Linux使用设备号——dev_t类型的一个数值来标识一个字符设备或块设备对象，虽然实际开发中通常使用对cdev或gendisk的更高层的封装接口，诸如输入子系统，MTD，MutiDisk等设备模型，但万丈高楼平地起，管理这些复杂设备的根基都是对cdev或gendisk对象的管理，其中，设备号的获取以及管理就是重要的一个方面，这就是本文主要讨论问题。
和所有其他资源一样，计算机酷爱使用数字id来标识一个资源，从页面到进程，从中断到地址，自然而然，linux对设备的标识也不例外，这就是设备号dev_t。设备号和PID，中断号一样，Device Number本身就是系统资源，在用户空间，我们可以通过`$cat /proc/devices`来查看主设备号的分配情况，只要一个设备注册的设备号，就可以在/proc中体现，但仅限于major。
$cat /proc/devices Character devices: 1 mem 4 /dev/vc/0 Block devices: 259 blkext 7 loop
也可以通过`$ls -l /dev`查看设备文件的设备号占用情况，/dev下的设备文件需要使用sysfs接口并通过udevd来创建，一旦创建完毕我们可以同时查看major和minor。下例中的10就是major，235就是minor
$ls -l /dev/ total 0 crw------- 1 root root 10, 235 Sep 9 22:19 autofs
对于驱动开发者，内核文档“Documentation/devices.txt”对设备号有比较准确的叙述。字符设备和块设备各享有0-255个设备号，其中0是保留设备号，用来表示无名设备，同时HASH值为0的255也是保留设备号。
//Documentation/devices.txt 86 0 Unnamed devices (e.g. non-device mounts) 3111 255 char RESERVED 3113 255 block RESERVED
下面的这个设备号区间是留给普通开发用的，比如如果动态分配，获取到的设备号常常是250…
//Documentation/devices.txt 3104 240-254 char LOCAL/EXPERIMENTAL USE 3106 240-254 block LOCAL/EXPERIMENTAL USE
//include/uapi/asm-generic/int-l64.h 26 typedef unsigned int __u32; //include/linux/types.h 12 typedef __u32 __kernel_dev_t; 15 typedef __kernel_dev_t dev_t; //include/linux/kdev_t.h 6 #define MINORBITS 20 7 #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1) 8 9 #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) 10 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) 11 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
字符设备的Device number
既然设备号本身就是一种资源，那么在使用之前，就需要向内核申请。对字符设备来说，内核使用chrdevs[]这个全局HASH表来标记已经注册的设备号，我们使用内核的相关API来注册设备号，使用获取的设备号初始化cdev实例(include/linux/cdev.h +12)。当然，从内核注销一个cdev也要将其占用的设备号释放。
//fs/char_dev.c
31 static struct char_device_struct {
32 struct char_device_struct *next;
33 unsigned int major;
34 unsigned int baseminor;
35 int minorct;
36 char name[64];
37 struct cdev *cdev; /* will die */
38 } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];
–32–>该HASH表的每一个表项都是一条链表。
–37–>那个`/*will die*/`从2.6开始就在内核了[汗]，现在没有函数需要这个成员，只是没有剔除而已。这张HASH表可以用下图简要的表示。
__register_chrdev_region()
内核提供的下述接口来注册/注销一个设备号区间给字符设备
//include/linux/fs.h +2267 2266 #define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255 2267 extern int alloc_chrdev_region(dev_t *, unsigned, unsigned, const char *); 2268 extern int register_chrdev_region(dev_t, unsigned, const char *); 2269 extern int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,unsigned int count, const char *name,const struct file_operations *fops);
本节讨论的这个函数是alloc_chrdev_region()和register_chrdev_region实现的核心函数，无论是手动注册(alloc_chrdev_region)还是自动注册(register_chrdev_region)，最终都会操作相应的管理结构，这部分核心工作就在这个__register_chrdev_region中完成。 这个函数设计的十分巧妙。该函数在申请设备号的时候，秉承“不成功便成仁”的意志，要么完成注册任务，要么返回错误。
//fs/char_dev.c +74
73 static struct char_device_struct *
74 __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,int minorct, const char *name)
76 {
