3.1.3 块设备与字符设备

3.1.3 块设备与字符设备#

块设备（Block Device）以“块”为单位进行I/O，支持随机访问与缓存，适合磁盘、SSD、LVM等；字符设备（Character Device）以“字节流”顺序访问，通常不走页缓存，适合TTY、串口、随机数设备等。

原理草图：I/O路径与缓存差异

核心差异对比
- 访问方式：块设备支持随机读写；字符设备通常顺序读写
- 缓存与调度：块设备走页缓存与I/O调度器；字符设备多直接与驱动交互
- 节点类型：/dev 下首字符为 b（块）或 c（字符）
- 典型用途：块设备用于分区/文件系统；字符设备用于终端/管道/熵源

识别与查看（带命令解释）

# 1) 查看设备节点类型（b/c）、主次设备号
ls -l /dev/sda /dev/tty
# 输出示例：
# brw-rw---- 1 root disk 8, 0 /dev/sda   # b=块设备
# crw-rw-rw- 1 root tty  5, 0 /dev/tty    # c=字符设备

# 2) 查看系统已识别的块设备树与挂载点
lsblk -f
# -f 显示文件系统类型、UUID、挂载点

# 3) 查看内核已注册的设备主设备号
cat /proc/devices
# 输出分为 Character devices 与 Block devices

块设备示例：创建文件系统并挂载（完整流程）

# 假设新增磁盘 /dev/sdb（块设备），创建分区并格式化
sudo parted -s /dev/sdb mklabel gpt
sudo parted -s /dev/sdb mkpart primary ext4 1MiB 100%

# 查看分区是否生成（/dev/sdb1）
lsblk /dev/sdb

# 格式化为 ext4（块设备上创建文件系统）
sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1

# 创建挂载点并挂载
sudo mkdir -p /mnt/data
sudo mount /dev/sdb1 /mnt/data

# 验证挂载结果
df -hT /mnt/data

命令解释
- parted：分区工具；mklabel gpt 创建 GPT 分区表
- mkfs.ext4：在块设备上创建 ext4 文件系统
- mount：将块设备（或其分区）挂载到目录

字符设备示例：验证行为差异

# /dev/null 丢弃写入数据，适合作为“黑洞”
echo "test" > /dev/null

# /dev/zero 提供无限 0 字节流，常用于测试或清零
dd if=/dev/zero of=/tmp/zero.bin bs=1M count=10

# /dev/random 可能阻塞（熵不足），/dev/urandom 不阻塞
head -c 16 /dev/urandom | xxd

命令解释
- dd：按块拷贝数据，适用于块/字符设备测试
- head -c：读取指定字节数

排错与诊断

# 1) 将字符设备误当块设备挂载
sudo mount /dev/tty /mnt/test
# 典型报错：wrong fs type 或 bad superblock

# 2) 设备节点不存在
ls -l /dev/sdb
# 若不存在，可能硬件未识别或 udev 未创建设备节点

# 3) 查看内核日志定位设备识别问题
dmesg | tail -n 50

排错思路
- 挂载失败：确认目标是否为块设备（ls -l /dev/xxx）
- 设备缺失：检查 lsblk、dmesg、硬件连接
- 权限问题：检查设备节点属主属组（通常为 root:disk）

练习
1. 使用 ls -l 区分 /dev/null 与 /dev/sda 的设备类型。
2. 用 dd 从 /dev/zero 创建 20MB 测试文件，并删除验证空间变化。
3. 新建虚拟磁盘（如云盘或虚拟机磁盘），完成分区、格式化、挂载全过程。
4. 观察 cat /proc/devices 中块设备主设备号对应关系，查找你系统的 NVMe/SATA 设备类型。