linux-特殊设备文件 Dec 1, 2021 · linux · 分享到: 伪设备 /dev/null /dev/zero /dev/full /dev/random和/dev/urandom 标准输入输出设备 /dev/stdin或0 /dev/stdout或1 /dev/stderr或2 终端设备 从物理终端到虚拟终端 伪终端 串行端口终端 标准输入输出（错误）设备和终端设备的关系 linux-特殊设备文件 在Linux系统中，一切皆为文件，设备也不例外，会被描述为设备文件，比如常见硬盘会被描述为支持随机存取和寻址的块设备文件，键盘终端会被描述成不支持随机存取的字符设备文件。此外，Linux操作系统还有一些特殊的设备，例如伪设备、标准输入输出设备、终端设备等等，它们为操作系统提供了硬件的抽象化功能，简化的系统结构提升了系统架构的可理解性。 伪设备 在类Unix操作系统中，设备节点并不一定要对应物理设备。没有这种对应关系的设备是伪设备或虚拟设备。而对程序而言，这些伪拟设备文件则会被当成真实的文件对待。程序可以向伪设备请求数据（当具有可读权限时），所得到的数据将由操作系统提供。注意，这些数据并不是从磁盘上读取到的，而是由操作系统动态生成的。程序也可以向伪设备写入数据（当具有可写权限时），程序会根据伪设备的特性相应地处理写入的数据。部分经常使用到的伪设备包括： /dev/null：接受并丢弃所有输入；。 /dev/zero：产生连续的NUL字元的串流(数值为0)。 /dev/full：永远在被填满状态的设备。 /dev/random：产生一个虚假随机的任意长度字元串流。(Blocking，阻塞式) /dev/urandom：产生一个虚假随机的任意长度字元串流。(Non-Blocking，非阻塞式) /dev/null 1$ ls -l /dev/null 2crw-rw-rw- 1 root root 1, 3 Nov 18 18:57 null 对于以上伪设备，我们/dev/null应该算是最常见的了。/dev/null可称为空设备，它会接受任何写入的内容并把它们统统扔掉（但报告写入操作成功），就像黑洞一样，通常用于丢弃不需要的数据输出。在程序员行话，尤其是Unix行话中，/dev/null又被称为位桶(bit bucket)或者黑洞(black hole)。从权限来看，/dev/null还是可读的，读取它则会立即得到一个EOF(END Of File的缩写，表示终止符)标志。 总结：所有写入\dev\null的内容都会永远丢失，而尝试从它那儿读取内容则什么也读不到。 /dev/zero 1$ ls -l /dev/zero 2crw-rw-rw- 1 root root 1, 5 Nov 18 18:57 /dev/zero 在类UNIX 操作系统中，/dev/zero是一个特殊的文件，当你读它的时候，它会提供无限的空字符(NULL, ASCII NUL, 0x00)。它的典型用法包括用它提供的字符流来覆盖信息，以及产生一个特定大小的空白文件等。 1# 创建一个名为test-dev-zero、大小为1 MiB的文件，以ASCII码为“0”(NULL)的字符填充： 2$ dd if=/dev/zero of=test-dev-zero count=1024 bs=1024 31024+0 records in 41024+0 records out 51048576 bytes (1.0 MB, 1.0 MiB) copied, 0.00280503 s, 374 MB/s 6$ ls -lh test-dev-zero 7-rw-r--r-- 1 lelouch lelouch 1.0M Dec 6 22:34 test-dev-zero 8# 彻底覆盖某一分区的数据（低格）,谨慎操作 9$ dd if=/dev/zero of=/dev/<destination partition> 与/dev/null类似，/dev/zero也可以作为一个数据接收点，所有写往/dev/zero将返回成功，没有其他影响；/dev/null也是一样，但是/dev/null更常用。 /dev/full 1$ ls -l /dev/full 2crw-rw-rw- 1 root root 1, 7 Nov 18 18:57 /dev/full 注意啊/dev/full与/dev/null只有一个字母之差，不要打错或看错了。/dev/full也是可读写的，任何进程在向其写入时总是返回设备无剩余空间（错误码为ENOSPC， Error No Space的缩写），在Debian的返回结果如下所示；通常被用来测试程序在遇到磁盘无剩余空间错误时的行为。 1$ echo "hello" > /dev/full 2-bash: echo: write error: No space left on device 读取时则与/dev/zero一样，可返回无限多的空字符（NULL, ASCII NUL, 0x00）。