Файловые системы /dev и /proc в Linux 2.4 0

В Linux есть две файловые системы, которые абсолютно непоняты новым пользователям. У этих двух каталогов, /proc и /dev, нет аналогов в Windows. Тем не менее, они очень важны для понимания и использования Linux.

Автор оригинала: Matt Butcher.

В Linux есть две файловые системы, которые абсолютно непоняты новым пользователям. У этих двух каталогов, /proc и /dev, нет аналогов в Windows. Тем не менее, они очень важны для понимания и использования Linux.

Данная статья представляет собой краткий обзор файловых систем для устройств (/dev) и для процессов (/proc). В ней рассказывается о том, что они из себя представляют, как работают и как используются.

/dev: файловая система для устройств

Устройства: В Linux’е устройство является специальным «оборудованием» (или кодом, эмулирующим его), которое представляет методы для ввода или вывода информации (IO — Input/Output). Например, клавиатура — устройство для ввода. Жесткий диск — устройства для ввода (запись) и вывода (чтение). Большинство устройств в Linux’е представлено как файлы в особой файловой системе (за исключением сетевых карт). Эти файлы хранятся в каталоге /dev, куда к ним обращается система для выполнения задач, связанных с вводом/выводом.

Грубо говоря, устройства можно разделить на две категории: символьные и блочные. Символьные устройства вводят/выводят по символам. Наиболее показательным примером служит клавиатура, у которой нажатие каждой клавиши формирует символ, передаваемый компьютеру. Мышь работает немного по-другому. Каждое движение или нажатие на кнопку отправляет символ на /dev/mouse.

Блочные устройства считывают данные большими объемами. Примерами служат устройства для хранения данных, такие как IDE жесткие диски (/dev/hd), SCSI жесткие диски (/dev/sd) и CD-ROM’ы (например, /dev/cdrom0 — символическая ссылка на первый CD-ROM). Операции ввода/вывода блочные устройства проводят с определенными блоками данных, что позволяет работать с большими объемами информации более эффективно.

Названия устройств: Устройства часто называются путем сокращения имен представляемого ими оборудования. Устройства с именами /dev/fb представляют буферы фреймов (frame buffers) для графики. Устройства /dev/hd представляют IDE жесткие диски (hard disks). В некоторых случаях для пояснения того, чем является устройство, используются символические ссылки: например, /dev/mouse, устройство, представляющее мышь, может быть прилинковано к последовательному, USB или PS2 устройству, в зависимости от железа. Символическая ссылка помогает и человеку, и машине разобраться, какое из устройств — мышь.

Иногда бывает несколько устройств одного типа. Например, у машины два ATAPI CD-ROM’а. Каждому CD-приводу нужен файл в /dev. В таком случае, возможен вариант, что /dev/cdrom0 будет первым CD-ROM’ом, а /dev/cdrom1 — вторым.

С именами жестких дисков немного сложнее. Название устройства жесткого диска зависит от типа диска, его позиции и раздела (partition’а). Первый жесткий диск может быть назван /dev/hda, где часть «hd» означает, что это IDE жесткий диск, а «a» показывает, что это первый жесткий диск. Тогда /dev/hdb будет ссылаться на второй жесткий диск. Каждый жесткий диск разбит на разделы. Первый раздел первого жесткого диска получит название /dev/hda1, где единица в конце обозначает номер раздела. Обратите внимание на то, что, если индексы некоторых устройств (например, /dev/cdrom0) могут начинаться с нуля, то индекс устройств с разделами обычно начинается с единицы. Вот примерный список файлов в /dev для двух IDE жестких дисков:

• /dev/hda;
• /dev/hda1;
• /dev/hda2;
• /dev/hda3;
• /dev/hda4;
• /dev/hdb;
• /dev/hdb1;
• /dev/hdb2;
• /dev/hdb3.

SCSI жесткие диски используют /dev/sd вместо /dev/hd, но все остальное выглядит также. /dev/sda1 ссылается на первый раздел первого SCSI жесткого диска.

Специальные устройства: Существует несколько специальных устройств, которые порой бывают очень полезны: /dev/null, /dev/zero, /dev/full и /dev/random.

Нулевое устройство, /dev/null представляет собой что-то типа «мусорной корзины». Часто некоторые программы выводят множество ненужной информации. Shell-скрипты обычно используют /dev/null для того, чтобы пользователь не видел ненужных ему сообщений от вызываемых утилит. Вот пример вызова модуля ядра с выводом всех сообщений в /dev/null.

