- Matt Butcher, 4.04.02. Перевод: Valery V. Kachurov. -

В Linux существуют две директории - /dev и /proc, которые не имеют Windows-аналогов, и их назначение начинающим пользователям обычно непонятно. Но именно они являются мощными инструментами для понимания и более эффективного использования Linux.
Эта статья - обзор файловых систем Device (/dev) и Process (/proc). Здесь обьясняется, что это такое, как они работают, и как они используются на практике.

/dev: Файловая система устройств.

Устройства: В Linux устройство - это любая вещь (или программа, эмулирующая эту вещь), которая предоставляет методы для осуществления ввода/вывода. Например, клавиатура - это устройство ввода. В Linux большинство устройств представлены, как файлы в этой файловой системе (сетевые карты - исключение). Эти специальные файлы хранятся в /dev, и легко доступны для всех процессов, работающих с устройствами.

Обычно устройства разделяются на 2 категории - символьные устройства и блочные устройства. Символьные устройства производят операции ввода-вывода на базе символов. Самый очевидный пример - это клавиатура, где каждое нажатие кнопки посылает один символ.

Блочные устройства читают данные большими блоками. Обычно это - устройства хранения данных, такие, как жесткие диски IDE (/dev/hd), SCSI (/dev/sd) и CD-ROMы (/dev/cdrom). В операциях ввода-вывода учавствуют большие массивы данных, что обеспечивает более эффективную работу.

Наименования устройств: Устройства часто называются сокращенными названиями вещей, которые они представляют. Например, /dev/fb представляет Frame Buffer для графики, а /dev/hd - жесткие диски IDE. Иногда более удобны бывают символьные ссылки, например - /dev/mouse может ссылаться на USB, PS2, и т.д.

Иногда может быть несколько одинаковых устройств. Если на компьютере 2 CD-ROMа, то первый будет называться /dev/cdrom0, а второй - /dev/cdrom1.

В случае с жесткими дисками наименование становится сложнее. Имя устройства состоит из типа, позиции и номера раздела. Например, первый жесткий диск может быть назван /dev/hda, где "hd" обозначает "диск IDE", а "a" - что это первый HDD. /dev/hdb будет указыать на второй жесткий диск. Первый раздел на первом диске будет называться /dev/hda1, где число 1 - номер раздела. Заметьте, что у некоторых устройств нумерация может начинаться и с нуля (/dev/cdrom0). Список всех разделов может выглядеть примерно так:

/dev/hda
/dev/hda1
/dev/hda2
/dev/hda3
/dev/hda4
/dev/hdb
/dev/hdb1
/dev/hdb2
/dev/hdb3

Жесткие диски SCSI используют /dev/sd вместо /dev/hd, но их правила наименования ничем не отличаются.

Специальные устройства: Существует несколько специальных устройств, которые иногда могут быть полезны - /dev/null, /dev/zero, /dev/full и /dev/random.

Устройство /dev/null физически не существует, но данные, помещенные туда, просто исчезают и их уже невозможно вернуть обратно. Во многих случаях программы выводят много лишней информации. В shell-скриптах /dev/null часто используется, чтобы не беспокоить пользователя различными ненужными вещами. В примере, приведенном ниже, в ядро помещается модуль и весь вывод перенаправляется в /dev/null.

$ modprobe cipher-twofish > /dev/null

/dev/zero выполняет почти те же функции, что и /dev/null. Это устройство так же используется, чтобы убрать ненужные данные, но чтение из /dev/zero постоянно дает символы "". (Чтение из /dev/null дает символы "End Of File"). Поэтому /dev/zero часто используется для создания пустых файлов:

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

Эта команда создает файл размером 100 Kb, состоящий только из нулевых символов.

/dev/full изображает полное устройство. Запись в /dev/full возвращает ошибку. Это устройство полезно при тестировании таких ситуаций, когда программа обращается к устройству, не имеющему свободного 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 генерируют "случайную" информацию. Хотя вывод из обоих этих устройств может показаться совершенно случайным, но /dev/random на самом деле более случайно, чем /dev/urandom. /dev/random генерирует случайные символы на основе "шума окружающей среды", который имеет ограниченное количество, поэтому /dev/random работает медленно, и может иногда останавливаться и ждать поступления новых данных. /dev/urandom использует те же данные, что и /dev/random, но если случайные данные заканчиваются, начинается генерация псевдослучайных чисел. Это делает /dev/urandom более быстрым, но менее безопасным.

Старая файловая система /dev: В прошлом /dev была частью нормальной файловой системы и состояла из специальных файлов, созданных при установке системы и хранящихся на жестком диске.

Обычно /dev занимала очень много места, чтобы поддерживать множество жестких дисков, консолей, и т.д. Например, в старой файловой системе размещались сразу же 11 записей для жестких дисков - с /dev/hdb1 по /dev/hdb11. И чтобы выяснить, какой из этих файлов действительно соответствует устройству, нужна была команда:

$ 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 файл для устройства не присутствовал, его нужно было создавать специальной программой mknod или MAKEDEV. Хотя старая модель работала, но она была сложной и неудобной.

DevFS: В ядрах версии 2.4 появилась альтернатива под названием DevFS. Принцип - файловая система /dev создается ядром при каждой загрузке и хранится в оперативной памяти. Если добавляются новые устройства, ядро просто добавляет запись, соответствующую им, в /dev. Если устройство требует специальной конфигурации для корректной работы с DevFS, то существует конфигурационный файл (обычно /etc/devfsd.conf).

/proc: Файловая система для процессов.

