本文将介绍 Linux 文件系统中的文件的设备 ID 相关内容，基于的内核版本为 6.18。

为了介绍设备 ID 的概念，我们借助 stat 工具来对打印几个不同类型文件的元数据信息。

首先是一个位于磁盘文件系统下的普通文件 file.txt：

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$ stat file.txt
  File: file.txt
  Size: 392             Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: 8,80    Inode: 16473       Links: 1
...

可以看到，其 Device 编号为 8,80，具体含义我们后面再解释。

接下来要查看的是伪文件系统（如 ramfs、procfs 等没有直接关联的磁盘设备的文件系统）下的文件元数据信息，由于我的本地 Linux 环境是 WSL2，因此这里我选取了挂载在 Linux 下的 Windows 磁盘：/mnt/d，顾名思义，它就是我 Windows 系统下的 D 盘。WSL2 通过 9p 协议将 Windows 磁盘挂载到 Linux 下，其并不属于磁盘文件系统，打印的元数据信息如下：

由于 9p 走的网络协议栈，因此 WSL2 下读写 Windows 磁盘文件的性能很差。

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$ stat /mnt/d/
  File: /mnt/d/
  Size: 4096            Blocks: 0          IO Block: 4096   directory
Device: 0,116   Inode: 1407374883553287  Links: 1
...

可以看到，其 Device 编号为 0,116。

接下来是一个实际的物理磁盘文件（块设备文件），即我的 WSL2 下的根目录的设备文件：

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$ stat /dev/sdf
  File: /dev/sdf
  Size: 0               Blocks: 0          IO Block: 4096   block special file
Device: 0,5     Inode: 169         Links: 1     Device type: 8,80

对于设备文件，其既包含 Device 编号（0,5），还包括 Device Type（8,80，注意刚好与前面的第一个实例相匹配），同时明确表明了这是一个块设备文件（block special file）。

最后一个实例也是设备文件，只不过是一个字符设备文件，这里我选取了 KVM 文件，其打印如下：

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$ stat /dev/kvm
  File: /dev/kvm
  Size: 0               Blocks: 0          IO Block: 4096   character special file
Device: 0,5     Inode: 401         Links: 1     Device type: 10,232

可以看到，其 Device 编号与 /dev/sdf 一样。

设备 ID 构成

上面提到了两个设备 ID 信息——Device Type 和 Device，它们分别对应 fstat 系统调用返回的 struct stat 结构中的 st_rdev 字段和 st_dev 字段。它们的值都满足 Linux 设备 ID 的规范：编号用一个 32 位无符号整型表示，低 20 位表示次设备号（minor），剩余的高位表示主设备号（major）。相关代码如下所示：

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/* include/linux/types.h:18,21 */
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;

/* include/linux/kdev_t.h:7-12 */
#define MINORBITS   20
#define MINORMASK   ((1U << MINORBITS) - 1)

#define MAJOR(dev)  ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev)  ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

设备 ID 获取

Device Type (st_rdev) 表示一个设备文件（块设备或字符设备）的设备 ID，对于普通文件、目录等其他文件类型来说，该字段是不存在（没有意义）的。Device Type 存储在文件的内存 inode 结构中的 i_rdev 字段，因此 Device Type 是文件粒度的，其在块设备驱动初始化的时候进行设置（具体设置的流程不在本文讨论的范围之内）。

设备 ID 的主设备号表示设备的类型（如磁盘设备、内存设备、串口设备等），次设备号表示本设备在主设备类型中的编号。以下是一些设备号分配的示例：

设备 主设备号 次设备号 说明
/dev/sda 8 0 第一个 SCSI 磁盘
/dev/sdb 8 16 第二个 SCSI 磁盘（16 的倍数）
/dev/ram0 1 0 第一个 RAM 设备
/dev/loop0 7 0 第一个回环设备

Device（st_dev） 表示 一个文件（包括设备文件和非设备文件）所位于的文件系统的设备 ID 。可以分为两种情况来考虑，即：

  1. 文件位于磁盘文件系统下，那么 st_dev 即该磁盘对应的设备 ID（即上述提到的 st_rdev）。
  2. 文件位于伪文件系统下，那么 st_dev 为该伪文件系统对应的设备 ID。

前面在介绍设备 ID 构成时有一个没有提到的约定是： 对于主设备号来说，0 值表示该设备是一个伪文件系统。

Device 值存储在 super_block 结构的 st_dev 字段中，由于存储在超级块中，因此 Device 是文件系统粒度的。对于伪文件系统而言，它在文件系统的挂载阶段使用 Linux 内核中的 IDA（ID Allocator）进行动态分配；对于磁盘文件系统而言，其从块设备中获取，具体来说，根据挂载参数解析出对应磁盘文件，然后获取该磁盘文件的 Device Type，即为整个磁盘文件系统的 Device 值。

有一个细节需要注意，IDA 在进行次设备 ID 分配时，最小是从 1 开始的，因为许多的用户态程序通常认为设备 ID 为 0（主、次设备 ID 都为 0）的设备是无效的，对此内核代码中有明确的说明：

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/* fs/super.c:1253 */
int get_anon_bdev(dev_t *p)
{
    int dev;

    /*
     * Many userspace utilities consider an FSID of 0 invalid.
     * Always return at least 1 from get_anon_bdev.
     */
    dev = ida_alloc_range(&unnamed_dev_ida, 1, (1 << MINORBITS) - 1,
            GFP_ATOMIC);
    if (dev == -ENOSPC)
        dev = -EMFILE;
    if (dev < 0)
        return dev;

    *p = MKDEV(0, dev);
    return 0;
}

最后，在理解了上述内容后，回看文章开头的四个例子。

第一个 file.txt 文件的 Device 为 8,80，实际上表示的是磁盘 /dev/sdf，即我的根目录挂载点的磁盘设备。

第二个 /mnt/d/ 文件的 Device 为 0,116，主设备 ID 为 0，满足伪文件系统的定义。

第三个 /dev/sdf 文件的 Device 为 0,5，可能初看会有些令人困惑，但仔细想想，设备文件 /dev/sdf 是挂载在 /dev 目录下的一个文件，其属于伪文件系统 devtmpfs 的范畴，那么主设备号为 0 也就不奇怪了，实际上 /dev 目录下的所有文件的 Device 值都为 0,5。而 Device Type 就比较明确了，正好和前面的 file.txt 相对应。

第四个 /dev/kvm 文件的 Device 也为 0,5，和刚刚所说的一致。而 Device Type 值为 10,232（10 通常表示一个杂项的字符设备），也符合预期。