Linux工作原理3设备

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本章是对正常运行的Linux系统中内核提供的设备基础设施的基本考察。纵观Linux的历史，在内核如何向用户展示设备方面已经有了许多变化。我们将从传统的设备文件系统开始，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的设备信息，以便了解一些基本的操作。后面的章节将更详细地介绍与特定类型设备的交互。
了解当出现新设备时，内核如何与用户空间进行交互是很重要的。udev系统使用户空间的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的基本工作原理，以及该进程如何处理这些消息。
3.1 设备文件

操作Unix系统中的大多数设备是很容易的，因为内核将许多设备的I/O接口以文件形式呈现给用户进程。这些设备文件有时被称为设备节点。除了程序员使用常规的文件操作来处理设备外，一些设备也可以被像cat这样的标准程序访问。然而，你能用文件接口做的事情是有限的，所以不是所有的设备或设备功能都能用标准的文件I/O访问。
设备文件在/dev目录下，运行ls /dev可以看到/dev中的相当多的文件。那么，你是如何处理设备的呢？

1. $ echo blah blah > /dev/null

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就像其他带有重定向输出的命令一样，这个命令将标准输出中的内容发送到文件中。然而，这个文件是/dev/null，是一个设备，所以内核绕过了通常的文件操作，对写入这个设备的数据使用了设备驱动程序。在/dev/null的情况下，内核只是接受了输入的数据并将其丢弃。
要识别一个设备并查看其权限，可以使用ls -l。下面是一些例子：

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

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注意每一行的第一个字符（文件模式的第一个字符）。如果这个字符是b、c、p或s，则该文件是一个设备。这些字母分别代表块、字符、管道和套接字：

• 块设备
  程序以固定的块来访问块设备的数据。前面例子中的sda1是一个磁盘设备，是块设备的一种类型。磁盘可以很容易地被分割成数据块。因为块设备的总大小是固定的，并且容易索引，程序在内核的帮助下可以快速随机访问设备中的任何块。
  
• 字符设备
  字符设备与数据流一起工作。你只能从字符设备中读取字符或向字符设备中写入字符，就像前面用/dev/null演示的那样。字符设备没有大小之分；当你从设备中读出或写入时，内核通常对它进行读或写操作。直接连接到你的计算机上的打印机是由字符设备表示的。值得注意的是，在字符设备的交互过程中，内核在将数据传递给设备或进程后，不能备份和重新检查数据流。
  
• 管道设备
  命名的管道就像字符设备，在I/O流的另一端是另一个进程，而不是内核驱动。
  
• 套接字设备
  套接字是特殊用途的接口，经常用于进程间通信。它们经常在/dev目录之外被发现。套接字文件代表Unix域套接字；你将在第10章中了解更多关于这些套接字的信息。
  在来自ls -l的块和字符设备的文件列表中，日期前面的数字是主要和次要的设备号，内核用它来识别设备。类似的设备通常有相同的主设备号，比如sda3和sdb1（都是硬盘分区）。
  

注意
不是所有的设备都有设备文件，因为块和字符设备的I/O接口不是在所有情况下都合适。例如，网络接口没有设备文件。理论上，使用单一的字符设备与网络接口交互是可能的，但是由于这很困难，内核提供了其他的I/O接口。
3.2 sysfs设备路径

传统的Unix的/dev目录是一种方便的方式，用户进程可以引用和连接内核支持的设备，但这也是一种非常简单的方案。在/dev中的设备名称告诉你关于该设备的一些情况，但通常不够有用。另一个问题是，内核是按照找到设备的顺序来分配设备的，所以设备在重启之间可能有不同的名字。
为了提供基于实际硬件属性的附加设备的统一视图，Linux内核通过文件和目录系统提供sysfs接口。设备的基本路径是/sys/devices。例如，位于/dev/sda的SATA硬盘在sysfs中可能有如下路径：

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

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你可以看到，与/dev/sda文件名相比，这个路径相当长，它也是一个目录。但你不能真正比较这两个路径，因为它们有不同的目的。/dev文件使用户进程能够使用设备，而/sys/devices路径是用来查看信息和管理设备的。如果你列出设备路径的内容，比如前面的那个，你会看到类似下面的内容：

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

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这里的文件和子目录主要是供程序而不是人阅读的，但是你可以通过查看/dev文件这样的例子来了解它们包含和代表的内容。在这个目录下运行cat dev会显示数字8:0，这恰好是/dev/sda的主设备号和次设备号。
在/sys目录下有一些快捷方式。例如，/sys/block应该包含一个系统上所有可用的块设备。然而，这些只是符号链接；你应该运行ls -l /sys/block来显示真正的sysfs路径。
要在/dev中找到一个设备的sysfs位置可能很困难。使用如下的udevadm命令来显示路径和其他一些有趣的属性：