$ modprobe cipher-twofish > /dev/null

/dev/zero близок к /dev/null. Как и /dev/null, устройство может быть использовано для блокирования вывода ненужной информации, но чтение /dev/zero возвращает \0 символы (чтение /dev/null возвращает символы end-of-file — конец файла). Поэтому /dev/zero обычно используется для создания пустых файлов.

$ dd if=/dev/zero of=/my-file bs=1k count=100

Такая команда (см. выше) создаст файл размером в 100 кб, наполненный null-символами.

/dev/full служит для имитации «полного» устройства. Запись в /dev/full сопровождается ошибкой. «Полное» устройство полезно для того, чтобы посмотреть, как тестируемое приложение будет себя вести при попытки доступа к заполненному устройству (т.е. например, к жесткому диску, на котором не осталось места).

$ cp test-file /dev/full
cp: writing `/dev/full": No space left on device
$  df -k /dev/full
file system           1k-blocks     Used Available Use% Mounted on
/dev/full                    0        0         0   -

Устройства /dev/random и /dev/urandom создают «случайные» данные. Хотя вывод обоих может показаться абсолютно случайным, /dev/random более случаен чем /dev/urandom. /dev/random создает случайные символы, основываясь на «окружающем шуме». Так как количество этого случайного шума ограничено, /dev/random работает медленно и может временно останавливаться для дальнейшего сбора данных. /dev/urandom использует тот же шум, что и /dev/random, но если случайных данных больше нет, оно создает псевдо-случайные данные. Таким образом увеличивается его скорость, но уменьшается безопасность.

Старая файловая система /dev: Раньше файловая система /dev была частью обычной файловой системы. Она состояла из специальных файлов, созданных однажды (обычно при установке системы) и сохраненных на жестком диске.

В старых системах файловая система /dev должна содержать информацию обо всех устройствах, которые могут быть подключены к компьютеру. Из-за этого /dev была слишком большой — приходилось хранить сведения о множестве жестких дисков, дисководов и т.п. Ранее мы рассматривали список разделов жесткого диска hdb. В старой файловой системе /dev приходилось содержать файлы с /dev/hdb1 до /dev/hdb11. Чтобы выяснить, какие устройства действительно привязаны к разделам жесткого диска (если помните, у меня всего три раздела на hdb), нужно вызвать специальную утилиту. Команда «file -s hdb*» поможет в этом разобраться:

$ file -s /dev/hdb?
/dev/hdb1: Linux/i386 ext2 file system
/dev/hdb2: Linux/i386 ext2 file system
/dev/hdb3: Linux/i386 ext2 file system
/dev/hdb4: empty
/dev/hdb5: empty
/dev/hdb6: empty
/dev/hdb7: empty
/dev/hdb8: empty
/dev/hdb9: empty

Если указанного файла устройства не было, приходилось его создавать с помощью mknod или другой программы (типа MAKEDEV). Хотя «старый способ» работал, он был сложен и неудобен.

DevFS: В ядрах 2.4.x была представлена альтернативная дисковая файловая система /dev. Эта альтернатива, DevFS, подключала код нового устройства в ядро. В DevFS файловая система /dev создается во время каждого запуска компьютера и сохраняется в оперативной памяти, а не на жестком диске. При использовании этой модели пропадает нужда в поддержке списка всех возможных устройств, а когда появляется новое устройство, ядро просто делает для него запись в /dev. Если же устройствам нужна особая настройка в DevFS, существует конфигурационный файл (обычно /etc/devfsd.conf).

/proc: Файловая система для процессов

Процессы: В любое время в Linux’е одновременно запущено множество процессов. Некоторые из них, такие как оконные менеджеры, email-клиенты и Web-браузеры, видны конечному пользователю. Другие, вроде серверов и вспомогательных процессов, в глаза не бросаются, но запущены в фоновом режиме, выполняя задания, не требующие каких-либо действий со стороны пользователя. Запуск «ps -ef» в shell’е выведет список всех запущенных на данный момент процессов. А выглядеть будет примерно так:

