デバイスファイル

Unix 系 オペレーティング システムでは、デバイス ファイル、デバイス ノード、または特殊ファイルは、ファイル システム内で通常のファイルのように表示されるデバイス ドライバーへのインターフェイスです。DOS 、OS/2、およびWindowsにも特殊ファイルがあります。これらの特殊ファイルにより、アプリケーション プログラムは、標準入出力システム コールを介してデバイス ドライバーを使用してデバイスと対話できます。標準システム コールを使用すると、多くのプログラミングタスクが簡素化され、デバイスの機能や特性に関係なく、一貫したユーザー空間の I/O メカニズムが実現します。

デバイス ファイルは通常、標準デバイス (プリンターやシリアル ポートなど) へのシンプルなインターフェイスを提供しますが、ディスク パーティションなど、それらのデバイス上の特定の固有リソースにアクセスするためにも使用できます。さらに、デバイス ファイルは、データ シンクや乱数ジェネレーターなど、実際のデバイスとは接続されていないシステム リソースにアクセスする場合にも役立ちます。

Unix 系オペレーティング システムには、文字特殊ファイルとブロック特殊ファイルと呼ばれる 2 種類のデバイス ファイルがあります。これらの違いは、オペレーティング システムとハードウェアによって読み書きされるデータの量にあります。これらをまとめてデバイス特殊ファイルと呼ぶことができます。一方、名前付きパイプはデバイスに接続されておらず、通常のファイルでもありません。

MS-DOSはUnixから特殊ファイルの概念を借用しましたが、それらの名前をデバイスに変更しました。^{[1] MS-DOSの初期のバージョンは}ディレクトリ階層をサポートしていなかったため、デバイスの名前はフォルダ名やファイル名として使用できない予約語にすることで通常のファイルと区別されました。たとえば、単語はCON予約語です。これらはCP/Mとの互換性を保つために選択されたもので、下位互換性を保つために現代のWindowsにも残っています。名前は大文字と小文字を区別しないため、「con」、「Con」、「CON」はすべて無効な名前です。

Windows XPでは、[ファイル名を指定して実行] コマンドに「Con」と入力すると、「このファイルには、この操作を実行するためのプログラムが関連付けられていません。コントロール パネルの [フォルダー オプション] で関連付けを作成してください。」というエラー メッセージが返されます。予約名を使用してファイルまたはフォルダーの名前を変更しようとすると、通知やエラー メッセージが表示されず、オブジェクトが以前の名前 (または「新しいフォルダー」、「新しいテキスト ドキュメント」など) に自動的に戻されます。^[2] Windows Vista以降では、ファイルまたはフォルダーに予約名を使用しようとすると、「指定されたデバイス名は無効です。」というエラー メッセージが表示されます。^[2]

一部のUnix系システムでは、ほとんどのデバイスファイルは、伝統的に にマウントされる仮想ファイルシステム/devの一部として管理され、実行時にハードウェアの追加と削除を監視し、カーネルによって自動的に行われない場合はデバイスファイルシステムに対応する変更を加え、特別なデバイスのニーズを処理するためにシステムまたはユーザー空間でスクリプトを呼び出す制御デーモンに関連付けられている可能性があります。 FreeBSD 、 DragonFly BSD、およびDarwinには専用のファイルシステムdevfsがあります。デバイスノードは、カーネル空間でこのファイルシステムによって自動的に管理されます。Linuxには同様のdevfs実装がありましたが、後に放棄され、バージョン2.6.17以降では削除されました。^{[3] Linuxは現在、主に}udevと呼ばれるユーザー空間実装を使用していますが、多くのバリエーションがあります。

Solaris Containersなどのchrootプロセス分離をサポートする Unix システムでは、通常、各 chroot 環境には独自の が必要です。これらのマウント ポイントは、グローバル ファイル システム ツリーのさまざまなノードでホスト OS 上で表示されます。 の chroot インスタンスに設定されるデバイス ノードを制限することで、chroot 環境によってハードウェア分離を強制できます (プログラムは、参照も名前の指定もできないハードウェアに干渉することはできません。これは、 Unixファイル システムのアクセス許可よりもさらに強力なアクセス制御形式です)。 /dev/dev

MS-DOSは、各デバイスファイルを排他的に開くことでハードウェアデバイスの競合を管理しました（ terminate-and-stay-residentプログラムを参照）。すでに使用されているデバイスにアクセスしようとするアプリケーションは、デバイスファイルノードを開くことができないことに気付きます。UnixとLinuxでは、同時アクセスに関するさまざまなデバイスドライバセマンティクスが実装されています。^[4]