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

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你会在第3.5节找到更多关于udevadm和整个udev系统的细节。
3.3 dd和设备

当你在处理块和字符设备时，dd程序是非常有用的。它的唯一功能是从输入文件或流中读出，然后写到输出文件或流中，在这个过程中可能会进行一些编码转换。对于块设备来说，dd的特别有用的功能是，你可以在文件的中间处理一大块数据，而忽略之前或之后的内容。
警告：
dd的功能非常强大，所以当你运行它时，请确保你知道你在做什么。如果不小心犯了错误，很容易损坏设备上的文件和数据。如果你不确定它将会做什么，通常可以将输出写入一个新的文件。
dd以固定大小的块复制数据。下面是如何在字符设备上使用dd，利用一些常见的选项：

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

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正如你所看到的，dd的选项格式与大多数其他Unix命令的选项格式不同；它是基于旧的IBM工作控制语言（JCL）风格。你不是用破折号（-）来表示一个选项，而是用等号（=）来命名一个选项并设置其值。前面的例子从/dev/zero复制了一个1,024字节的块（一个连续的零字节流）到new_file。
这些是重要的dd选项：

• if=file 输入文件。默认是标准输入。
  
• of=file 输出文件。默认是标准输出。
  
• bs=size 区块大小。dd一次读写这么多字节的数据。为了缩写大块的数据，你可以用b和k分别表示512和1024个字节。因此，前面的例子可以读取bs=1k，而不是bs=1024。
  
• ibs=size, obs=size 输入和输出块的大小。如果你能对输入和输出使用相同的块大小，请使用bs选项；如果不能，请对输入和输出分别使用ibs和obs。
  
• count=num 要复制的块的总数。当处理巨大的文件时，或者处理提供无尽数据流的设备，比如/dev/zero，你希望dd在固定的点上停止；否则，你可能会浪费大量的磁盘空间、CPU时间，或者两者都浪费。使用count和跳过参数，从大文件或设备中复制一小段。
  
• skip=num 跳过输入文件或数据流中的第一个num块，不把它们复制到输出。
  

3.4 设备名称摘要

有时很难找到设备的名称（例如，在给磁盘分区时）。这里有几个方法可以找出它是什么：

• 用udevadm查询udevd（见第3.5节）。
  
• 在/sys目录下寻找设备。
  
• 从journalctl -k命令（打印内核信息）或内核系统日志（见第7.1节）的输出中猜测其名称。这个输出可能包含了对你系统中设备的描述。
  
• 对于系统已经可见的磁盘设备，你可以检查mount命令的输出。
  
• 运行cat /proc/devices来查看你的系统目前有驱动的块和字符设备。每一行都包括编号和名称。数字是设备的主要编号，如第3.1节所述。如果你能从名称中猜出设备，在/dev中寻找具有相应主要编号的字符或块设备，你就找到了设备文件。
  

在这些方法中，只有第一个方法是可靠的，但它确实需要udev。如果你遇到udev不可用的情况，可以尝试其他方法，但要记住，内核可能没有适合你的硬件的设备文件。
下面的章节列出了最常见的Linux设备和它们的命名规则。
3.4.1 硬盘： /dev/sd*

大多数连接到当前Linux系统的硬盘对应于带有sd前缀的设备名，比如/dev/sda，/dev/sdb，等等。这些设备代表整个磁盘；内核为磁盘上的分区制作单独的设备文件，如/dev/sda1和/dev/sda2。
这个命名规则需要解释一下。名称中的sd部分代表SCSI磁盘。小型计算机系统接口（SCSI）最初是作为一种硬件和协议标准开发的，用于磁盘和其他外围设备等设备之间的通信。虽然传统的SCSI硬件在大多数现代机器中没有使用，但由于SCSI协议的适应性，它无处不在。例如，USB存储设备使用它进行通信。SATA（串行ATA，PC上常见的存储总线）磁盘上的情况要复杂一些，但Linux内核在与它们交谈时，仍然在一定程度上使用SCSI命令。
要列出你系统上的SCSI设备，可以使用一个工具来行走由sysfs提供的设备路径。其中一个最简洁的工具是lsscsi。当你运行它时，你可以看到以下内容：

1. $ lsscsi
2. [0:0:0:0]1  disk2  ATA     WDC WD3200AAJS-2  01.0  /dev/sda3
3. [2:0:0:0]    disk    FLASH   Drive UT_USB20    0.00  /dev/sdb