它的典型用法和/dev/zero包括用它提供的字符流来覆盖信息，以及产生一个特定大小的空白文件等，但是正常情况下，用/dev/zero更多。 1# 创建一个名为test-dev-full、大小为1 MiB的文件，以ASCII码为“0”(NULL)的字符填充： 2$ dd if=/dev/full of=test-dev-full count=1024 bs=1024 31024+0 records in 41024+0 records out 51048576 bytes (1.0 MB, 1.0 MiB) copied, 0.00283009 s, 371 MB/s 6$ ls -lh test-dev-full 7-rw-r--r-- 1 lelouch lelouch 1.0M Dec 6 22:38 test-dev-full /dev/random和/dev/urandom 1$ ls -l /dev/random /dev/urandom 2crw-rw-rw- 1 root root 1, 8 Nov 18 18:57 /dev/random 3crw-rw-rw- 1 root root 1, 9 Nov 18 18:57 /dev/urandom /dev/random和/dev/urandom是Linux系统中提供的随机性的伪设备，这两个设备的任务，是提供永不为空的随机字节数据流。很多解密程序与安全应用程序（如SSH Keys,SSL Keys等）需要它们提供的随机数据流。读取这个两个设备都会返回一堆随机乱码。 这两个设备的差异在于：/dev/random的random pool依赖于系统中断，因此在系统的中断数不足时，/dev/random设备会一直封锁，尝试读取的进程就会进入等待状态，直到系统的中断数充分够用, /dev/random设备可以保证数据的随机性。/dev/urandom不依赖系统的中断，也就不会造成进程忙等待，但是数据的随机性也不高。如果不是研究特定问题，一般是用不到这两个设备的。 标准输入输出设备 还有一类常用的特殊设备就是标准输入输出设备，它们和我们的操作最息息相关。所有程序默认的输入都来自标准输入设备，所有回显的内容都会输出到标准输出设备，而所有的操作异常、错误信息都会给到标准错误设备。可以说标准输入输出设备是和我们直接交互的设备，简单说，我们通过标准输入设备给程序输入数据，再从标准输出（错误）设备得知程序运算的结果。它们三个分别表示为三个设备文件：标准输入设备/dev/stdin，标准输出设备/dev/stdout，标准错误设备/dev/stderr。 1$ ls -l /dev/std* 2lrwxrwxrwx 1 root root 15 Nov 18 18:57 /dev/stderr -> /proc/self/fd/2 3lrwxrwxrwx 1 root root 15 Nov 18 18:57 /dev/stdin -> /proc/self/fd/0 4lrwxrwxrwx 1 root root 15 Nov 18 18:57 /dev/stdout -> /proc/self/fd/1 从上面的结果来看，这三个设备分别了链接到三个文件描述符(file descriptor, fd)，习惯上，标准输入（standard input）的文件描述符是 0，标准输出（standard output）是 1，标准错误（standard error）是 2。尽管这种习惯并非Unix内核的特性，但是因为一些 shell 和很多应用程序都使用这种习惯，因此，基本常见内核都遵循这种习惯。 /dev/stdin或0 STDIN标准输入是指输入至程序（进程）的资料、文件等数据流，此数据流默认从标准输入设备获取，最常见的标准输入设备是键盘，在以ssh远程登陆的linux中也会指向虚拟终端pts。需要指出，并不是所有程序都需要输入，如dir或ls程序（显示一个目录中的文件名）运行时不用任何输入。 默认终端登录：/dev/stdin -> /proc/self/fd/0 -> /dev/tty1 SSH登录：/dev/stdin -> /proc/self/fd/0 -> /dev/pts/0 /dev/stdout或1 STDOUT（fd:1）标准输出是指程序输出资料、数据、图像的数据流，标准输出的默认对应设备是终端（这是个广阔的概念，linux中以tty指代），在以ssh远程登陆的linux中也会指向虚拟终端pts。需要指出：并非所有程序都要求输出。如mv或ren程序在成功完成时是沉默的。Linux的设计理念有一条即是没有消息就是好消息。 默认终端登录：/dev/stdout -> /proc/self/fd/1 -> /dev/tty1 SSH登录：/dev/stdout -> /proc/self/fd/1 -> /dev/pts/0 /dev/stderr或2 STDERR（fd:2）标准错误是另一输出流，用于输出错误消息或诊断。