$ ps -ef
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root         1     0  0 11:08 ?        00:00:04 init
root         2     1  0 11:08 ?        00:00:00 [keventd]
root         3     0  0 11:08 ?        00:00:00 [ksoftirqd_CPU0]
root         4     0  0 11:08 ?        00:00:00 [kswapd]
root         5     0  0 11:08 ?        00:00:00 [bdflush]
root         6     0  0 11:08 ?        00:00:00 [kupdated]
root         8     1  0 11:08 ?        00:00:00 [kjournald]
root        86     1  0 11:08 ?        00:00:00 /sbin/devfsd /dev
root       165     1  0 11:09 ?        00:00:00 [kjournald]
root       168     1  0 11:09 ?        00:00:00 [khubd]
root       294     1  0 11:09 ?        00:00:00 [kapmd]
root       515     1  0 11:09 ?        00:00:00 metalog [MASTER]
root       521   515  0 11:09 ?        00:00:00 metalog [KERNEL]
root       531     1  0 11:09 ?        00:00:00 /sbin/dhcpcd eth0 /etc/X11/fs/config -droppriv -user xfs
root       572     1  0 11:09 ?        00:00:00 /usr/kde/2/bin/kdm
root       593   572  2 11:09 ?        00:04:27 /usr/X11R6/bin/X -auth /var/lib/kdm/authfiles/A:0-25pIgI
root       644     1  0 11:09 vc/1     00:00:00 /sbin/agetty 38400 tty1 linux
root      1045   572  0 12:16 ?        00:00:00 -:0
mbutcher  1062  1045  0 12:16 ?        00:00:00 /bin/sh /etc/X11/Sessions/kde-2.2.2
mbutcher  1091  1062  0 12:16 ?        00:00:00 /bin/bash --login /usr/kde/2/bin/startkde
mbutcher  1132     1  0 12:16 ?        00:00:00 kdeinit: Running…
mbutcher  1157  1132  0 12:16 ?        00:00:01 kdeinit: kwin
mbutcher  1159     1  0 12:16 ?        00:00:07 kdeinit: kdesktop
mbutcher  1168     1  0 12:16 ?        00:00:00 kdeinit: kwrited
mbutcher  1171  1168  0 12:16 pty/s0   00:00:00 /bin/cat
mbutcher  1173     1  0 12:16 ?        00:00:00 alarmd
mbutcher  1207  1132  0 12:23 ?        00:00:08 kdeinit: konsole -icon konsole -miniicon konsole
mbutcher  1219  1207  0 12:23 pty/s2   00:00:00 /bin/bash
mbutcher  1309  1260  0 13:48 pty/s3   00:00:01 vi dev-and-proc.html
root      1314  1220  0 14:03 pty/s2   00:00:00 ps -ef

Многие из задач в выводе ps являются процессами, работающими в фоновом режиме. Те, что взяты в квадратные скобочки — процессы ядра. Только некоторые, вроде процессов kde и записей в конце списка, являются процессами, с которыми я взаимодействую напрямую.

Для управления системой ядро должно хранить информацию о каждом запущенном процессе, включая само себя. Также должна быть возможность просмотра сведений о запущенных приложениях пользовательского уровня (хорошим примером служит «ps», а также «top»). В файловой системе /proc ядро и хранит информацию о процессах.

Как и DevFS, /proc хранится в памяти, а не на диске. Если вы посмотрите в файл /proc/mounts (в котором приводится список всех примонтированных файловых систем), то увидите строку вроде этой:

proc /proc proc rw 0 0

/proc контролируется ядром, у этой файловой системы нет «под собой» какого-либо устройства. Так как в ней в основном содержится информация, управляемая ядром, наиболее логичным место для хранения такой информации является память, также контролируемая ядром.

Информация о запущенных процессах: Чтобы хранить информацию обо всех процессах, ядро присваивает каждому из них PID (Process ID — идентификатор процесса) в виде числа. Запуск команды «ps -ef» (см. выше) выведет список всех запущенных процессов в порядке их PID’ов (вторая колонка). Файловая система /proc хранит информацию о каждом PID.

В /proc названиями многих каталогов являются числа. Эти директории ссылаются на номера PID. В таких каталогах находятся файлы, которые предоставляют подробную информацию о положении, окружении и прочих деталях процесса. В выводе ps (см. выше) была следующая строка:

mbutcher  1219  1207  0 12:23 pty/s2   00:00:00 /bin/bash

Этот процесс — запущенный bash shell, имеющий PID 1219. Каталог /proc/1219 содержит информацию об этом процессе.

$ ls /proc/1219
cmdline  cpu  cwd  environ  exe  fd  maps  mem  root  stat  statm  status

В файле «cmdline» располагается команда, которая вызвала процесс. В файле «environ» находятся данные о значениях окружения для процесса. «status» содержит информацию о статусе процесса, среди которой пользовательский (UID) и групповой (GID) идентификаторы для пользователя, запустившего процесс, идентификатор родительского процесса (parent process ID — PPID) и текущий статус процесса (например, «Sleep» или «Running»).

