Phân tích 3 thư mục ảo: /proc, /sys, và /dev

 

Trong hệ thống file của Linux, ba thư mục /proc, /sys, và /dev đóng vai trò then chốt trong việc giao tiếp giữa user-space (không gian người dùng) và kernel-space (không gian nhân).

Bài viết này sẽ phân tích sự khác biệt và vai trò của từng thư mục.

Điểm chung: Hệ thống file ảo (Virtual Filesystems)

Điểm chung lớn nhất của /proc, /sys, và /dev là chúng đều là các hệ thống file ảo (virtual filesystems).

Điều này có nghĩa là các file và thư mục bên trong chúng không đại diện cho dữ liệu thực tế trên ổ cứng. Thay vào đó, chúng là các giao diện do kernel tạo ra và duy trì động. Các file này được tạo ra khi hệ thống khởi động (boot) hoặc trong quá trình hệ thống hoạt động (ví dụ: cắm nóng USB). Khi hệ thống tắt (shutdown), toàn bộ nội dung của chúng sẽ biến mất và được tạo lại trong lần khởi động kế tiếp.

Mặc dù có điểm chung này, vai trò của chúng là hoàn toàn khác biệt.

1. Thư mục /dev (Device Files)

• Mục đích: /dev (viết tắt của “device”) chứa các file thiết bị (device files).
• Cách hoạt động: Đây là cơ chế chính để các ứng dụng user-space tương tác (đọc/ghi dữ liệu) với các thiết bị phần cứng. Hệ điều hành (OS) sẽ chỉ đọc/ghi dữ liệu vào một thiết bị thông qua các file đại diện của nó trong thư mục này.
• Vai trò của Driver: Đối với các loại thiết bị phổ biến (như chuột, bàn phím, USB, âm thanh), kernel định nghĩa sẵn các chuẩn (protocols) về định dạng dữ liệu. Nếu một device driver (trình điều khiển thiết bị) implement (thực thi) đúng các hàm đọc/ghi để tạo ra dữ liệu theo chuẩn này, mọi ứng dụng trong OS đều có thể hiểu và sử dụng thiết bị đó.
• Ví dụ:
  • File /dev/input/mice đại diện cho thiết bị chuột. Khi người dùng di chuyển chuột, driver sẽ ghi dữ liệu theo một định dạng chuẩn (ví dụ: chứa thông tin về hoành độ $x$ và tung độ $y$) vào file này. Bất kỳ ứng dụng nào (như máy chủ đồ họa X11) cũng có thể đọc file này để lấy tọa độ chuột.
  • File /dev/sda1 đại diện cho phân vùng đầu tiên trên ổ cứng.

2. Thư mục /proc (Process and System Information)

• Mục đích: /proc (viết tắt của “process”) ban đầu được tạo ra để cung cấp thông tin chi tiết về các tiến trình (processes) đang chạy trên hệ thống.
• Cách hoạt động: Mỗi một thực thể (như process, memory, interrupt) sẽ được đại diện bằng một thư mục hoặc file.
  • Mỗi tiến trình đang chạy sẽ có một thư mục con đặt tên theo ID của nó (ví dụ: /proc/1234).
  • Bên trong thư mục đó là các file con chứa thông tin về tiến trình đó (trạng thái, bộ nhớ đang sử dụng, các file đang mở…).
• Vai trò lịch sử: Về cơ bản, /proc là phiên bản đời đầu của /sys. Ngoài thông tin về process, nó cũng từng được dùng để chứa nhiều thông tin cấu hình hệ thống khác. Ngày nay, vai trò đó đã được chuyển giao cho /sys.
• Lý do tồn tại: Mặc dù /sys đã hiện đại hơn, /proc vẫn được giữ lại vì lý do tương thích ngược (backward compatibility). Rất nhiều ứng dụng và công cụ hệ thống (như ps, top, htop) vẫn được lập trình để đọc thông tin từ /proc.
• Ví dụ: Khi bạn chạy lệnh ps, lệnh này sẽ đọc nội dung trong các thư mục /proc/<PID> để lấy thông tin và hiển thị cho người dùng.

3. Thư mục /sys (System Device Model)

• Mục đích: /sys là một phiên bản nâng cấp, có cấu trúc rõ ràng hơn của /proc. Mục đích chính của nó là để biểu diễn mô hình thiết bị (device model) của kernel.
• Cách hoạt động: /sys tổ chức các thiết bị và driver theo một cấu trúc phân cấp, logic, thể hiện rõ mối quan hệ giữa chúng (ví dụ: thiết bị nào nằm trên bus nào, thuộc lớp nào).
• Cấu trúc: Khác với /proc, một đối tượng trong /sys có thể được biểu diễn ở nhiều nơi (thông qua các liên kết tượng trưng – symlink) để thể hiện các góc nhìn khác nhau.
• Ví dụ: Một con chuột USB:
  • Nó sẽ xuất hiện trong /sys/bus/usb/devices/... (để thể hiện nó được kết nối vật lý qua bus USB).
  • Nó cũng sẽ xuất hiện trong /sys/class/input/inputX (để thể hiện nó thuộc lớp thiết bị “input”).

4. Lưu ý về Hiệu suất Đọc/Ghi

Có một điểm khác biệt quan trọng về hiệu suất khi tương tác với ba thư mục này:

• Thư mục /dev: Việc đọc/ghi vào các file thiết bị (đặc biệt là thiết bị khối như ổ cứng) thường sẽ đi qua các lớp đệm (cache/buffer) của kernel. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.
• Thư mục /proc và /sys: Các file trong hai thư mục này không được cache. Chúng là các giao diện trực tiếp đến dữ liệu “sống” của kernel.
  • Khi bạn đọc một file trong /proc (ví dụ: cat /proc/meminfo), kernel sẽ chạy một hàm tại thời điểm đó để thu thập thông tin và trả về.
  • Khi bạn ghi vào một file trong /sys (ví dụ: thay đổi độ sáng đèn LED), kernel sẽ gọi một hàm tại thời điểm đó để thay đổi tham số.
  • Do không có cache, hiệu suất đọc/ghi (nếu thực hiện lặp lại liên tục) vào /proc và /sys sẽ không cao bằng /dev, nhưng chúng đảm bảo dữ liệu luôn là mới nhất.