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第一列标识了系统中设备的地址，第二列描述了它是什么类型的设备，最后一列3出在哪里可以找到设备文件。其他的都是厂商信息。
Linux按照其驱动程序遇到设备的顺序将设备分配给设备文件。所以，在前面的例子中，内核首先找到了磁盘，其次才是闪存驱动器。
不幸的是，当你重新配置硬件时，这种设备分配方案历来会引起问题。举例来说，你有一个有三个磁盘的系统： /dev/sda，/dev/sdb，和/dev/sdc。如果/dev/sdb爆炸了，你必须把它移走，以便机器能够重新工作，那么以前的/dev/sdc就会移到/dev/sdb上，而不再有/dev/sdc了。如果你直接参考fstab文件中的设备名称（见第4.2.8节），你就必须对该文件做一些修改，以便使事情（大部分）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；见第4.2.4节）和/或逻辑卷管理器（LVM）来稳定磁盘设备映射。
关于如何在Linux系统上使用磁盘和其他存储设备，本文的讨论几乎没有触及表面。关于使用磁盘的更多信息，见第4章。在本章的后面，我们将研究SCSI支持在Linux内核中是如何工作的。
3.4.2 虚拟磁盘： /dev/xvd, /dev/vd

一些磁盘设备为虚拟机进行了优化，如AWS实例和VirtualBox。Xen虚拟化系统使用/dev/xvd前缀，而/dev/vd是一种类似的类型。
3.4.3 非易失性内存设备： /dev/nvme*

一些系统现在使用非易失性内存快车（NVMe）接口来与某些类型的固态存储进行对话。在Linux中，这些设备显示在/dev/nvme*。你可以使用nvme list命令来获得你系统上这些设备的列表。
3.4.4 设备映射器： /dev/dm-, /dev/mapper/

在一些系统上，比磁盘和其他直接块存储更高级别的是LVM，它使用一个叫做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的符号链接，你的系统可能使用了它。你将在第4章中了解这一切。
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，等等。然而，如果驱动器使用旧的接口，它可能会显示为一个PATA设备，如下所述。/dev/sr*设备是只读的，它们只用于从磁盘上读取。对于光学设备的写入和重写能力，你将使用 "通用 "SCSI设备，如/dev/sg0。
3.4.6 PATA硬盘： /dev/hd*

PATA（Parallel ATA）是一种较早的存储总线。Linux块设备/dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc和/dev/hdd在旧版本的Linux内核和旧硬件上很常见。这些是基于接口0和1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。这意味着该SATA驱动器在兼容模式下运行，这阻碍了性能。检查你的BIOS设置，看看你是否可以将SATA控制器切换到其原始模式。
3.4.7 终端： /dev/tty, /dev/pts/, 和 /dev/tty

终端是在用户进程和I/O设备之间移动字符的设备，通常用于向终端屏幕输出文字。终端设备接口可以追溯到很久之前，当时的终端是基于打字机的设备，很多都是连接在一台机器上的。
大多数终端是伪终端设备，是理解真正终端的I/O特性的仿真终端。内核不是与真正的硬件对话，而是将I/O接口呈现给软件，例如你可能在其中输入大部分命令的shell终端窗口。
两个常见的终端设备是/dev/tty1（第一个虚拟控制台）和/dev/pts/0（第一个伪终端设备）。/dev/pts目录本身是一个专门的文件系统。
/dev/tty设备是当前进程的控制终端。如个程序当前正在从终端读写，这个设备就是该终端的同义词。进程不需要连接到终端。

• 显示模式和虚拟控制台
  

Linux有两种主要的显示模式：文本模式和图形模式（第14章介绍了使用这种模式的窗口系统）。尽管Linux系统传统上是以文本模式启动的，但现在大多数发行版使用内核参数和临时图形显示机制（bootsplashes，如plymouth）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。每个虚拟控制台可以在图形或文本模式下运行。当处于文本模式时，你可以通过ALT功能键组合在控制台之间进行切换--例如，ALT-F1会带你到/dev/tty1，ALT-F2会到/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的getty进程所占据，如第7.4节所述。
在图形模式下使用的虚拟控制台略有不同。除非被指示使用一个特定的虚拟控制台，否则图形环境会接管空闲的虚拟控制台，而不是从初始配置中获得一个虚拟控制台的分配。例如，如果你有getty进程在tty1和tty2上运行，新的图形环境会占用tty3。此外，一旦进入图形模式，你通常必须按CTRL-ALT-功能键组合来切换到另一个虚拟控制台，而不是更简单的ALT-功能键组合。
所有这些的结果是，如果你想在系统启动后看到你的文本控制台，按CTRL-ALT-F1。要返回到图形环境，按ALT-F2、ALT-F3，以此类推，直到你进入图形环境。
注意：有些发行版在图形模式下使用tty1。在这种情况下，你将需要尝试其他控制台。
如果你在切换控制台时由于输入机制的故障或其他情况而遇到麻烦，你可以尝试用chvt命令强迫系统改变控制台。例如，要切换到tty1，以root身份运行以下命令：

