理解Linux中的字符设备和块设备对系统编程、驱动开发或优化I/O性能都很有帮助。下面我会为你详细解释它们的区别、工作原理和应用场景。
为了让你快速建立整体认识，我先用一个表格来概括它们的核心差异：
特性维度
字符设备(CharacterDevice)
块设备(BlockDevice)
数据单位
字节流 (Byte Stream)
数据块 (Block, 如 512B, 4KB)
访问模式
通常是顺序访问 (不支持随机访问)
随机访问 (可直接定位读写位置)
缓存机制
通常无缓存，数据直接读写
有页缓存 (Page Cache) 和 I/O 调度优化
响应时序
响应更及时，延迟低
受缓存和调度策略影响，延迟可能较高
典型设备
键盘、鼠标、串口、终端 (/dev/tty)、打印机
硬盘 (/dev/sda)、SSD (/dev/nvme0n1)、U盘
文件系统
不支持挂载文件系统
必需挂载文件系统 (如 ext4, NTFS) 后才能常规使用
用户空间访问
可直接通过 read/write 操作设备文件
通常通过文件系统访问；也可直接操作设备文件 (如 dd 命令)
驱动复杂度
相对较低 (通常直接控制硬件)
较高 (需处理缓存、调度、队列等)
设备号查看
ls -l /dev/ttyS0 显示 c (字符设备) 开头
ls -l /dev/sda 显示 b (块设备) 开头
接下来，我们深入看看它们的工作原理和更多细节。
📁 设备文件与标识
在Linux中，一切皆文件，硬件设备也在 /dev 目录下有其对应的设备文件。
字符设备文件 以 c 开头，例如 crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 Dec 17 2024 /dev/ttyS0 中的 c，主设备号是 4，次设备号是 64 。
块设备文件 以 b 开头，例如 brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Dec 17 2024 /dev/sda 中的 b，主设备号是 8，次设备号是 0 。
主设备号用于标识设备类型（关联特定的驱动程序），次设备号则用于区分同一驱动程序管理的不同设备或分区 。
⚙️ 工作原理与驱动模型
字符设备
字符设备驱动直接实现 file_operations 结构体中的各种操作函数（如 open, read, write, release）。当用户程序对该类设备文件进行读写时，内核通常会直接调用相应的驱动函数与硬件交互，一般不经过复杂的缓存 。驱动开发者需要自行处理并发控制和同步问题 。
// 字符设备驱动 file_operations 结构示例
static struct file_operations fops = {
.open = my_open,
.read = my_read,
.write = my_write,
.release = my_release,
};
块设备
块设备驱动则复杂得多。它使用 block_device_operations 结构体 ，但不直接处理读写请求。读写请求由内核的通用块层 (Generic Block Layer) 和 I/O 调度器 (I/O Scheduler) 管理。
通用块层：将上层请求转换为 bio 结构 。
I/O 调度器：使用类似电梯的算法（如 noop, deadline, cfq）对I/O请求进行合并、排序，以期优化磁盘访问顺序，减少磁头寻道时间，提升吞吐量 。
页缓存 (Page Cache)：内核会缓存磁盘数据，读写请求可能先与缓存交互，而非直接访问硬盘，这提升了性能但可能增加数据写入的延迟 。
// 块设备驱动 block_device_operations 结构示例
static struct block_device_operations blk_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = my_blk_open,
.release = my_blk_release,
.ioctl = my_blk_ioctl,
};
🖥️ 常见设备与应用场景
设备类型
典型实例
应用场景说明
字符设备
键盘 (/dev/input/event*), 鼠标 (/dev/input/mouse*)
用户交互输入，要求实时响应。
串口 (/dev/ttyS*)
串行通信，如连接单片机、调制解调器，数据按字节流顺序传输。
终端 (/dev/tty, /dev/pts/*)
系统控制台，命令行交互。
声卡 (/dev/snd/*), 摄像头 (/dev/video*)
多媒体采集与输出，流式数据。
块设备
硬盘 (/dev/sd* [SATA/SCSI], /dev/hd* [IDE], /dev/nvme* [NVMe])
主要存储介质，用于安装系统、存储数据。
U盘, SD卡 (/dev/mmcblk*)
便携式存储。
循环设备 (/dev/loop*)
将文件虚拟成块设备，常用于挂载磁盘镜像文件。
逻辑卷 (/dev/mapper/*)
由LVM（逻辑卷管理）创建，提供灵活的磁盘空间管理。
🚀 性能与优化
字符设备：优化重点在于降低延迟和保证实时性 。例如，在中断处理中，只做最关键的操作，将非紧急任务推后处理 。
块设备：优化重点在于提升吞吐量 。方法包括： - 选择合适的 I/O 调度器 。 - 调整队列深度。 - 利用预读 (read-ahead) 机制。 - 针对SSD，启用 TRIM 命令帮助垃圾回收，维持长期性能 。
💎 核心总结
记住这几个关键点：
数据交互单位：字符设备按字节流转，块设备按整块读写。
访问模式：字符设备多顺序，块设备可随机。
缓冲缓存：字符设备通常无缓存，直达硬件；块设备有高速页缓存和I/O调度。
使用方式：字符设备可直接读写；块设备需挂载文件系统后使用。
驱动目标：字符设备驱动求实时低延迟；块设备驱动优化吞吐量和顺序访问。