Linux是如何检测U盘存储容量的原理？

Linux检测U盘大小的过程是一个涉及硬件识别、内核驱动、设备管理和用户空间工具协同工作的复杂流程，从U盘插入物理接口到用户通过命令查看大小，整个流程可划分为硬件接入、内核处理、设备注册、信息暴露和用户空间读取五个阶段,每个阶段都有明确的技术机制和交互逻辑。

硬件接入与USB子系统识别

当U盘插入Linux系统的USB接口（如USB 2.0/3.0端口）时，USB控制器（通常集成在主板芯片组中）会通过差分信号检测到设备接入的电压变化，并触发中断通知内核，USB子系统（由usbcore内核模块管理）是处理USB设备的核心，它通过以下步骤识别设备类型：

1. 设备枚举：USB控制器向设备发送标准请求，获取设备描述符（Device Descriptor），其中包含设备类型（如0x08表示大容量存储设备）、厂商ID（Vendor ID）和产品ID（Product ID）。
2. 配置描述符解析：U盘作为大容量存储设备（Mass Storage Device），通常会响应配置描述符请求，表明其支持“USB Mass Storage Class”协议（如BOT、UAS等）。
3. 接口驱动匹配：usbcore根据设备类型加载对应的驱动，即usb-storage模块（或uas模块，用于更高效的USB Attached SCSI协议），该驱动负责将USB设备的原始数据包转换为块设备（Block Device）可识别的SCSI命令或ATA命令。

块设备注册与分区表解析

usb-storage驱动加载后，会将U盘抽象为一个块设备，块设备是Linux内核中用于存储设备的抽象层，以固定大小的块（Block，通常为512字节或4KB）为单位进行数据读写，这一阶段的核心流程包括：

1. 块设备注册：usb-storage驱动通过blk_alloc_disk()函数为U盘分配一个gendisk结构（块设备的核心数据结构），并设置设备名称（如sdb，其中s表示SCSI设备，b表示顺序号），随后调用add_disk()将设备注册到块设备子系统，此时系统会自动在/dev目录下创建设备文件（如/dev/sdb，表示整个U盘；/dev/sdb1表示第一个分区）。
2. 读取分区表：内核通过块设备接口读取U盘的分区表，常见的分区表格式有两种：
   • MBR（主引导记录）：位于磁盘的第一个扇区（512字节），包含分区表项（每个项16字节，最多4个分区），每个分区项定义了分区的起始扇区、总扇区数和类型，内核解析MBR后，将分区信息记录在struct hd_struct中，并创建对应的分区设备文件（如/dev/sdb1）。
   • GPT（GUID分区表）：位于磁盘开头和结尾（备份），每个分区条目128字节，包含分区的GUID、起始/结束扇区、类型等信息，内核通过parted或libparted相关代码解析GPT，识别分区并创建设备文件。
3. 计算设备大小：分区表解析完成后，内核会记录设备的总扇区数（通过读取设备的“容量”字段，如SCSI设备的READ CAPACITY命令），对于未分区的U盘，总扇区数即设备总大小；对于分区设备，分区大小为“结束扇区-起始扇区+1”乘以扇区大小（512B或4KB）。

sysfs文件系统：设备信息的暴露接口

为了向用户空间提供设备信息，内核通过sysfs虚拟文件系统将块设备的元数据暴露到/sys目录下。sysfs是内核与用户空间交互的核心接口，U盘的大小信息主要通过以下文件存储：

1. /sys/block/sdb/size：直接存储U盘的总扇区数（以512字节为单位），若U盘总容量为16GB（17179869184字节），则size的值为17179869184 / 512 = 33554432，用户可通过cat命令直接读取该文件获取扇区数，再乘以512得到字节大小。
2. /sys/block/sdb/removable：标识设备是否为可移动设备（U盘通常为1，硬盘为0），内核通过USB设备的配置描述符判断设备是否可移除，并设置该属性。
3. /sys/block/sdb/sdb1/size：对于分区设备，该文件存储分区的扇区数，计算方式与设备总大小类似。

sysfs还暴露了设备的其他信息，如队列深度（queue/nr_requests）、物理块大小（queue/physical_block_size）等，但大小检测主要依赖上述文件。

用户空间工具：从sysfs到命令行输出

用户通过命令行工具（如lsblk、fdisk、df等）查看U盘大小时，这些工具通过读取sysfs文件或调用系统调用（如ioctl）获取内核提供的设备信息，以下是常用工具的原理：

特殊场景处理

1. 未分区U盘：若U盘未分区，内核直接将其视为一个块设备（如/dev/sdb），lsblk或fdisk会显示设备的总大小，无需解析分区表。
2. 4K扇区设备：现代U多采用4K物理扇区（Native 4K），但内核仍以逻辑扇区（512B）为单位管理，通过queue/logical_block_size和queue/physical_block_size区分，计算大小时会自动转换（如size文件仍以512B为单位，但实际物理容量为size * 512 / 8）。
3. 热插拔与动态更新：当U盘拔出时，usb-storage驱动会调用del_gendisk()注销块设备，sysfs中对应的文件会被移除；再次插入时，整个过程重复，实现动态检测。

相关问答FAQs

Q1：为什么df命令显示的U盘大小和lsblk显示的不一致？
A：df显示的是文件系统的“可用”或“总”大小，而lsblk显示的是设备或分区的“物理”大小，两者差异主要源于：

• 分区表开销：MBR分区表占1扇区（512B），GPT分区表占多个扇区（通常34KB），导致分区大小略小于设备总大小（如16GB U盘分区显示15.9GB）。
• 文件系统元数据：文件系统（如ext4、FAT32）会保留部分空间用于存储超级块、inode表等元数据，df显示的是文件系统实际可用的逻辑大小，而非物理扇区数。
• 未挂载分区：df需要文件系统挂载后才能读取超级块信息，若U盘未挂载，df无法显示其大小，而lsblk仍能通过sysfs获取物理大小。

Q2：Linux如何区分U盘和内置硬盘？
A：Linux主要通过以下属性区分U盘和内置硬盘：

1. sysfs的removable属性：U盘插入后，内核通过USB设备的配置描述符设置/sys/block/sdb/removable为1（可移动），而内置硬盘（如SATA硬盘）通常为0。
2. 设备路径：U盘的设备文件位于/dev/bus/usb/下（通过udev规则管理），而内置硬盘直接位于/dev/（如/dev/sda）。
3. udev规则：udev服务可通过USB设备的厂商ID（Vendor ID）和产品ID（Product ID）匹配规则，例如通过ENV{ID_VENDOR_ID}=="0781"和ENV{ID_MODEL_ID}=="5581"识别特定U盘，并设置ID_USB_DRIVER=usb-storage等属性。
4. 驱动类型：U盘由usb-storage或uas驱动管理，而内置硬盘由ahci（SATA）、sd_mod（SCSI）等驱动管理，可通过/sys/block/sdb/device/目录下的驱动名称区分。