77 struct char_device_struct *cd, **cp;
78 int ret = 0;
79 int i;
81 cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
88 if (major == 0) {
89 for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) {
90 if (chrdevs[i] == NULL)
91 break;
92 }
98 major = i;
99 }
101 cd->major = major;
102 cd->baseminor = baseminor;
103 cd->minorct = minorct;
104 strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));
105
106 i = major_to_index(major);
107
108 for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
109 if ((*cp)->major > major ||
110 ((*cp)->major == major &&
111 (((*cp)->baseminor >= baseminor) ||
112 ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))
113 break;
115 /* Check for overlapping minor ranges. */
116 if (*cp && (*cp)->major == major) {
117 int old_min = (*cp)->baseminor;
118 int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;
119 int new_min = baseminor;
120 int new_max = baseminor + minorct - 1;
121
122 /* New driver overlaps from the left. */
123 if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
124 ret = -EBUSY;
125 goto out;
126 }
127
128 /* New driver overlaps from the right. */
129 if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
130 ret = -EBUSY;
131 goto out;
132 }
133 }
135 cd->next = *cp;
136 *cp = cd;
138 return cd;
139 out:
140 mutex_unlock(&chrdevs_lock);
141 kfree(cd);
142 return ERR_PTR(ret);
143 }
该函数是申请/注册设备号的核心函数
–88–>在major==0时，则自行寻找最小未用的HASH键值进行动态分配，注意，这里仅从chrdevs[i]==NULL处开始分配，即整条链表都为空，试想一种情况：chrdevs[255]没有一个元素为NULL，即不存在某个major或major%255未被使用，但是某个major中有满足要求的minor区间，那么这种分配也不会成功的。
–101–>初始化一个struct char_device_struct*
–106–>计算HASH键值
–108-113–>遍历chrdevs[]一个index上的链表，这段判断就是确定cp的位置，以便之后插入新的char_device_struct对象cd， 其实，在找cp的过程中，如果通过`(*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor`来找到cp，那么这个cd注定是失败的，只是这里我们只关注cp的确定，能否成功由后面的代码判断，图例如下，数轴中的灰色块表示一段已注册的设备号区间，由一个char_struct_device实例表示，蓝色表示描述期待注册设备号区间的char_struct_device实例(cd):
–116–>检查cd的minor区间是否与之前有重叠(overlap)，一旦有overlap即报错，即上图中的A、B。 当然，overlap只会发生在major相同的情况下
–135-136–>这两行就是将新的char_device_struct对象插入到HASH中，具体的说是cp之前，其中对二级指针的使用很巧妙
register_chrdev_region()
//fs/char_dev.c +174
174 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
175 {
176 struct char_device_struct *cd;
177 dev_t to = from + count;
178 dev_t n, next;
179
180 for (n = from; n < to; n = next) {
181 next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
182 if (next > to)
183 next = to;
184 cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),
185 next - n, name);
188 }
189 return 0;
197 }
–180–>__register_chrdev_region()这个接口只能在一个HASH键上注册一段设备区间，而这个接口使用这个简单for()，实现了跨major的注册，比如，我们可以注册起始major:minor=10:20 长度为2^20的设备号，最终可以注册到从10:20~11:20的区间，当然，这是在有足够空闲区间的情况下，否则某一次循环体中__register_chrdev_region()就会报错了
块设备的Device number
