Linuxのデバイス管理を徹底解説｜udev・sysfs・/dev・メジャー番号の仕組み

はじめに

Linuxサーバを運用していると、ストレージ追加やマウント設定、障害解析などで「デバイス管理」の知識が必要になる場面が頻繁にあります。本記事では、インフラエンジニア向けにLinuxのデバイス管理の仕組みを、実践コマンドを交えながら分かりやすく解説します。

Linuxのデバイス管理

LinuxサーバではディスクやNIC、USB機器などさまざまなハードウェアが利用されています。しかしLinuxアプリケーションは、これらのハードウェアを直接操作しているわけではありません。Linuxカーネルがデバイスドライバを介してデバイスを管理し、ユーザ空間へ機能を提供しています。

Linuxのデバイス管理について説明する前に、まずはLinuxがどのようにハードウェアを扱っているのかを理解しておきましょう。

サーバに新しいデバイスが追加された場合、Linuxは内部で次のような処理を行います。

1. デバイスを検知する
2. 適切なデバイスドライバを割り当てる
3. デバイスファイルを作成する
4. ユーザ空間から利用できる状態にする

この一連の仕組みを「デバイス管理」と呼びます。

デバイスドライバ

Linuxでハードウェアを利用するには、「デバイスドライバ」が必要です。デバイスドライバとは、OSとハードウェアの橋渡しを行うソフトウェアです。例えば、アプリケーションがディスクへデータを書き込む場合でも、アプリケーション自身が直接ディスクを制御しているわけではありません。内部では、Linuxカーネルとデバイスドライバを経由してハードウェアへアクセスしています。処理の流れを簡単に表すと、以下のようになります。

アプリケーション
　　　↓
システムコール
      　↓
Linuxカーネル
　      ↓
デバイスドライバ
　　　↓
ハードウェア

例えば以下のようなデバイスドライバがあります。

デバイスファイル

Linuxでは、ディスクやUSB、キーボードなどのハードウェアを「デバイスファイル」として扱います。アプリケーションは通常のファイル操作（open/read/write）を通じてデバイスへアクセスします。
デバイスファイルは/devディレクトリ配下に作成されます。例えば以下のようなものがあります。

– ストレージ (/dev/sda, /dev/nvme0n1)
– 端末 (/dev/tty, /dev/pts)
– 特殊デバイス (/dev/null, /dev/zero)
– 仮想/論理デバイス (/dev/mapper)
– シリアル/外部I/O (/dev/ttyUSB0)

Linuxでは「Everything is a file（すべてをファイルとして扱う）」という思想があり、ハードウェアもファイル経由で操作されます。ファイル経由の操作にすることで、アプリケーションはデバイスごとに複雑な操作を意識する必要がなく、共通のインターフェースで扱えるという利点があります。

主要なデバイスファイルである/dev/sda、/dev/ttyについて見てみましょう。

[root@quiz ~]# ll /dev/
~~
brw-rw---- 1 root disk      8,   0 Dec 19 08:55 sda
brw-rw---- 1 root disk      8,   1 Dec 19 08:55 sda1
brw-rw---- 1 root disk      8,   2 Dec 19 08:55 sda2
brw-rw---- 1 root disk      8,   3 Dec 19 08:55 sda3
~~
crw-rw-rw- 1 root tty       5,   0 Mar  1 06:50 tty
crw--w---- 1 root tty       4,   0 Dec 19 08:55 tty0
crw--w---- 1 root tty       4,   1 Dec 19 08:55 tty1
crw--w---- 1 root tty       4,  10 Dec 19 08:55 tty10

特に確認すべきポイントは以下の3つです。

• 先頭文字
  b（ブロックデバイス）か c（キャラクタデバイス）か、を示しています。
  ブロックデバイスとは、ディスクなどのストレージデバイス（HDD、SSD、USBストレージなど）を指しています。ブロック単位（通常512Bや4KB）で読み書きを行うことが特徴です。
  キャラクタデバイスとは、キーボードやターミナルなど、1文字単位・ストリーム形式でデータを扱うデバイスとなります。
• デバイス名
  sda や tty など、何のデバイスを示しているかを確認できます。
• メジャー/マイナー番号
  カーネルがどのデバイスドライバで処理するかを示す識別子を確認できます。例えば、/dev/sdaにおて、デバイスドライバ種別を示すメジャー番号が8となっており、個別デバイスを示すマイナーバージョンは0となっています。
  brw-rw—- 1 root disk 8, 0 Dec 19 08:55 sda