Процессы: В любое время Linux имеет много процессов, запущенных одновременно. Некоторые процессы доступны пользователю, а некоторые находятся на заднем плане и обрабатывают задачи, которые не требуют взаимодействия с пользователем. Запуск "ps -ef" в консоли выведет список всех процессов. Это выглядит 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 списке, выведенном ps - это процессы, выполняемые на заднем плане. Процессы, заключенные в квадратные скобки - это процессы на уровне ядра. И только несколько задач, таких, как процессы KDE и записи в нижней части списка, взаимодействуют с пользователем.

Чтобы управлять системой, ядро должно следить за каждым запущенным процессом, включая себя. Так же информация о запущенных процессах должна быть доступна и для многих пользовательских приложений, таких, как "ps" и "top". В файловой системе /proc ядро хранит информацию о процессах.

Как DevFS, /proc хранится в памяти, а не на диске. Если посмотреть на файл /proc/mounts (который перечисляет все смонтированные файловые системы), то вы увидите строку:

proc /proc proc rw 0 0

/proc контролируется ядром и не имеет соответствующего устройства.

Информация о запущенных процессах: Чтобы следить за процессами, ядро назначает каждому из них номер PID (Process ID). Запуск команды "ps -ef", как мы уже делали ранее, напечатает список процессов, отсортированный по номеру PID (вторая колонка). В /proc хранится информация о каждом PID.

Многие директории в /proc - это числа, соответствующие номерам PID. Внутри директорий есть файлы, предоставляющие важные детали о процессе. Например, в выводе ps (выше) была строка:

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

Этот процесс запускает bash, и имеет PID 1219. Директория /proc/1219 содержит информацию об этом процессе.

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

Файл "cmdline" содержит команду, данную для запуска этого процесса. Файл "environ" содержит переменные для процесса. "status" имеет статусную информацию, включая номер пользователя (UID) и номер группы (GID) пользователя, запустившего процесс, номер родительского процесса PPID (parent process ID), который запустил PID, и текущее состояние процесса, такое, как "Sleeping" 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

Каждая директория процесса также содержит несколько символических ссылок. "cwd" - ссылка на текущую рабочую директорию для этого процесса, "exe" - ссылка на саму программу, и "root" ссылается на директорию, которую программа считает корневой (обычно "/"). Директория "fd" содержит список символических ссылок на описания файлов, используемых процессом.

Так же в директории есть и другие файлы, предоставляющие информацию обо всем, начиная от использования процессора и памяти до количества времени, в течении которого этот процесс работал. Они описаны в исходниках ядра под "Documentation/file systems/proc.txt" и в man-странице "man proc".

Информация ядра: Кроме информации о процессах, /proc содержит много информации, генерируемой ядром для описания состояния системы.

Ядро и его модули могут генерировать файлы в /proc для предоставления информации об их состоянии. Например, /proc/fb предоставляет информацию о доступных устройствах frame buffer (чаще всего используются для демонстрации логотипа при загрузке).

$ cat fb
0 VESA VGA

Число 0 - это индекс устройства, соответствующего /dev/fb0. Если бы имелся второй frame buffer, то имелась бы еще одна запись, соответствующая /dev/fb1. Вообще, данные в /proc часто ссылаются на устройства в /dev или дают о них больше информации.

Много информации об устройствах хранится в /proc. Файл /proc/pci содержит информацию о почти каждом PCI-устройстве, обнаруженном в системе. Запуск команды "lspci" выводит похожий список, потому что в качестве источника информации используется именно /proc/pci. /proc/bus содержит директории для различных шинных архитектур (PCI, PCCard, USB), которые в свою очередь содержат информацию об устройствах, подключенных к этим шинам. Сетевая информация и статистика хранится в /proc/net. Информация о жестких дисках хранится в /proc/ide и /proc/scsi, в зависимости от типа жесткого диска. /proc/devices перечисляет все устройства, разделенные на категории "block" и "characters".

$ 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

А вообще - в /proc имеется намного больше файлов, чем описано здесь. Для каждого ядра формат /proc может быть разным, в зависимости от конфигурации и версии ядра, установленных устройств, и состояния компьютера. Формат информации может быть разным, но большинство из этих файлов документированы в Documentation/file systems/proc.txt.

Взаимодействие с процессами через /proc: Некоторые файлы из /proc предназначены не только для чтения. Запись в них может изменять параметры ядра. Чтение файлов из каталога /proc обычно безопасно, но записывать информацию в эти файлы, не зная их формата, опасно. Но все равно, иногда запись в /proc - это единственный способ взаимодействия с ядром.

Например, в последние версии ядра можно встроить высокопроизводительный Web-сервер, работающий на уровне ядра системы (khttp). Запуск Web-сервера по умолчанию может быть небезопасен, и поэтому khttp можно запустить через сообщение, посылаемое в /proc.

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

Когда ядро видит изменение содержимого /proc/sys/net/khttpd/start с нуля (значение по умолчанию) на единицу, оно запускает khttpd сервер.Так же в /proc имеется еще несколько десятков конфигурируемых параметров - некоторые для настройки оборудования, другие - для управления ядром. Почти все из них выполняются на низком уровне, и их неправильное использование может быть небезопасно для системы.

Заключение: /proc и /dev предоставляют в виде файлов интерфейсы для взаимодействия с Linux. Они помогают в определении конфигурации и состояния различных устройств и процессов системы. Так же они обеспечивают простое взаимодействие с операционной системой. Понимание и применение этих двух файловых систем - ключ к эффективной работе в Linux.