到400号柱面的范围。假设硬盘设备文件名为/dev/hda，那么这四个分区在Linux系统中的设备文件名如下：

P1:/dev/hda1
P2:/dev/hda2
P3:/dev/hda3
P4:/dev/hda4

根据上面图示和说明，我们可以简单总结如下：

其实所谓的“分区”，只是针对这个64bytes的分区表设定而已
硬盘默认的分区表仅能写入4个划分信息
这4组划分信息我们称为主要分区(Primary partition)或扩展分区(Extended partition)
分区的最小单位为柱面
当系统写入磁盘时，一定会参考分区表，才能针对某个分区进行数据处理

那么为什么要进行磁盘分区呢？

数据的安全性
系统的性能效率

既然分区表只能记录4组划分信息，那么是否代表一颗硬盘最多只能划分4个分区呢？当然不是，在Windows、Linux系统中，我们通过上面的扩展分区(extended partition)的方式，划分很多个分区。如下图所示：

图3. 磁盘分区表、扩展分区表的作用示意图

在图3中，默认的分区表仅用到两个，P1为为主要分区，P2为扩展分区，请注意，使用扩展分区的目的是使用额外的扇区来记录分区信息，扩展分区本身并不能拿来格式化，然后我们通过扩展分区所指向的这块区域继续做划分。

正如图3右下角的这块区域又被划分出5个分区，这5个分区是由扩展分区划分出来的，被称为逻辑分区（logical partition）。因此，这些分区在Linux系统的设备文件名如下：

P1:/dev/hda1
P2:/dev/hda2
L1:/dev/hda5
L2:/dev/hda6
L3:/dev/hda7
L4:/dev/hda8
L5:/dev/hda9

仔细一瞧，怎么设备文件名没有/dev/hda[34]呢？因为前面4个号码都是留给Primary或Extended，所以逻辑分区的设备名称号码就由5开始。

我们了解了Primary partition, Extended partition和Logical partition概念后，做一个简单的总结：

逻辑分区是由扩展分区划分出来的分区
主要分区最多可以有4个（硬盘限制）
扩展分区最多只有一个（操作系统的限制）
作为数据存取，能够被格式化的，是主要分区和逻辑分区，扩展分区无法格式化
逻辑分区的数量主要依赖操作系统，在Linux系统中，IDE硬盘最多有59个逻辑分区（5~63号），STAT硬盘则有11个逻辑分区（5~15号）

几乎只要读取硬盘都会从第一个扇区所记录的分区表和MBR获取到，因此如果整颗硬盘的第一个扇区坏掉，那这颗磁盘大概就没用了。因为系统如果找不到分区表，怎么知道如何读取柱面呢？

目录树结构

图4. 目录树相关性示意图

如上图，长方形为目录，波浪形为文件。Linux 与其他类 UNIX 系统一样并不区分文件与目录：目录是记录了其他文件名的文件。

/ 根目录
├── bin 存放用户二进制文件
├── boot 存放内核引导配置文件
├── dev 存放设备文件
├── etc 存放系统配置文件
├── home 用户主目录
├── lib 动态共享库
├── lost+found 文件系统恢复时的恢复文件
├── media 可卸载存储介质挂载点
├── mnt 文件系统临时挂载点
├── opt 附加的应用程序包
├── proc 系统内存的映射目录，提供内核与进程信息
├── root root 用户主目录
├── sbin 存放系统二进制文件
├── srv 存放服务相关数据
├── sys sys 虚拟文件系统挂载点
├── tmp 存放临时文件
├── usr 存放用户应用程序
└── var 存放邮件、系统日志等变化文件

我们现在知道整个Linux系统使用的是目录树结构，但是我们的文件其实是放置在磁盘分区的，现在的问题是“如何结合目录树与磁盘内的数据”，这个就需要牵扯到mount（挂载）的概念。

所谓的“挂载”，是指将一个设备（通常是存储设备）挂接到一个已存在的目录上。我们要访问存储设备中的文件，必须将文件所在的分区挂载到一个已存在的目录上，然后通过访问这个目录来访问存储设备。如下图，假设硬盘分为两个分区，partition1是挂载到跟目录，partition2是挂载到/home目录，也就是说，当数据放置在/home内的各个目录时，数据是放置在partition2，如果不是放在/home目录的文件，那么数据就会被放置在partition1上。

图5. 目录树与分区之前的相关性

文件系统与格式化

磁盘分区完毕后，还需要格式化（format)，为什么呢？这是因为每种操作系统所设定的文件属性/权限并不相同，为了存放这些文件所需的数据，需要将分区进行格式化，以便称为操作系统能够利用的文件系统格式(filesystem)。

每种操作系统所使用的文件系统并不相同,

操作系统	文件系统
windows 98以前	FAT(或FAT16)
windows 2000	NTFS
Linux	Ex2(Linux second extended file system, ext2fs)

参考

IDE http://baike.baidu.com/subview/5775/5401664.htm#viewPageContent

硬盘接口有几种？怎么看硬盘接口类型 http://www.pc841.com/article/20140903-34510.html

鸟哥的Linux私房菜基础学习篇(第三版)