1. # chvt 1

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

较早的RS-232类型和类似的串行端口被表示为真正的终端设备。你不能在命令行上对串口设备做很多事情，因为有太多的设置需要担心，比如波特率和流量控制，但是你可以使用screen命令，通过添加设备路径作为参数来连接到终端。你可能需要该设备的读写权限；有时你可以通过将自己添加到特定的组（如dialout）来实现。
在Windows上被称为COM1的端口是/dev/ttyS0；COM2是/dev/ttyS1；以此类推。插入式USB串行适配器显示为USB和ACM，名称为/dev/ttyUSB0、/dev/ttyACM0、/dev/ttyUSB1、/dev/ttyACM1，等等。
一些涉及到串行端口的最有趣的应用是基于微控制器的板子，你可以把它插入你的Linux系统进行开发和测试。例如，你可以通过USB串行接口访问CircuitPython板的控制台和读-评-印循环。你所需要做的就是插上一个，寻找设备（通常是/dev/ttyACM0），然后用屏幕连接到它。
3.4.9 并行端口： /dev/lp0和/dev/lp1

单向并口设备/dev/lp0和/dev/lp1代表着一种接口类型，在很大程度上已经被USB和网络所取代，在Windows中对应于LPT1：和LPT2：。你可以用cat命令将文件（如要打印的文件）直接发送到并口，但你可能需要在之后给打印机一个额外的进纸或复位。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。
双向的并行端口是/dev/parport0和/dev/parport1。
3.4.10 音频设备： /dev/snd/*, /dev/dsp, /dev/audio, 以及更多

Linux有两套音频设备。有独立的设备用于高级Linux声音架构(ALSA)系统接口和较早的开放声音系统(OSS)。ALSA设备在/dev/snd目录下，但很难直接使用它们。使用ALSA的Linux系统支持OSS的后向兼容设备，如果目前加载了OSS的内核支持。
对OSS的dsp和音频设备可以进行一些基本的操作。例如，计算机会播放你发送到/dev/dsp的任何WAV文件。然而，由于频率不匹配，硬件可能做不到你期望的那样。此外，在大多数系统上，该设备往往在你登录后就开始忙碌。
注意：由于涉及到许多层次，Linux的声音是一个混乱的主题。我们只谈了内核级的设备，但通常还有用户空间的服务器，如 pulseaudio，管理来自不同来源的音频，作为声音设备和其他用户空间进程之间的中介。
3.4.11 创建设备文件

在任何合理的最近的Linux系统上，你都不会创建自己的设备文件；它们是由devtmpfs和udev创建的（见第3.5节）。然而，看看如何创建设备文件是很有意义的，在罕见的情况下，你可能需要创建命名的管道或套接字文件。
mknod命令创建设备。你必须知道设备的名称以及它的主号和次号。例如，创建/dev/sda1只需使用下面的命令：

1. # mknod /dev/sda1 b 8 1

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b 8 1指定了一个主数为8、次数为1的块设备。对于字符或命名的管道设备，使用c或p而不是b（对于命名的管道，省略主要和次要数字）。
在旧版本的Unix和Linux中，维护/dev目录是一个挑战。随着每一次重要的内核升级或驱动程序的增加，内核可以支持更多种类的设备，这意味着将有一组新的主要和次要数字被分配给设备文件名。为了解决这个维护难题，每个系统都有一个MAKEDEV程序，在/dev中创建设备组。当你升级你的系统时，你将试图找到MAKEDEV的更新，然后运行它以创建新的设备。
这个静态的系统变得很难看，所以一个替换是必要的。解决这个问题的第一个尝试是devfs，一个内核空间的/dev实现，包含了当前内核支持的所有设备。然而，有一些限制，这导致了udev和devtmpfs的发展。
3.5 udev

我们已经谈到了内核中不必要的复杂性是很危险的，因为你太容易引入系统的不稳定性。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，那么你为什么要在内核中这样做？Linux内核可以在检测到系统中的新设备时（例如，当有人安装了U盘时）向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。
注意：你几乎肯定会看到udevd以systemd-udevd的形式在你的系统上运行，因为它是你将在第六章看到的启动机制的一部分。
这就是理论。不幸的是，这种方法有一个问题--设备文件在启动过程的早期是必需的，所以udevd也必须提前启动。但是为了创建设备文件，udevd不能依赖于任何它应该创建的设备，它需要非常快速地执行其初始启动，这样系统的其他部分就不会因为等待udevd的启动而被耽搁。
3.5.1 devtmpfs

devtmpfs文件系统是为了解决启动过程中的设备可用性问题而开发的（关于文件系统的更多细节，见第4.2节）。这个文件系统类似于较早的devfs支持，但有所简化。内核在必要时创建设备文件，但它也会通知udevd新的设备是可用的。收到这个信号后，udevd不会创建设备文件，但它会执行设备初始化，同时设置权限并通知其他进程新设备可用。此外，它在/dev中创建一些符号链接，以进一步识别设备。你可以在/dev/disk/by-id目录下找到例子，每个连接的磁盘都有一个或多个条目。
例如，考虑典型的磁盘（连接在/dev/sda）和它在/dev/disk/by-id中的分区的链接：

