Block vs char devices — два мира /dev

Откройте ls /dev на любой Linux-машине, и вы увидите странный зоопарк. sda1, tty3, null, random, input/mouse0, nvme0n1p2. Что это такое? Это файлы? Не совсем. Это “ручки”, через которые userspace-программы говорят с железом. Их называют device nodes, и они — одна из самых красивых абстракций Unix: “всё есть файл”, даже мышь, диск и генератор случайных чисел.

В этом уроке разберём два больших мира /dev: block devices (диски, разделы, RAID, LVM) и character devices (терминалы, мыши, аудио, /dev/null, /dev/random). Поймём, чем они отличаются физически, как kernel понимает, какой драйвер вызывать через major/minor numbers, и зачем уметь читать ls -l /dev/.

Зачем устройство выглядит как файл

В классических ОС (DOS, ранний Windows) каждое устройство было особым — открываешь дискету через одни API, принтер — через другие. Unix в 1970-е принял радикальное решение: всё, что не процесс — файл. Диск — файл, который можно read()/write(). Терминал — тоже файл, можно read() нажатые клавиши, write() — символ появится на экране. Сетевая карта чуть выбилась (сокеты — отдельный API), но всё остальное действительно файлы.

Это даёт мощную вещь: одни и те же команды работают везде. cp file1 /dev/sda запишет содержимое в диск (не делайте этого!). cat /dev/urandom | head -c 16 прочитает 16 случайных байт. echo hello > /dev/tty3 — если на третьей виртуальной консоли сидит пользователь, он увидит “hello”.

Когда вы делаете open("/dev/sda1", O_RDONLY), kernel не открывает файл на диске. Он находит драйвер по major number и говорит ему: “клиент хочет читать тебя, готовься”. Дальше read() уходит прямо в драйвер, минуя файловую систему.

Block device: блоки по 4K, random access

Block device — это устройство, которое отдаёт данные блоками фиксированного размера (обычно 512 байт или 4K) и поддерживает random access (можно прыгнуть на любое смещение). Это классические “хранилища”: HDD, SSD, NVMe, USB-флешки, CD/DVD, loopback-устройства, LVM volumes, RAID arrays.

$ ls -l /dev/sda /dev/sda1 /dev/nvme0n1 /dev/nvme0n1p1
brw-rw---- 1 root disk    8,  0 May 18 09:12 /dev/sda
brw-rw---- 1 root disk    8,  1 May 18 09:12 /dev/sda1
brw-rw---- 1 root disk  259,  0 May 18 09:12 /dev/nvme0n1
brw-rw---- 1 root disk  259,  1 May 18 09:12 /dev/nvme0n1p1

Обратите внимание на первый символ: b. Это маркер block device. Дальше — права (rw для root и группы disk), потом два числа: major (8 для SCSI/SATA, 259 для NVMe) и minor (0, 1, 2 — номер раздела). И disk — это группа, члены которой могут читать-писать диск напрямую (опасный privilege!).

Главная особенность block-устройств — page cache. Когда вы читаете /dev/sda1, kernel не идёт сразу в диск — он сначала смотрит в page cache. Если страница уже в RAM (потому что её недавно читал другой процесс) — отдаёт оттуда. Write тоже идёт через cache — сначала в RAM, потом kernel асинхронно сбрасывает на диск. Это огромное ускорение, но и источник проблем (durability, fsync — модуль 10).

Character device: байт за байтом, sequential

Character device — это устройство, которое отдаёт поток байт без понятия “блок” и часто без random access. Терминал, мышь, клавиатура, последовательный порт, /dev/null, /dev/random, аудио. Когда вы нажимаете клавишу, в драйвер прилетают конкретные байты (например, “27 91 65” для стрелки вверх) — они доступны через read(/dev/tty0).

$ ls -l /dev/tty0 /dev/null /dev/zero /dev/random /dev/urandom /dev/input/mouse0 2>/dev/null
crw--w---- 1 root tty       4,  0 May 18 09:12 /dev/tty0
crw-rw-rw- 1 root root      1,  3 May 18 09:12 /dev/null
crw-rw-rw- 1 root root      1,  5 May 18 09:12 /dev/zero
crw-rw-rw- 1 root root      1,  8 May 18 09:12 /dev/random
crw-rw-rw- 1 root root      1,  9 May 18 09:12 /dev/urandom
crw-r----- 1 root input    13, 32 May 18 09:12 /dev/input/mouse0

Первый символ — c. Это character device. И опять major/minor: major 1 — “memory” (null, zero, random живут в одном драйвере mem); major 4 — tty; major 13 — input subsystem.

Главное отличие от block: нет page cache. Каждый read() идёт прямо в драйвер. Это логично — ну какой смысл кэшировать вывод /dev/random или нажатие клавиши? Поэтому character devices обычно медленнее по latency, но bandwidth их редко интересует — мышь генерирует 100 байт в секунду.