Linuxではメジャー番号、マイナー番号を認識して、以下の流れでディスク読み書きを実行します。
　1.カーネルがデバイスファイルを見る
　2.メジャー番号を確認
　3.対応するドライバを呼ぶ
　4.マイナー番号で対象デバイスを特定
　5.読み書き実行

主なデバイスのメジャーバージョンは以下となります。

ブロックデバイス(ストレージ系)のメジャー番号：

※ストレージデバイスはランダムアクセスが可能であり、一定サイズのブロック単位で効率的に読み書きを行うため、ブロックデバイスとして扱われます。

キャラクタデバイス(端末・制御系)のメジャー番号：

ちなみに、現在利用しているデバイス/メジャー番号は、/proc/devices にて確認することが可能です。

[root@localhost ~]# cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  7 vcs
 10 misc
　~~Truncated~~
Block devices:
  8 sd
  9 md
 65 sd
 66 sd
 67 sd
 68 sd

udevによるデバイス管理

古いLinuxでは、デバイスファイルを静的に管理していましたが、現在は udev により動的に管理されています。udevは、デバイス接続イベントを監視し、自動的に /dev 配下へデバイスファイルを生成する仕組みです。Linuxカーネルと連携して、以下の流れでデバイスファイルが作成されます。

1. ハードウェア接続
   USBメモリやディスクなどのハードウェアが接続されます。
2. Linuxカーネルが検知
   dmesg に以下のようなログが出力されます。
   usb 2-1: new high-speed USB device
   sd 6:0:0:0: Attached SCSI removable disk
3. sysfs (/sys) にデバイス情報を作成
   Linuxカーネルは、検知したデバイス情報を sysfs※ へ登録します。
   ※sysfs ：デバイス、デバイスドライバ、カーネルオブジェクトに関する情報をカーネル空間からユーザー空間へ公開するための仮想ファイルシステム
4. uevent（イベント通知）
   Linuxカーネルがnetlink（Linuxカーネル空間とユーザー空間のプロセスが情報をやり取りするための通信インターフェース）経由でudevにイベントを通知
5. udevd がイベントを受信
   udev を実際に動作させるデーモンプロセスであるudevd（systemd-udevd）がイベントを受信します。
6. udevがsysfsを参照
   /sysディレクトリに保存されたデバイス情報を参照
7. udevルールを参照
   udevの挙動を制御するルール設定に従ってデバイスファイルの作成を指示します。
8. /dev にデバイスファイル生成
   たとえば/dev/sdb、/dev/sdb1といったデバイスファイルを作成します。また、udevルールに従ってデバイスファイルの権限やシンボリックリンクを設定します。

また、ハードウェアの接続が解除されると、Linuxカーネルがそのイベントを検知し、udevが対応するデバイスファイルが削除されます

※sysfsの詳細は以下を参照
sysfs – _The_ filesystem for exporting kernel objects — The Linux Kernel documentation

※udevの詳細は以下を参照
udev

まとめ

Linuxでは、ハードウェアは単純に「接続すれば使える」わけではなく、Linuxカーネル・デバイスドライバ・sysfs・udev が連携することで利用可能になっています。

内部では以下のような流れでデバイス管理が行われています。

– Linuxカーネルがデバイスを検知
– 適切なデバイスドライバを割り当て
– sysfs (/sys) にデバイス情報を公開
– uevent を userspace へ通知
– udev(systemd-udevd) がイベントを受信
– udev が sysfs を参照
– /dev 配下へデバイスファイルを生成

Linuxでは「Everything is a file」という思想のもと、ディスクや端末などのハードウェアもファイルとして扱われています。そのため、デバイスファイル・メジャー番号・マイナー番号の仕組みを理解することは、Linux内部動作を理解するうえで非常に重要です。

ストレージ管理やファイルシステムに関する記事も書いているので、合わせてご参照ください。
Linux LVMディスク拡張を徹底解説｜PV・VG・LV拡張からオンライン容量拡張まで
Linux Multipathを徹底解説｜iSCSI構築からWWID・Device Mapper・フェイルオーバまで
Linuxエンジニア必見！ファイルシステムの基礎知識と仕組みをわかりやすく解説