デバイスノードは、オペレーティングシステムのカーネルがすでに割り当てているリソースに対応しています。Unixはこれらのリソースをメジャー番号とマイナー番号^[5]で識別し、両方ともノードの構造の一部として格納されます。これらの番号の割り当ては、オペレーティングシステムやコンピュータプラットフォームごとに異なります。一般に、メジャー番号はデバイスドライバを識別し、マイナー番号はドライバが制御する特定のデバイス（多数のデバイスのうちの1つ）を識別します。^[6]この場合、システムはマイナー番号をドライバに渡すことができます。ただし、動的な番号割り当てがある場合、そうならないことがあります（FreeBSD 5以降など）。

他の特殊なファイル タイプと同様に、コンピュータ システムは標準のシステム コールを使用してデバイス ノードにアクセスし、それらを通常のコンピュータ ファイルのように扱います。デバイス ファイルには 2 つの標準タイプがありますが、残念ながら、歴史的な理由により、それらの名前は直感に反しており、その結果、2 つの違いの説明が間違っていることがよくあります。

キャラクタ特殊ファイルまたはキャラクタ デバイスは、バッファリングされていないハードウェア デバイスへの直接アクセスを提供します。これらのファイルでは、プログラムが一度に 1 文字ずつ読み書きできるとは限りません。これはデバイスによって異なります。たとえば、ハード ディスクのキャラクタ デバイスでは、通常、すべての読み取りと書き込みがブロック境界に揃えられる必要があり、1 バイト単位での読み取りは許可されません。

ブロックベースのハードウェアのキャラクタ デバイスでは通常、整列したブロックの読み取りと書き込みを行うプログラムが必要になるため、キャラクタ デバイスは混乱を避けるために、 raw デバイスと呼ばれることもあります。

ブロック特殊ファイルまたはブロックデバイスは、ハードウェアデバイスへのバッファリングされたアクセスを提供し、その仕様からの抽象化を提供します。^[7]キャラクタデバイスとは異なり、ブロックデバイスでは、プログラマーは、任意のサイズ（単一の文字/バイトを含む）および任意のアラインメントのブロックを常に読み書きできます。欠点は、ブロックデバイスはバッファリングされるため、書き込まれたデータがカーネルのバッファから実際のデバイスに渡されるまでにどれくらいの時間がかかるか、または実際には2つの別々の書き込みがどのような順序で物理デバイスに到着するかがプログラマーにわからないことです。さらに、同じハードウェアがキャラクタデバイスとブロックデバイスの両方を公開する場合、キャラクタデバイスを使用するクライアントがブロックデバイスのバッファに加えられた変更を認識しないため、データが破損するリスクがあります。

ほとんどのシステムでは、ハードディスクなどのハードウェアを表現するためにブロックデバイスとキャラクタデバイスの両方を作成します。FreeBSDとLinuxでは特にそうではありません。前者はブロックデバイスのサポートを削除し、^{[8]後者はブロックデバイスのみを作成します。Linuxでブロックデバイスからキャラクタデバイスの効果を得るには、Linux固有の}O_DIRECTフラグを使用してデバイスを開く必要があります。

Unix 系システム上のデバイス ノードは、必ずしも物理デバイスに対応している必要はありません。この対応関係がないノードは擬似デバイスと呼ばれます。擬似デバイスは、オペレーティング システムによって処理されるさまざまな機能を提供します。最も一般的に使用される (文字ベースの) 擬似デバイスには、次のものがあります。

• /dev/null  – 書き込まれたすべての入力を受け入れて破棄します。読み取り時にファイルの終わりを示します。
• /dev/zero – 書き込まれたすべての入力を受け入れて破棄します。読み取り時に、出力としてヌル文字(ゼロ値のバイト) の連続ストリームを生成します
• /dev/full  – 読み取り時に出力としてヌル文字 (ゼロ値のバイト) の連続ストリームを生成し、書き込みを試みるとENOSPC (「ディスクがいっぱいです」) エラーを生成します。
• /dev/random  – カーネルの暗号的に安全な疑似乱数ジェネレータによって生成されたバイトを生成します。その正確な動作は実装によって異なり、 /dev/urandomや/dev/arandomなどのバリアントも提供される場合があります。
• /dev/stdin、/dev/stdout、/dev/stderr  – プロセスの標準ストリームにアクセスします。
• /dev/fd/ n  – プロセスのファイル記述子 n にアクセスします。

