介紹 devfs

設備，到處都是設備

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

實際上，通常 Linux 和 Unix 更“酷”的方面是，設備不是簡單地隱藏在晦澀的 API 之后，而是真正地與普通文件、目錄和符號鏈接一樣存在于文件系統(tǒng)上。因為字符和塊設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，可以僅使用標準 Unix 命令，如 cat 和 dd。除了有趣之外，這還使我們有更強的能力，并提高生產(chǎn)力。

設備管理問題

然而，雖然設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。這意味著嚴格意義上我們中絕大多數(shù)在 /dev 中都有數(shù)百個特殊文件來表示所有這些設備。還不止這樣，這些特殊文件中大多數(shù)甚至不會映射到系統(tǒng)中存在的設備上（但需要它們存在，只是考慮到我們最終會在系統(tǒng)中添加新的硬件／驅(qū)動器），這讓事情變得更令人困惑。

僅從這個方面來看，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，我們從設備驅(qū)動程序的角度來看看 devfs。

設備管理內(nèi)幕

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

您必須提供一個 主設備號（一個無符號 8 位整數(shù)）作為 register_blkdev()或 register_chrdev() 的參數(shù)；然后，在設備注冊之后，內(nèi)核就會知道這個特定的主設備號對應于執(zhí)行 register_--?dev()調(diào)用的特定設備驅(qū)動程序。

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

獲取號碼

然而，如果開發(fā)人員想讓驅(qū)動程序與外界共享（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”中抽一個主設備號或者使用動態(tài)的主設備號分配就不行了。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）的特定的設備才能分配一個“正式”主設備號。那么，在整個 Linux 世界中，這個特定的設備（也 只有這個設備）才會被關聯(lián)到那個特定的主設備號。

有一個“正式的”主設備號很重要，因為要與特定的設備交互，管理員必須在 /dev 創(chuàng)建一個特殊文件。當設備節(jié)點（特殊文件）創(chuàng)建后，它使用的主設備號必須同內(nèi)核內(nèi)部使用的完全相同。這樣，進程對設備執(zhí)行操作時，內(nèi)核就會知道應該引用什么設備驅(qū)動程序。讓特殊文件到內(nèi)核驅(qū)動程序的映射成為可能的是主設備號，而不是真實的設備名稱（它和非 devfs 系統(tǒng)無關）。

一旦設備驅(qū)動程序具備正式主設備號，設備就可以被公開使用了，設備節(jié)點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（用來幫助超級用戶用正確的主從設備號、權(quán)限和所有權(quán)創(chuàng)建設備節(jié)點的特殊腳本）中。

傳統(tǒng)的問題

不幸的是，這種方法有很多可伸縮性問題。不僅設備驅(qū)動程序開發(fā)人員聯(lián)系內(nèi)核開發(fā)人員來獲取正式主設備號是一件討厭的事，內(nèi)核開發(fā)人員弄清他們怎樣分配所有這些主設備號甚至更加惱人。這種任務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 來緩解這種管理負擔，如果設備注冊有某種類似的方法就好了。

不只是這樣，Linux 還正在耗盡主設備號和副號碼。雖然這種問題可以通過簡單地擴展主設備號和副號碼使用的位數(shù)，首先維護這些主設備號映射就很討厭了，所以我們又在考慮有沒有更好的方法來處理這些事情。幸運的是，有這樣的方法；進入 devfs。

進入 devfs

devfs_register()