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

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udevd进程按接口类型命名链接，然后按制造商和型号信息、序列号和分区（如果适用）命名。
注意：devtmpfs中的 "tmp "表示文件系统驻留在主内存中，具有用户空间进程的读/写能力；这个特性使udevd能够创建这些符号链接。我们将在第4.2.12节看到更多细节。
但udevd如何知道要创建哪些符号链接，以及如何创建它们？下一节将描述udevd是如何工作的。然而，你不需要知道这些或本章中的任何其他材料来继续阅读本书。事实上，如果这是你第一次研究Linux设备，我们强烈建议你跳到下一章，开始学习如何使用磁盘。
udevd的操作和配置

udevd守护进程的运作方式如下：

• 内核通过内部网络链接向udevd发送通知事件，称为uevent。
  
• udevd加载uevent中的所有属性。
  
• udevd解析其规则，根据这些规则过滤和更新uevent，并采取相应的行动或设置更多属性。
  udevd从内核收到的传入的uevent可能是这样的（你会在第3.5.4节学习如何用udevadm monitor --property命令获得这个输出）：
  

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

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这个特殊的事件是对设备的改变。在接收到uevent后，udevd知道了设备的名称、sysfs设备路径和其他一些与属性相关的属性；它现在准备开始处理规则。
规则文件在/lib/udev/rules.d和/etc/udev/rules.d目录下。/lib中的规则是默认的，而/etc中的规则是重写的。对规则的全面解释会很乏味，你可以从udev(7)手册中了解更多，但这里有一些关于udevd如何读取规则的基本信息：

• udevd从规则文件的开始到结束读取规则。
  
• 在读完一条规则并可能执行其动作后，udevd 继续阅读当前的规则文件，寻找更多适用的规则。
  
• 有一些指令（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，如果它与udevd正在配置的特定设备无关，就跳过整个文件。
  

让我们看一下第3.5.1节中/dev/sda例子中的符号链接。这些链接是由/lib/udev/rules.d/60-persistent-storage.rules中的规则定义的。在里面，你会看到以下几行：

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

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这些规则与通过内核的SCSI子系统（见第3.6节）呈现的ATA磁盘和光学介质相匹配。你可以看到有一些规则来捕捉设备可能的不同表现方式，但想法是udevd将尝试匹配以sd或sr开头但没有数字的设备（用KERNEL"sd[!0-9]|sr"表达式），以及子系统（SUBSYSTEMS"scsi"），最后还有一些其他属性，取决于设备的类型。如果所有这些条件表达式在任何一条规则中都为真，udevd就会转到下一个也是最后表达式：

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

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这不是一个条件。相反，它是一个指令，从/lib/udev/ata_id命令中导入变量。如果你有这样一个磁盘，自己在命令行上试试。它看起来会像这样：

1. # /lib/udev/ata_id --export /dev/sda
2. ID_ATA=1
3. ID_TYPE=disk
4. ID_BUS=ata
5. ID_MODEL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0
6. ID_MODEL_ENC=WDC\x20WD3200AAJS22L7A0\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20
7. \x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20\x20
8. ID_REVISION=01.03E10
9. ID_SERIAL=WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671
10. --snip--

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现在，导入设置了环境，使这个输出中的所有变量名都被设置为所示的值。例如，接下来的任何规则现在都会将 ENV{ID_TYPE} 识别为磁盘。
在我们到目前为止看到的两条规则中，特别值得注意的是ID_SERIAL。在每条规则中，这个条件都出现在第二条：

1. env{id_serial}!="?*"

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如果ID_SERIAL没有被设置，这个表达式会评估为真。因此，如果ID_SERIAL被设置了，条件就是假的，整个当前规则就不适用，udevd就会转到下一条规则。
为什么会出现在这里？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规则中发现这个一般模式。
设置了ENV{ID_SERIAL}后，udevd现在可以在后面的规则文件中评估这个规则，它寻找任何连接的SCSI磁盘：

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

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你可以看到，这条规则要求ENV{ID_SERIAL}被设置，它有一个指令：