$ cat status
Name:   bash
State:  S (sleeping)
Tgid:   1219
Pid:    1219
PPid:   1207
TracerPid:      0
Uid:    501     501     501     501
Gid:    501     501     501     501
FDSize: 256
Groups: 501 10 18
VmSize:     2400 kB
VmLck:         0 kB
VmRSS:      1272 kB
VmData:      124 kB
VmStk:        20 kB
VmExe:       544 kB
VmLib:      1604 kB
SigPnd: 0000000000000000
SigBlk: 0000000080010000
SigIgn: 8000000000384004
SigCgt: 000000004b813efb
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000000000000000
CapEff: 0000000000000000

У каждого каталога процесса есть несколько символических ссылок. «cwd» ссылается на текущий рабочий каталог для процесса. «exe» — ссылка на исполняемую программу процесса, а «root» ссылается на каталог, который процесс рассматривает как корневой (обычно «/»). В каталоге «fd» содержится список символических ссылок на дескрипторы файлов, используемых процессом.

Существуют и другие файлы в каталоге процесса, предоставляющие исчерпывающую информацию: от занятности процессора и памяти до количества времени, которое запущен процесс. Большая часть этих файлов описана в документации исходников ядра («Documentation/file systems/proc.txt»), а также доступна в man — «man proc».

Информация о ядре: Кроме хранения сведений о процессах, файловая система /proc содержит множество информации, самостоятельно созданной ядром для описания общего состояния системы.

Ядро и модули могут создавать файлы в /proc для того, чтобы предоставить информацию о своем текущем состоянии. Например, /proc/fb показывает, какие сейчас доступны устройства типа frame buffer (буферы фреймов обычно используются для отображения загрузочного логотипа).

$ cat fb
0 VESA VGA

Обратите внимание, что 0 ссылается на индекс frame buffer’а и устройство /dev/fb0. Если бы у меня был второй framebuffer, то появилась бы еще и строка с 1, соответствующая /dev/fb1. Часто данные proc ссылаются на устройства в /dev.

В /proc хранится немало информации о железе. В файле /proc/pci написано про все обнаруженные в системе PCI устройства. Запуск команды «lspci» выводит идентичную информацию, так как использует /proc/pci для получения сведений об устройствах. В /proc/bus находятся каталоги для bus-архитектур (PCI, PCCard, USB), в которых содержится информация об устройствах, присоединенных таким образом (PCI, PCCard, USB). Информация о сети располагается в /proc/net. Информацию о жестких дисках можно найти в /proc/ide и /proc/scsi (в зависимости от типа устройства). В /procs/devices присутствует список всех устройств системы (они разделены на две категории: «block» — блочные, «character» — символьные).

$ cat /proc/devices
 Character devices:
   1 mem
   2 pty/m%d
   3 pty/s%d
   4 tts/%d
   5 cua/%d
   7 vcs
  10 misc
  14 sound
  29 fb
 116 alsa
 162 raw
 180 usb
 226 drm
 254 pcmcia
Block devices:
  1 ramdisk
  2 fd
  3 ide0
 22 ide1

В действительности, в /proc находится намного больше файлов, чем было описано здесь. У каждого ядра они могут несколько различаться, в зависимости от того, что было включено в ядро, какое железо и программное обеспечение используется и в каком состоянии в настоящий момент находится компьютер. К некоторым из этих файлов постоянно обращается машина, а другие предоставляют «интуитивную» информацию.

Работа с процессами через /proc: Некоторые файлы /proc предназначены не только для чтения. Запись в них может влиять на состояние ядра. Просмотр содержимого файла в /proc обычно безопасно, но запись в них без точной уверенности в своих действиях может приводить к фатальным последствиям. Несмотря на это, иногда запись в /proc — единственный способ связи с ядром.

Например, в некоторых версиях ядра присутствует опция включения Web-сервера (khttp), работающего на уровне ядра. Из-за того, что запуск Web-сервера по умолчанию является риском с точки зрения безопасности, khttp требует записи в /proc для запуска.

echo 1 > /proc/sys/net/khttpd/start

Когда ядро видит, что содеримое /proc/sys/net/khttps/start меняется с 0 (по умолчанию) на 1, оно запускает сервер khttpd.

Существуют десятки других настраиваемых параметров в /proc — некоторые для конфигурации железа, другие для управления ядром. Однако, многие из них являются низкоуровневыми и могут привести к печальным последствиям, если указать неправильные значения. Поэтому, если вы твердо не уверены в своих действиях, менять параметры в /proc строго не рекомендуется.

Вывод

/proc и /dev представляют интерфейсы к внутренностям Linux’а с помощью файлов. Они способствуют настройке и получению сведений об устройствах и процессах системы. Благодаря ним, можно с легкостью обновлять, изучать, запускать систему и устранять разнообразные неполадки. Понимание и применение знаний этих двух файловых систем являются ключом к созданию «более вашей» Linux-системы.