這里是對 devfs 如何一下子處理事情和解決這些問題的一個簡單明了的快速綱要。一旦 devfs 被正確配置（包括在內(nèi)核添加 devfs 支持和對啟動腳本進行一些稍復雜的更改），超級用戶重新啟動系統(tǒng)。然后內(nèi)核開始啟動，設備驅(qū)動程序開始向系統(tǒng)的剩余部分注冊設備。您會記起在非 devfs 系統(tǒng)上， register_blkdev()和 register_chrdev() 調(diào)用（連同提供的主設備號）正是用于這一目的。然而，現(xiàn)在啟用了 devfs，設備驅(qū)動程序是用一種新的、改進了的內(nèi)核調(diào)用來注冊設備，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備號和副號碼作為參數(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 foo 設備驅(qū)動程序希望使用 devfs 注冊設備。它會提供一個 foo0 的參數(shù)給 devfs_register()，從而告訴內(nèi)核應該在 devfs 名稱空間的根目錄創(chuàng)建一個新的 foo0 設備。相應的， devfs_register() 在 devfs 名稱空間的根目錄添加 foo0設備節(jié)點，并記錄這個新的 foo0 節(jié)點應該映射到內(nèi)核中的 foo設備驅(qū)動程序。

運行的 Devfs

一旦所有設備驅(qū)動程序啟動并向內(nèi)核注冊適當?shù)脑O備，內(nèi)核就啟動 /sbin/init 和系統(tǒng)初始化腳本開始執(zhí)行。在啟動過程初期（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。這意味著在安裝 /dev 后，所有注冊的設備（如上面的 /dev/foo0）都可以訪問，就象在非 devfs 上一樣。當它們被訪問時，內(nèi)核 通過 devfs 設備名稱映射到合適的設備驅(qū)動程序，而不是通過主設備號。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是，所有需要的設備節(jié)點（沒有別的了）都由內(nèi)核自動創(chuàng)建。這不僅僅意味著不再需要 MAKEDEV（因為所有注冊的設備都只“出現(xiàn)”在 /dev 中），還意味著 /dev 不再被成百個“無用的”設備節(jié)點所充斥。實際上，使用 devfs，您可以只要查看 /dev 就知道系統(tǒng)上有什么設備。所以，如果您有一臺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 卡時魔術(shù)般地讓設備從 /dev 中出現(xiàn)和消失。這讓 devfs 成為對以前笨拙局面的一個非常徹底和實用的解決方案。

devfs 的優(yōu)點

Devfs 讓很多事變得容易許多。請考慮一下創(chuàng)建一張 Linux 可引導光盤的問題，它包括一個位于 CD 上的引導裝載器、一個 initrd、一個內(nèi)核和一個回送文件系統(tǒng)。當 CD 引導時，引導裝載器裝載內(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)的真實硬件。例如， linuxrc 會需要檢測 /dev/hdc、/dev/scd0、/dev/hdb 和其它的設備以檢測“活動的”光盤驅(qū)動器設備。在檢測進程中，很可能命中幾個“無用的”設備節(jié)點。

然而，使用 devfs， linuxrc 只在 /dev/cdroms 中尋找，它包含了系統(tǒng)中所有和 活動的光盤驅(qū)動器相關聯(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，再不需要猜測了；只有活動的設備才會列出，而且設備檢測代碼甚至不必擔心底層的光盤驅(qū)動器的細節(jié)，比如說它使用什么 IDE 通道或者什么 SCSI ID。實際上，這是 devfs 的另一個主要好處；在我下一篇文章中，我們會看到 devfs 下 /dev 中的設備有全新的缺省位置。

實際上，如果您想訪問一個特定的塊設備（如磁盤、分區(qū)、光盤驅(qū)動器等等），事實上有 幾個不同的特殊文件可以引用。例如，我的服務器只有一個 SCSI 光盤驅(qū)動器；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。兩種都引用同一個設備，我可以引用我認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備名稱（/dev/sr0）訪問光盤驅(qū)動器，這都是因為有一個非常便捷的叫 devfsd的小程序。 devfsd 是一個有功能很多的程序，它負責創(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，我們會詳細討論 devfsd，到時我會一直引導您啟動 devfs 并在您自己的系統(tǒng)上運行它。在那之前，請參考下面的參考資料以了解更多關于 devfs 的信息。