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

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这个指令告诉udevd为进入的设备添加一个符号链接。所以，现在你知道设备的符号链接是怎么来的了!
你可能想知道如何区分条件表达式和指令。条件表达式用两个等号(==)或砰的一声等号(!=)表示，指令用一个等号(=)、一个加号(+=)或一个冒号等号(:=)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的能力，以及udevd从内核接收uevent时监控uevent的能力。不过，命令的语法可能有点儿复杂。大多数选项都有长短两种形式，我们在这里使用长的。
让我们从检查一个系统设备开始。回到第3.5.2节中的例子，为了查看所有的udev属性，以及与/dev/sda这样的设备的规则一起生成的属性，运行以下命令：

1. $ udevadm info --query=all --name=/dev/sda
2. P: /devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda
3. N: sda
4. S: disk/by-id/ata-WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671
5. S: disk/by-id/scsi-SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671
6. S: disk/by-id/wwn-0x50014ee057faef84
7. S: disk/by-path/pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0
8. E: DEVLINKS=/dev/disk/by-id/ata-WDC_WD3200AAJS-22L7A0_WD-WMAV2FU80671 /dev/disk/by-id/scsi
9. -SATA_WDC_WD3200AAJS-_WD-WMAV2FU80671 /dev/disk/by-id/wwn-0x50014ee057faef84 /dev/disk/by
10. -path/pci-0000:00:1f.2-scsi-0:0:0:0
11. E: DEVNAME=/dev/sda
12. E: DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1f.2/host0/target0:0:0/0:0:0:0/block/sda
13. E: DEVTYPE=disk
14. E: ID_ATA=1
15. E: ID_ATA_DOWNLOAD_MICROCODE=1
16. E: ID_ATA_FEATURE_SET_AAM=1
17. --snip--

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每行的前缀表示设备的一个属性或其他特征。在这个例子中，顶部的P：是sysfs设备路径，N：是设备节点（也就是给/dev文件起的名字），S：表示udevd根据其规则放在/dev中的设备节点的符号链接，E：是udevd规则中提取的额外设备信息。(这个例子中的输出远远超过了这里需要展示的内容；自己尝试一下这个命令，感受一下它的作用)。
3.5.4 设备监控

要用udevadm监视uevents，请使用monitor命令：

1. $ udevadm monitor
2. KERNEL[658299.569485] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2 (usb)
3. KERNEL[658299.569667] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0 (usb)
4. KERNEL[658299.570614] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15
5. (scsi)
6. KERNEL[658299.570645] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/
7. host15/scsi_host/host15 (scsi_host)
8. UDEV [658299.622579] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2 (usb)
9. UDEV [658299.623014] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0 (usb)
10. UDEV [658299.623673] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/host15
11. (scsi)
12. UDEV [658299.623690] add /devices/pci0000:00/0000:00:1d.0/usb2/2-1/2-1.2/2-1.2:1.0/
13. host15/scsi_host/host15 (scsi_host)
14. --snip--

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在这个输出中，每条信息都有两份，因为默认行为是同时打印来自内核的传入信息（用KERNEL标记）和来自udevd的处理信息。 要想只看到内核事件，请添加--kernel选项，要想只看到udevd处理事件，请使用--udev。要看到整个传入的uevent，包括3.5.2节中显示的属性，使用--property选项。--udev和--property选项一起显示处理后的uevent。
你还可以按子系统过滤事件。例如，要想只看到与SCSI子系统的变化有关的内核信息，使用这个命令：

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

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关于udevadm的更多信息，请看udevadm(8)手册页。
udev的内容还有很多。例如，有一个叫做udisksd的守护进程，它监听事件，以便自动连接磁盘，并通知其他进程有新的磁盘可用。
3.6 深入了解： SCSI和Linux内核

在这一节中，我们将看一下Linux内核中的SCSI支持，作为探索Linux内核结构的一部分。你不需要为了使用磁盘而了解这些信息，所以如果你急于使用磁盘，请继续阅读第四章。此外，这里的材料比你到目前为止所看到的更高级，更具有理论性，所以如果你想保持动手能力，你肯定应该跳到下一章。
让我们从一点背景开始。传统的SCSI硬件设置是一个主机适配器通过SCSI总线与一连串的设备相连，如图3-1所示。主机适配器被连接到计算机上。主机适配器和设备都有一个SCSI ID，根据SCSI版本，每条总线可以有8或16个ID。一些管理员可能会用SCSI目标这个词来指代设备和它的SCSI ID，因为在SCSI协议中，会话的一端被称为目标。