它独立于标准输出，且可以分别被重定向。常见的默认目的则为启始这个程序的终端（和STDOUT一致）。 默认终端登录：/dev/stderr -> /proc/self/fd/2 -> /dev/tty1 SSH登录：/dev/stderr -> /proc/self/fd/2 -> /dev/pts/0 我们发现不管是通过终端还是ssh登录，最终标准输入、输出、错误设备都会被定位到同一个设备，/dev/tty1或/dev/pts/0，这都是linux使用虚拟终端的结果，linux使用虚拟终端来同一管理这些数据流和相应设备的驱动、协议等。下一节我们就介绍终端设备，例如tty与pts。 终端设备 Linux的终端设备是与我们直接交互的设备，我们这里仅介绍以命令行为主的文字终端设备。终端设备，或TTY设备是一类特殊的字符设备，所有可以被用来当作控制终端的设备都可以被称为终端设备，目前常见的包括虚拟终端、串口和伪终端。 从物理终端到虚拟终端 计算机在早期都是庞大、复杂且昂贵的，即使发展到20世纪80，90年代，一台个人电脑（PC）依旧是很罕见的，在Linux诞生的1991年，一台便宜的Apple Macintosh PowerBook的价格是2,299美元，要知道那可是1991年的2,299美元，当年中国人民的人均GDP才333美元。所以在计算机发展早期，大多用户是通过物理终端（外设）连接到大型计算机或中型计算机的，共享一台计算机。来看看著名的IBM 308X系列计算机（以下房间中所有设备都是IBM 3081计算机的一部分）： 由于早期的计算机都是多用户共享的，而每个用户需要一套单独的外设（电传机，teletype，简称tty以及显示器）去连接主机，因此系统中就要有相应的tty终端对接程序，Linux中保留的可以通过ctrl+alt+F1~F6切换的tty1-tty6（/dev/tty1~/dev/tty6）六个终端就是这个时期历史遗留的产物（在具有桌面环境的Linux发行版中，X Window Systemy一般在/dev/tty7上运行，也有把桌面终端放在tty1和tty2的比如Ubuntu，依各Linux发行版自己决定）。除了通过tty连接的终端，早期电脑上还自带一个可以直接操作和能够显示系统信息的控制台（console），在linux中也有一个对应的设备/dev/console。 那时tty和console还是有很大的区别的，很多系统配置只能通过console修改，tty只能执行特定的用户程序，得到用户程序返回的信息。这同样说明，控制台是计算机的基本设备，而终端是附加外设。 这个设计也保留到了如今的Linux操作系统中，与终端不相关的信息，比如内核消息，后台服务消息，只显示到控制台上，但不会显示到终端上。比如在启动和关闭Linux系统时，我们可以在控制台上看到很多的内核信息，而如果通过telnet、ssh等方式连接上Linux系统，这些开关机信息是不会显示的。 后来，由于终端硬件设备越来越多样化，厂商也各不相同，于是Linux就将对接外设的部分单独拎出来模块化并设计了名叫TTY的子系统，对于每一个终端，TTY driver都会创建一个TTY设备与它对应，如果有多个终端连接过来，那么看起来就是这个样子的： 1 +----------------------------------------+ 2 | TTY 驱动 | 3 | | 4 | +-------+ | +------------------------+ 5+------------+ | | |<-------->| 用户进程 A | 6| 终端 A |<---------|->| tty1 | +------------+ 7+------------+ | | |<-------->| 用户进程 B | 8 | +-------+ | +------------------------+ 9 | 10 | +-------+ | +------------------------+ 11+------------+ | | |<-------->| 用户进程 C | 12| 终端 B |<---------|->| tty2 | +------------+ 13+------------+ | | |<-------->| 用户进程 D | 14 | +-------+ | +------------------------+ 15 | | 16 +----------------------------------------+ 后来随着计算机的不断发展，teletype，console这些特定的外设逐渐消失，我们不再需要专门的终端设备了，每个机器都有自己的键盘和显示器，每台机器还可以是其它机器的终端，即远程的操作通过ssh来实现，但是内核TTY驱动这一架构一直没有发生变化，我们想要和系统中的进程进行I/O交互，还是需要通过TTY设备，于是出现了各种终端模拟软件，最终物理终端都变成了虚拟终端埋进了内核中。