さらに、 ioctlインターフェースを備えた BSD 固有の疑似デバイスには以下も含まれる場合があります。

• /dev/pf  – ユーザーランドプロセスがioctlインターフェースを介してPF を制御できるようにします。
• /dev/bio  – /devノードとして見つからないデバイスへのioctlアクセスを提供します。これは、 OpenBSDおよびNetBSDでRAID管理を実装するためにbioctlによって使用されます。
• /dev/sysmon  – NetBSDのenvsysフレームワークがハードウェア監視に使用し、ユーザーランドではenvstatユーティリティによってproplib(3)を介してアクセスされます。 ^[9]

ノードはmknodシステム コールによって作成されます。ノードを作成するためのコマンド ライン プログラムもmknodと呼ばれます。ノードは、通常のファイル システム システム コール ( rename、unlink ) およびコマンド( mv、rm ) によって移動または削除できます。

一部の Unix バージョンには、 /devディレクトリに必要なすべてのデバイスを作成するためのmakedevまたはMAKEDEVというスクリプトが含まれています。これは、デバイスにメジャー番号が静的に割り当てられているシステム (たとえば、カーネル モジュールにハードコーディングするなど) でのみ意味を持ちます。

FreeBSDなどの他のUnixシステムでは、devfs経由のカーネルベースのデバイスノード管理のみを使用し、手動でのノード作成をサポートしていません。mknod (2)システムコールとmknod(8)コマンドはPOSIXとの互換性を保つために存在しますが、devfsの外部で手動で作成されたデバイスノードはまったく機能しません。^[10]

/dev階層内の一部のデバイスの名前には、デバイスのタイプを識別するために次のプレフィックスが使用されます。

• lp :ラインプリンタ( lpと比較)
• pt :擬似端末
• tty :端末

いくつかの追加のプレフィックスは、一部のオペレーティング システムで一般的に使用されるようになりました。

• fb :フレームバッファ
• fd : (プラットフォーム)フロッピーディスク。ただし、この略語はファイル記述子を指す場合にも一般的に使用されます。
• hd : (「クラシック」) IDEドライバー (以前は ATAハードディスク ドライブ、ATAPI光ディスク ドライブなどに使用されていました)
  • hda : 最初のATA チャネル上のプライマリ デバイス(通常、メジャー番号 3 とマイナー番号 0 で識別されます)
  • hdb : 最初の ATA チャネル上のセカンダリ デバイス
  • hdc : 2番目のATAチャネルのプライマリデバイス
  • hdd : 2番目のATAチャネル上のセカンダリデバイス
• parport、pp :パラレルポート
• mem :メインメモリ（キャラクタデバイス）
• nbd :ネットワーク ブロック デバイス: ネットワーク経由でマウントされるブロック デバイスを表す抽象化 (または qemu-nbd を使用したイメージから)
• NVMeドライバー:
  • nvme0 : 最初に登録されたデバイスのデバイス コントローラ (キャラクタ デバイス)
  • nvme0n1 : 最初に登録されたデバイスの最初の名前空間 (ブロック デバイス)
  • nvme0n1p1 : 最初に登録されたデバイスの最初の名前空間の最初のパーティション (ブロック デバイス)
• MMCドライバー:
  • mmcblk : MMCメディア ( SDカード、ラップトップの eMMC チップなど) 用のストレージ ドライバー
    • mmcblk0 : 最初に登録されたデバイス
    • mmcblk0p1 : 最初に登録されたデバイスの最初のパーティション
• SCSIドライバー。libATA (最新のPATA / SATAドライバー)、USB、IEEE 1394などでも使用されます。
  • sd : 大容量記憶装置ドライバ (ブロックデバイス)
    • sda : 最初に登録されたデバイス
    • sdb、sdcなど: 2 番目、3 番目などの登録済みデバイス
  • ses : エンクロージャドライバ
  • sg : 汎用 SCSI レイヤー
  • sr : 「ROM」ドライバー (データ指向の光ディスク ドライブ。scd は単なる二次エイリアスです)
  • st :磁気テープドライバー
• tty :端末
  • ttyS : (プラットフォーム)シリアルポートドライバー
  • ttyUSB : USB シリアルコンバータ、モデムなど

Linuxで使用されるプレフィックスの正規リストは、 Linuxオペレーティングシステムに割り当てられたデバイス番号と/devディレクトリノードの公式レジストリであるLinuxデバイスリストにあります。 ^[11]

ほとんどのデバイスでは、このプレフィックスの後に、特定のデバイスを一意に識別する番号が続きます。ハード ドライブの場合、文字はデバイスを識別するために使用され、その後にパーティションを識別する番号が続きます。したがって、ファイル システムは、たとえばディスク上の領域を/dev/sda3として「認識」したり、ネットワーク ターミナル セッションを/dev/pts/14に関連付けられたものとして「認識」したりします。