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命令集以点对点的关系与另一个设备进行通信。计算机没有直接连接到设备链上，所以它必须通过主机适配器才能与磁盘和其他设备通信。通常情况下，计算机向主机适配器发送SCSI命令以转达给设备，而设备则通过主机适配器转达响应。
较新版本的SCSI，如串行连接SCSI（SAS），提供了卓越的性能，但你可能不会在大多数机器中找到真正的SCSI设备。你会更经常地遇到使用SCSI命令的USB存储设备。此外，支持ATAPI的设备（如CD/DVD-ROM驱动器）使用SCSI命令集的一个版本。
SATA磁盘也作为SCSI设备出现在你的系统上，但它们略有不同，因为它们中的大多数是通过libata库中的转换层进行通信的（见3.6.2节）。一些SATA控制器（特别是高性能的RAID控制器）在硬件中进行这种转换。
这一切是如何组成的？考虑一下下面系统中显示的设备：

1. $ lsscsi
2. [0:0:0:0]diskATAWDC WD3200AAJS-201.0/dev/sda
3. [1:0:0:0]cd/dvdSlimtypeDVD A DS8A5SHXA15/dev/sr0
4. [2:0:0:0]diskUSB2.0CardReader CF0100/dev/sdb
5. [2:0:0:1]diskUSB2.0CardReader SM XD0100/dev/sdc
6. [2:0:0:2]diskUSB2.0CardReader MS0100/dev/sdd
7. [2:0:0:3]diskUSB2.0CardReader SD0100/dev/sde
8. [3:0:0:0]diskFLASHDrive UT_USB200.00/dev/sdf

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方括号内的数字从左到右分别是SCSI主机适配器号、SCSI总线号、设备SCSI ID和LUN（逻辑单元号，是设备的进一步细分）。在这个例子中，有四个连接的适配器（scsi0、scsi1、scsi2和scsi3），每个都有个总线（都是总线号0），每个总线上只有一个设备（都是目标0）。位于2:0:0的USB读卡器有四个逻辑单元，但每一种闪存卡都可以被插入。内核给每个逻辑单元分配了一个不同的设备文件。
尽管不是SCSI设备，NVMe设备有时会在lsscsi输出中显示出N作为适配器编号。
注意:如果你想自己尝试lsscsi，你可能需要把它作为一个额外的软件包来安装。
图3-2显示了这个特定系统配置的内核中的驱动和接口层次，从单个设备驱动到块驱动。它不包括SCSI通用（sg）驱动。
尽管这是一个庞大的结构，一开始可能会让人不知所措，但是图中的数据流是非常线性的。让我们从SCSI子系统和它的三层驱动开始剖析：
顶层处理一类设备的操作。例如，sd（SCSI磁盘）驱动程序就在这一层；它知道如何将来自内核块设备接口的请求翻译成SCSI协议中的磁盘特定命令，反之亦然。
中间层在顶层和底层之间调节和路由SCSI信息，并跟踪所有的SCSI总线和连接到系统的设备。
底层处理特定的硬件动作。这里的驱动程序向特定的主机适配器或硬件发送传出的SCSI协议信息，并从硬件提取传入的信息。与顶层分离的原因是，尽管SCSI消息对于一个设备类别（如磁盘类别）是统一的，但不同种类的主机适配器有不同的发送相同消息的程序。

图3-2: Linux SCSI子系统原理图
上层和下层包含许多不同的驱动，但是重要的是要记住，对于你系统上的任何一个设备文件，内核（几乎总是）使用一个上层驱动和一个下层驱动。在我们的例子中，对于位于/dev/sda的磁盘，内核使用sd顶层驱动和ATA桥层驱动。
有些时候，你可能会为一个硬件设备使用不止一个上层驱动（见第3.6.3节）。对于真正的硬件SCSI设备，比如连接到SCSI主机适配器或硬件RAID控制器的磁盘，下层驱动程序直接与下面的硬件对话。然而，对于你发现连接到SCSI子系统的大多数硬件来说，情况就不同了。
3.6.1 USB存储和SCSI

为了让SCSI子系统与普通的USB存储硬件对话，如图3-2所示，内核需要的不仅仅是一个低层的SCSI驱动。一个由/dev/sdf代表的U盘可以理解SCSI命令，但是为了和驱动器进行实际的通信，内核需要知道如何通过USB系统进行对话。
从抽象的角度来看，USB与SCSI非常相似--它有设备类别、总线和主机控制器。因此，Linux内核包括一个与SCSI子系统非常相似的三层USB子系统也就不足为奇了，它的顶端是设备类驱动程序，中间是总线管理核心，底部是主机控制器驱动程序。与SCSI子系统在其组件之间传递SCSI命令一样，USB子系统在其组件之间传递USB信息。甚至还有一个lsusb命令，与lsscsi相似。
我们在这里真正感兴趣的部分是顶部的USB存储驱动器。这个驱动充当了翻译者的角色。在一端，驱动程序说的是SCSI，而在另一端，它说的是USB。因为存储硬件在其USB信息中包含SCSI命令，所以驱动程序的工作相对容易：它主要是重新包装数据。
有了SCSI和USB子系统，你几乎拥有了与闪存盘对话所需的一切。最后缺失的环节是SCSI子系统中的下层驱动，因为USB存储驱动是USB子系统的一部分，而不是SCSI子系统。(由于组织上的原因，这两个子系统不应该共享一个驱动。)为了使子系统能够相互交谈，一个简单的、低层的SCSI桥接驱动连接到USB子系统的存储驱动。
3.6.2 SCSI和ATA