Major и minor: как kernel диспатчит вызов

Major number — это идентификатор драйвера. Когда драйвер загружается (например, sd_mod для SCSI/SATA дисков), он регистрирует свой major у kernel: “я отвечаю за major 8”. С этого момента любой open() на устройство с major 8 уходит в этот драйвер.

Minor number — это конкретный инстанс внутри драйвера. Для дисков: minor 0 — /dev/sda, minor 1 — /dev/sda1, minor 16 — /dev/sdb, minor 32 — /dev/sdc. Драйвер сам решает, как интерпретировать minor.

Посмотреть, какие major зарегистрированы прямо сейчас:

$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 tty
  5 /dev/tty
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 21 sg
 29 fb
116 alsa
180 usb
189 usb_device
226 drm

Block devices:
  7 loop
  8 sd
  9 md
 11 sr
 65 sd
 66 sd
253 device-mapper
254 mdp
259 blkext

Это динамический список. Когда загружаете модуль (modprobe) — появится новый major. Когда выгружаете (rmmod) — исчезнет.

Файлы, которые не файлы: /dev/null, /dev/zero, /dev/random

Эти “псевдоустройства” живут в kernel и не имеют физического железа. Но они character devices с major/minor — и работают через те же абстракции.

/dev/null (major 1, minor 3) — “чёрная дыра”. read() всегда возвращает 0 (EOF). write() всегда успешен, но данные выбрасываются. Используется чтобы выкинуть вывод: command > /dev/null 2>&1.

/dev/zero (1, 5) — бесконечный нулевой поток. read() всегда возвращает запрошенное количество нулевых байт. Используется для создания пустых файлов нужного размера или для wipe данных: dd if=/dev/zero of=zerofile bs=1M count=100 — создаст 100 МБ нулей.

/dev/random (1, 8) — криптографический PRNG. До Linux 5.6 блокировал, если “энтропии не хватало”. С 5.6 ведёт себя как /dev/urandom.

/dev/urandom (1, 9) — криптографический PRNG, никогда не блокирует. Источник случайности для ssh-keygen, openssl, всего криптографического. По современному консенсусу — используйте urandom всегда.

# Создать файл 100 МБ нулей:
dd if=/dev/zero of=zeros.bin bs=1M count=100

# Прочитать 16 случайных байт в hex:
dd if=/dev/urandom bs=16 count=1 2>/dev/null | xxd

# Выкинуть весь вывод:
make 2>&1 > /dev/null

# Замерить скорость диска через /dev/zero (write benchmark):
dd if=/dev/zero of=/tmp/test bs=1M count=1024 conv=fdatasync

/dev/tty, /dev/pts: терминалы

Терминалы — отдельная вселенная. Когда вы логинитесь по SSH, ваша shell привязана к pseudo-terminal (pty), который представлен в /dev/pts/N. Когда вы переключаетесь Alt-F1…F6 в локальной консоли, вы переключаете виртуальные терминалы /dev/tty1…/dev/tty6.

$ tty                     # на какой терминал привязан текущий процесс
/dev/pts/0

$ ls -l /dev/pts/
crw--w---- 1 lev tty 136, 0 May 18 09:30 /dev/pts/0
crw--w---- 1 lev tty 136, 1 May 18 09:31 /dev/pts/1

Major 136 — pty slave. Через эти файлы terminal emulator (gnome-terminal, alacritty, mosh) общается с shell. write(/dev/pts/0, "hello\n") — буквы появятся в окне.

Попробуйте: echo "Hello from other terminal" > /dev/pts/0 из другого окна — получатель увидит сообщение.

Попробуй сам

# 1. Посмотрите major/minor всех block-устройств:
ls -l /dev/sd* /dev/nvme* 2>/dev/null
# Первая буква 'b' -- block; колонки с числами -- это major,minor

# 2. Посмотрите registered drivers:
cat /proc/devices

# 3. /dev/null в действии:
echo "this disappears" > /dev/null
cat /dev/null         # ничего не выводит -- EOF сразу

# 4. /dev/zero в действии:
head -c 32 /dev/zero | xxd
# 00000000: 0000 0000 ...  -- 32 нулевых байта

# 5. Создайте свой character device через mknod (требует root):
sudo mknod /tmp/mynull c 1 3   # такой же major/minor как /dev/null
ls -l /tmp/mynull
echo "test" > /tmp/mynull       # работает как настоящий /dev/null
sudo rm /tmp/mynull

# 6. Узнайте свой текущий tty:
tty

# 7. Посмотрите все pty (другие активные сессии):
ls -l /dev/pts/

# 8. Отправьте сообщение другой сессии (нужно знать её tty):
# В другом окне: tty -> /dev/pts/1
# В первом окне: echo "Привет из tty 0" > /dev/pts/1

Главные различия в одной таблице

Когда вы дальше будете дебажить “почему диск медленно работает” — вы будете смотреть на /dev/sda и его очереди (urok 14). Когда “почему ssh-сессия зависла” — на /dev/pts/N. Знание, какой тип устройства перед вами, экономит время.