一般的な PCマスター ブート レコードを使用するディスクでは、プライマリ パーティションとオプションの拡張パーティションのデバイス番号は 1 から 4 まで番号が付けられ、論理パーティションのインデックスは、以前のパーティションのレイアウトに関係なく 5 以降になります (親の拡張パーティションは、ディスク上の 4 番目のパーティションである必要はなく、4 つのプライマリ パーティションがすべて存在する必要もありません)。

デバイス名は通常、異なる Unix 系システム バリアント間では移植できません。たとえば、一部のBSDシステムでは、IDE デバイスの名前は/dev/wd0、/dev/wd1などになります。

devfs は、デバイス ファイルを表示するために使用される、Unix 系オペレーティング システム上のデバイス ファイル システムの特定の実装です。実装の基本的なメカニズムは、OS によって異なる場合があります。

これらの特殊ファイルをハード ドライブなどの物理的に実装されたファイル システムで維持するのは不便であり、いずれにしてもカーネルの支援が必要になるため、物理的に保存されない特殊な目的の論​​理ファイル システムというアイデアが生まれました。

デバイスが表示される準備ができたかどうかを定義するのは簡単ではありません。devfs のアプローチでは、デバイス ドライバーが有効または無効にするデバイスに関連する devfs エントリの作成と削除を要求します。

デバイス ファイルは、特定のポートとデバイスへのアクセスを許可するためにPC DOS、TOS、OS/2、およびWindowsシステムで使用される予約キーワードです。

MS-DOS はUnix から特殊ファイルの概念を借用しましたが、それらの名前をデバイスに変更しました。^{[1] MS-DOS の初期のバージョンは}ディレクトリ階層をサポートしていなかったため、デバイスの名前を予約語にすることで通常のファイルと区別しました。つまり、特定のファイル名はデバイス用に予約されており、新しいファイルやディレクトリの名前として使用してはいけません。^[12] 予約名自体は、CP/MPIPのコマンドの「特殊ファイル」処理と互換性があるように選択されました。DOS には、ブロックデバイス (ディスクドライブに使用) とキャラクターデバイス (一般に COM および PRN デバイスを含む他のすべてのデバイス) の 2 種類のデバイスがありました。^[13]

DOSはプリンタやポートにアクセスするためにデバイスファイルを使用します。Windowsのほとんどのバージョンにもこのサポートが含まれていますが、特定の名前のファイルやフォルダを作成しようとすると、これらの名前を持つことができないため混乱が生じる可能性があります。^[14] MS-DOSのバージョン2.xにはAVAILDEV CONFIG.SYSパラメータがあり、に設定するとFALSE、これらの特別な名前はプレフィックスが の場合にのみアクティブになり\DEV\、通常のファイルをこれらの名前で作成できるようになります。^[15]

Atari TOSの DOS 風の部分であるGEMDOS は、DOS と同様のデバイス名をサポートしていましたが、DOS とは異なり、通常のファイル名ではなくデバイスとして識別するために末尾に ":" 文字が必要でした (DOS ではこれはオプションです) (したがって、"CON:" は DOS と TOS の両方で機能しますが、"CON" は TOS では通常のファイルの名前になりますが、DOS ではコンソール デバイスの名前になります)。MiNTとMagiCでは、"U:" ドライブ文字を介してアクセスされる特別な UNIX 風の統合ファイルシステム ビューによって、デバイス ファイルも "U:\DEV" に配置されました。

シェルのリダイレクトとパイプを使用すると、デバイスとの間でデータを送受信できます。たとえば、次のように入力すると、ファイルがc:\data.txtプリンターに送信されます。

c:\data.txt > PRN と入力

PIPE、MAILSLOT、MUPもWindowsの標準デバイスです。^[21]

PC-E500、PC-E500Sなどのシャープ製 ポケットコンピュータの8ビットオペレーティングシステムは、 BASICインタープリタ、基本的な12ビットのFATのようなファイルシステムを実装したDOS 2のようなファイルコントロールシステム（FCS）、および多数の標準文字およびブロックデバイスドライバと、STDO:/SCRN:（ディスプレイ）、STDI:/KYBD:（キーボード）、COM:（シリアルI/O）、STDL:/PRN:（プリンタ）、CAS:（カセットテープ）、E:/F:/G:（メモリファイル）、S1:/S2:/S3:（メモリカード）、X:/Y:（フロッピー）、SYSTM:（システム）、NIL:（関数）を含む特殊ファイルデバイスを実装したBIOSのような入出力コントロールシステム（IOCS）で構成されています。^[22]

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