图3-2中的SATA硬盘和光驱都使用相同的SATA接口。为了将内核的SATA驱动连接到SCSI子系统，内核采用了一个桥接驱动，就像对待USB驱动器一样，但是有不同的机制和额外的复杂情况。光驱说的是ATAPI，这是ATA协议中编码的SCSI命令的一个版本。然而，硬盘不使用ATAPI，也不对任何SCSI命令进行编码!
Linux内核使用一个叫做libata的库的一部分来调和SATA（和ATA）驱动器与SCSI子系统。对于讲ATAPI的光驱来说，这是一个相对简单的任务，即把SCSI命令打包并提取到ATA协议中去。但对硬盘来说，这项任务要复杂得多，因为库必须做一个完整的命令转换。
光驱的工作类似于将一本英文书打入电脑。你不需要为了完成这项工作而理解书的内容，甚至也不需要理解英语。但硬盘的任务更像是阅读一本德语书，并将其作为英文翻译输入电脑。在这种情况下，你需要理解两种语言以及书中的内容。
尽管有这样的困难，libata还是执行了这项任务，并使将ATA/SATA接口和设备连接到SCSI子系统成为可能。(除了图3-2中所示的一个SATA主机驱动程序外，通常还涉及更多的驱动程序，但为了简单起见，我们没有显示出来）。
3.6.3 通用SCSI设备

当用户空间进程与SCSI子系统通信时，它通常是通过块设备层和/或其他位于SCSI设备类驱动（如sd或sr）之上的内核服务进行的。换句话说，大多数用户进程不需要知道任何关于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，通过其通用设备直接向设备发出SCSI协议命令。例如，考虑第3.6节中描述的系统，但这次，看看当你为lsscsi添加-g选项以显示通用设备时会发生什么：

1. $ lsscsi -g
2. [0:0:0:0]   disk    ATA       WDC WD3200AAJS-2  01.0  /dev/sda 1/dev/sg0
3. [1:0:0:0]   cd/dvd  Slimtype  DVD A DS8A5SH     XA15  /dev/sr0   /dev/sg1
4. [2:0:0:0]   disk    USB2.0    CardReader CF     0100  /dev/sdb   /dev/sg2
5. [2:0:0:1]   disk    USB2.0    CardReader SM XD  0100  /dev/sdc   /dev/sg3
6. [2:0:0:2]   disk    USB2.0    CardReader MS     0100  /dev/sdd   /dev/sg4
7. [2:0:0:3]   disk    USB2.0    CardReader SD     0100  /dev/sde   /dev/sg5
8. [3:0:0:0]   disk    FLASH     Drive UT_USB20    0.00  /dev/sdf   /dev/sg6

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除了通常的块设备文件外，每个条目在最后一列1中列出SCSI通用设备文件。例如，位于/dev/sr0的光驱的通用设备是/dev/sg1。
为什么你想使用一个通用设备？答案是与内核中代码的复杂性有关。随着任务变得越来越复杂，最好把它们留在内核之外。考虑一下CD/DVD的写入和读取。读取光盘是相当简单的操作，而且有专门的内核驱动。
然而，写光盘要比读光盘困难得多，而且没有关键的系统服务依赖于写光盘的操作。没有理由用这种活动来威胁内核空间。因此，要在Linux中写入光盘，你需要运行一个用户空间程序，与一个通用的SCSI设备对话，比如/dev/sg1。这个程序可能比内核驱动的效率低一些，但它更容易建立和维护。
3.6.4 单一设备的多种访问方法

图3-3展示了Linux SCSI子系统从用户空间访问光驱的两个点（sr和sg）（SCSI下层的任何驱动都被省略了）。进程A使用sr驱动从驱动器中读取，进程B使用sg驱动向驱动器写入。然而，像这样的进程通常不会同时运行来访问同一个设备。

图3-3：光学设备驱动原理图
在图3-3中，进程A从块设备中读取数据。但是，用户进程真的会以这种方式读取数据吗？通常情况下，答案是否定的，不是直接的。在块设备上面还有更多的层，甚至还有更多的硬盘访问点，你将在下一章中学习。

来源:https://www.cnblogs.com/testing-/p/17439516.html
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