我们的输入和程序的输出都通过终端模拟软件转变为过去的tty设备信息流与内核交互，可以称之为隐藏在内核深处的计算机历史痕迹😆。 1 +-----------------------------------------+ 2 内核 | 用户空间 | 3 | +-----+ +------+ | +---------+ 4+--------+ | |<-->| tty1 |<-|--->| Shell 1 | 5| 键 盘 |--->| 终端 | +------+ | +---------+ 6+--------| | 模拟 |<-->| tty2 |<-|--->| Shell 2 | 7| 显示器 |<---| 软件 | +------+ | +---------+ 8+--------+ | |<-->| tty3 |<-|--->| Shell 3 | 9 | +-----+ +------+ |--------------+ 10 | | | 11 +-----------------------------------------+ 需要指出，软件仿真终端和tty是运行在内核态的。过去的/dev/console被默认连接到当前登录的虚拟终端（/dev/tty0也同样指向当前的虚拟终端，但是/dev/tty指向的当前任意终端，既可以是虚拟终端也可使伪终端）。我们可以通过把终端用ctrl+alt+F6切换到tty6做以下尝试： 1#/dev/tty Current TTY device 2#/dev/console System console, defalut current virtual console 3#/dev/tty0 Current virtual console 4$ tty 5/dev/tty6 6$ sudo bash -c 'echo "Hello from tty6" > /dev/console' 7Hello from tty6 8$ sudo bash -c 'echo "Hello from tty6" > /dev/tty' 9Hello from tty6 10$ sudo bash -c 'echo "Hello from tty6" > /dev/tty0' 11Hello from tty6 从这三个设备都得到了重定向的消息，说明它们三个都被连接到了当前终端。但是，如果用伪终端，只有sudo bash -c 'echo "Hello from tty6" > /dev/tty'会有回显。例如，我们用Ubuntu自带的伪终端尝试结果如下： 伪终端和虚拟终端有什么不同呢？我们下面看看伪终端。 伪终端 当我们需要终端模拟器有更灵活的功能而又不想动用内核时，我们也可以让终端模拟程序运行在用户区。如果我们让终端模拟程序运行在用户区，就需要伪终端（pseudoterminal或pseudotty, PTY）。PTY是描述并非单个设备文件，而是一对可双向通信的虚拟字符设备，称为 PTY master(ptmx)和 PYT slave(pts)。当前PTY有BSD（master名/dev/pty[p-za-e][0-9a-f]，salve名/dev/tty[p-za-e][0-9a-f]）和UNIX 98(master名/dev/ptmx，salve名/dev/pts/*)两种命名与实现方式，但是目前大多数都用的是UNIX98标准。 从用户空间的程序来看，使用虚拟终端还是伪终端都是一样的。此外，如果系统由多个伪终端连接，ptmx和pts合力完成多个伪终端的会话管理。但由于PTY运行在用户区，更加安全和灵活，同时仍然保留了TTY驱动的功能，因此我们目前在Linux桌面发行版中调出来的命令行工具、telnet、ssh、VNC远程连接几乎都是伪终端。常用的伪终端有xterm，gnome-terminal，以及远程终端ssh等。 伪终端的具体工作流程比较复杂，如果想具体了解可以参考2010年的《The Linux Programming Interface》的64章。对一般用户而言，我们只需要知道他是一种运行在用户空间的tty就可以了~ 串行端口终端 串行端口终端是基于RS-232接口连接到主机的终端设备，作为最古老的设备接口之一，早期的外设一般都使用串行端口终端。同样的，它也是一类字符设备，用设备描述符/dev/ttySX表示,"X"代表一数字。现在串口协议一般用在嵌入式单片机或工业机上，大多数个人电脑现在连串口接口都没保留。下图以纪念我单片机焊板子的生活： 标准输入输出（错误）设备和终端设备的关系 默认情况下，标准输入输出（错误）设备会被链接到当前正在使用的终端设备，可以是虚拟设备也可以是伪设备，重要点是正在操作哪个终端设备。