块设备的设备号管理和字符设备有一些不同。在块设备中，申请主设备号同样是可以通过类似的HASH表，也有支持手动注册和自动注册major，相应的实例gendisk中同样保存了设备号信息。但minor是与该块设备驱动的partition支持情况有关的，并不像字符设备一样怎么注册都可以(如果不冲突的话)。 gendisk中的minors类似于char_dev_struct中的minorct，但不完全相同，它表示disk允许的包括disk本身在内的最大partition的数量，例如，/dev/sdb不允许分区，那么它的minors已经是1，允许分一个区/dev/sdb1，则它的minors就是2…，相关的还有partno，即”partition number”，对于disk /dev/sdb来讲，它至少有一个partno就是0，类似的，/dev/sdb1的partno就是1… 本文不对Block Device minor进行深入讨论，相关内容会在Block Device驱动框架中介绍 在Block Device中，使用blk_major_name来作为HASH表项，相当于Char Device中的char_device_struct。
//include/linux/fs.h
2194 extern int register_blkdev(unsigned int, const char *);
2293 #define BLKDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255
//block/genhd.c
243 static struct blk_major_name {
244 struct blk_major_name *next;
245 int major;
246 char name[16];
247 } *major_names[BLKDEV_MAJOR_HASH_SIZE];
Block Device中的Device Number HASH只考虑major，并不理会minor的问题，minor的问题必须要交给驱动中的分区策略来处理，内核也是这种设计，所以minor的相关API都与gendisk的alloc或init直接相关。
register_blkdev()
这个接口对标到cdev机制中是__register_chrdev_region()，二者有相当多的实现是一样的。此外，由于这个函数只负责major，所以比__register_chrdev_region()要简单很多，这里仅分析二者不同的部分。
//block/genhd.c
285 int register_blkdev(unsigned int major, const char *name)
286 {
287 struct blk_major_name **n, *p;
288 int index, ret = 0;
293 if (major == 0) {
294 for (index = ARRAY_SIZE(major_names)-1; index > 0; index--) {
295 if (major_names[index] == NULL)
296 break;
297 }
298
299 if (index == 0) {
300 printk("register_blkdev: failed to get major for %s\n",
301 name);
302 ret = -EBUSY;
303 goto out;
304 }
305 major = index;
306 ret = major;
307 }
308
309 p = kmalloc(sizeof(struct blk_major_name), GFP_KERNEL);
310 if (p == NULL) {
311 ret = -ENOMEM;
312 goto out;
313 }
315 p->major = major;
316 strlcpy(p->name, name, sizeof(p->name));
317 p->next = NULL;
318 index = major_to_index(major);
319
320 for (n = &major_names[index]; *n; n = &(*n)->next) {
321 if ((*n)->major == major)
322 break;
323 }
324 if (!*n)
325 *n = p;
326 else
327 ret = -EBUSY;
336 return ret;
337 }
–293–>和__register_chrdev_region()一样，如果传入的major==0，那么会自动在HASH表中搜索可用的major，但这种搜索也会漏掉一些可能的值，参见__register_chrdev_region()
–318–>计算HASH键值
–320–>遍历某个键值对应的链表
–324-327–>如果和major表示的主设备号已经被注册，返回EBUSY，否则将major插入链表尾。
alloc_disk()
看名字也知道这是用来分配的，可正如很多linux内核API一样，名为alloc的函数可能连带着将initialization的工作也做了，
//block/genhd.c
1254 struct gendisk *alloc_disk(int minors)
1255 {
1256 return alloc_disk_node(minors, NUMA_NO_NODE);
1257 }
1258 EXPORT_SYMBOL(alloc_disk);
//block/genhd.c
1260 struct gendisk *alloc_disk_node(int minors, int node_id)
1261 {
1262 struct gendisk *disk;
1264 disk = kzalloc_node(sizeof(struct gendisk), GFP_KERNEL, node_id);
1265 if (disk) {
...
1290 disk->minors = minors;
...
1295 }
1296 return disk;
1297 }
1298 EXPORT_SYMBOL(alloc_disk_node);
–1256–>gendisk实例中的minors成员是在调用alloc_disk()时由调用者传入的，毕竟这个成员表示一个disk的最大partition数量，只有驱动开发人员才有权指定。 –1264–>这就是不让使用kmalloc自己分配gendisk实例的原因，内核使用slab/slub/slat机制来管理这种经常使用的对象，而kzalloc_node就是其中一个相关API，后续的文章会有详细分析
–1290–>alloc_disk_node做了很多初始化工作，本文只关注这一点，对minors成员的初始化，有了这句，就可以知道gendisk中的minors从何而来。