[OS] 파일 시스템

do_it·2025년 10월 23일

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사용자가 데이터를 효율적으로 저장, 접근, 관리할 수 있도록 해주는 핵심 메커니즘이자,
보조 기억 장치(하드 디스크, SSD 등)의 물리적인 공간을 논리적인 파일과 디렉토리 형태로 추상화해주는 체계

커널 영역 동작
파일 시스템의 핵심 기능(메모리 할당, 디스크 I/O 등)은 안정성이 중요한 커널 모드에서 실행됨
목적 (CRUD)
파일의 생성(Create), 읽기(Read), 수정(Update), 삭제(Delete) 기능을 원활하고 안정적으로 수행함
계층적 구조
파일을 관리하기 쉬운 트리 구조로 구성하여 파일 탐색 및 분류를 용이하게 함
보조 저장소 관리
파일 자체 뿐만 아니라, 파일을 저장하는 디스크 공간(빈 공간, 할당된 공간)도 효율적으로 관리함
무결성 메커니즘
시스템 충돌이나 전원 문제 발생 시에도 데이터의 손상(파일 무결성)을 최소화하고 복구할 수 있는 메커니즘(e.g. 저널링)을 제공

메타 영역 (Metadata Area):
- 파일 자체의 데이터가 아닌, 파일을 설명하는 정보(속성)를 저장합니다.
- 포함 내용: 파일 이름, 파일의 데이터가 저장된 위치 주소, 크기, 소유자, 접근 권한, 생성/수정/접근 시간, 삭제 여부 등.
- 이 메타 정보를 저장하는 대표적인 구조가 FCB (File Control Block) 또는 Inode (아이노드)입니다.
데이터 영역 (Data Area):
- 실제 파일의 내용(바이너리 코드, 텍스트, 이미지 등)이 저장되는 영역입니다.

구조	특징	장점	단점
1단계 (Single-Level)	시스템 내 파일이 하나의 디렉터리에만 존재함	구현이 가장 단순함	파일 이름 충돌 발생 쉬움. 파일 관리 어려움
2단계 (Two-Level)	사용자별 UFD를 두고 MFD가 관리함	사용자 간 이름 충돌 해소됨. 사용자별 파일 구분이 명확함	사용자 간 파일 공유 및 파일 그룹화 어려움
트리 구조 (Tree Structure)	루트를 정점으로 하는 계층적 다단계 구조임	파일의 논리적 그룹화 용이함. 절대/상대 경로 접근 가능함	탐색 시 시간 오버헤드 발생 가능함. 파일 공유가 간접적임
그래프 구조 (Acyclic-Graph)	트리 구조에 링크를 추가하여 파일 공유를 허용함	파일 및 디렉터리 공유가 가능하여 효율성 높음	순환(Cycle) 처리 복잡함. 삭제 시 댕글링 포인터 문제 발생함

파일 시스템은 파일의 논리적인 블록을 디스크의 물리적인 블록에 어떻게 대응시켜 저장할지를 결정함

연속 할당(Contiguous Allocation)

파일의 모든 데이터 블록을 디스크의 연속된 물리적 블록에 저장함

[+] 순차 접근 및 직접 접근이 매우 빠르고, 구현이 단순함

[-] 파일 크기 변경이 어렵고, 외부 단편화 문제가 심각하게 발생함
연결 할당(Linked Allocation)
파일의 각 데이터 블록을 디스크에 흩어져 저장됨
각 블록은 다음 블록의 주소를 포인터 형태로 저장하여 연결함
[+] 외부 단편화가 발생하지 않고, 파일 크기 변경이 용이함
[-] 직접 접근이 불가능하고 순차 접근만 가능하며, 포인터 저장 공간으로 인한 낭비가 발생하고, 포인터 손상 시 데이터 접근이 끊어지는 신뢰성 문제
인덱스 할당(Indexed Allocation)
파일의 모든 디스크 블록 주소를 모아놓은 인덱스 블록을 사용함
파일 접근 시 인덱스 블록을 먼저 참조하여 데이터의 위치를 파악함
[+] 직접 접근이 가능하고, 외부 단편화가 없음
[-] 인덱스 블록을 위한 추가적인 공간이 필요하며, 대용량 파일의 경우 인덱스 블록을 관리하는 것이 복잡해짐