[OS 공룡책] Ch13. File-System Interfaces

Jnary·2024년 1월 21일

Operating System

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File-System Overview

파일

사용자 관점
- 정보 저장, 관리하는 논리적인 단위
컴퓨터 시스템 관점
- 정보 저장하는 컨테이너
- 0, 1 데이터
- 파일이 저장되는 저장 장치
  - HDD, USB, SDD, 테이프 저장 장치
  - RAM Disk
운영체제 역할
- 파일 생성, 기록, 읽기의 모든 과정 관리
- 응용프로그램 : OS 통해 파일 다룸 → 저장 매체, 빈 공간 등의 관리

파일 입출력 주소

디스크 장치 : 디스크 물리 주소 사용
운영체제 : 논리 블록 주소 사용
- Logical Block Address (LBA)
- 1차원의 연속된 데이터 블록 → 저장 매체 종류 관계 X
- 0번부터 시작하는 블록 번호 → HDD : 맨 바깥쪽 실린더에서 안쪽으로, 맨 위 트랙에서 아래쪽으로
응용프로그램 : 파일 내 바이트 주소(오프셋) 사용

파일 주소 변환

응용프로그램 : 파일 내 바이트 주소
운영체제 : 논리 블록 주소
- 파일 내 바이트 주소 → 논리 블록 주소 변환
- 파일을 블록 크기로 분할
- 각 블록 디스크에 분산 저장
- 블록 : 운영체제가 입출력하는 단위
디스크장치 : 물리 주소
- 디스크장치 펌웨어 : 논리주소 → 물리주소 변환

파일 입출력 계층

응용 프로그램
파일 입출력 C 라이브러리
파일 입출력 커널 코드
- 파일의 바이트 주소 → 논리 블록 주소 변환
- 파일이 어느 블록에 있는지 찾아야 함
디스크 드라이버
물리적 입출력 시행
디스크 캐시
블록 저장하는 버퍼 캐시
c 라이브러리 버퍼

파일 시스템 구조

트리 계층 구조
- 루트 디렉토리
- 서브 디렉토리
- 디렉토리도 하나의 파일
논리적 구성 & 물리적 구성

디렉토리와 파일 경로명

디렉토리
- 논리적인 관점
  - 여러 파일, 서브 디렉토리를 포함하는 컨테이너
  - 파일에 대한 경로 제공
- 물리적인 관점
  - 디렉토리도 파일로 구현
  - 서브디렉토리, 위치정보, 속성등을 저장
파일 이름과 경로명
- 루트 디렉토리에서부터 파일에 이르기까지의 계층 경로

파일 시스템을 다루기 위한 메타 정보

파일 시스템 메타 정보 : 파일 시스템 전체에 관한 정보
- 파일 시스템 전체 크기, 현재 사용 크기
- 저장 장치에 구축된 파일 시스템의 비어있는 크기
- 저장 장치의 빈 블록 리스트
- 저장 위치 : 저장 매체의 특별한 위치에 저장 (쉽게 읽고 쓰기)
파일 메타 정보 : 파일에 관한 정보
- 파일 이름, 파일 크기, 저장된 위치
- 파일 생성시간, 최근 접근 시간, 파일 수정 시간 등의 파일 속성
- FCB에 저장 (ex. i-node)

파일 시스템의 종류와 구현 이슈

파일 시스템 종류
1. FAT (File Allocation Table)
  - MS-DOS에서 사용
  - NTFS의 근간
  - 확장성 부족
2. UFS (unix File System) : Unix에서 사용
3. ext2, ext3, ext4 : Linux에서 사용
4. HFS (Hierarchical File System)
  - Windows3.1부터 지금까지 사용
  - FAT 개선, Linux에서도 지원
구현 이슈
- 디스크에 파일 시스템 포맷 → 비어 있는 블록들의 리스트 어떻게 관리?
- 파일 블록 할당/배치 관리 → 파일 블록들 디스크의 어느 영역에 분산 배치?
- 파일 블록 위치 관리 → 파일 블록들이 저장된 디스크 내 위치들 어떻게 관리?

FAT File-System

FAT 파일 시스템

boot sector
- 섹터 1개
- 운영체제 초기 코드를 적재하고 실행시키는 코드
FAT1, FAT2
- FAT : 파일 블록들의 할당 테이블
- FAT2 = FAT1의 복사본
루트디렉토리
- 고정 크기
- 생성되는 파일이나 서브 디렉토리 개수 유한
데이터 블록
- 파일 블록들이 저장되는 곳
- 파일 : 블록들로 분할되어 분산 저장
디렉토리
- 파일, 서브디렉토리 목록을 담은 특수 파일
- 파일 이름 8.3형식 : 최대 8글자 + 확장자 3글자
- 디렉토리 항목 : 32B 크기로 하나의 파일에 대한 메타 정보 저장

파일 블록 배치

FAT 파일 시스템의 파일 블록 저장
- 파일 데이터 블록 단위로 디스크에 분산 저장
- 파일 메타 데이터 : 디렉토리에 저장
- 저장된 파일 블록들의 위치 → FAT 테이블에 기록
FAT 테이블
- 저장된 파일 블록 번호들이 담겨있는 테이블
- 테이블 항목
  - 디스크 블록 번호 = FAT 항목 번호
  - 다음 디스크 블록 번호 저장 (다음 FAT 항목 가리킴)
  - 저장된 번호 -1 → 파일 끝 저장된 번호 0 → 빈 블록
- FAT 항목 : 연결리스트로 연결
- FAT 손상 (심각한 문제) → FAT2 백업으로 해결

파일이 저장된 모든 블록 알아내기

파일이 포함된 디렉토리 항목 검색
디렉토리 항목
- 해당 파일이 시작되는 FAT 항목 번호 저장
- 해당 파일의 크기 저장
- 파일 크기 + 시작 블록 번호 → FAT 테이블 연결 리스트 방식으로 검색
하나의 파일을 읽는 데 여러번의 디스크 탐색(seek) 필요 → 분산 저장돼서
FAT 한 항목 크기 16bit, 블록 4KB
- 접근 가능한 블록 수 2^16-2 = 대략 2^16개 → 0번(비어있는 데이터 블록), 1번(예약) 제외
- FAT 파일 시스템이 저장할 수 있는 최대 데이터양 2^16 x 4KB = 2^16 x 2^12 = 2^28바이트 = 256 x 2^20 = 256MB

FAT 파일 시스템의 파일 할당

파일의 메타 데이터 : 디렉토리 엔트리에 저장
- 시작하는 FAT 테이블 엔트리 번호
- size (9000B) → 한 블록 4KB : FAT 테이블 엔트리 3개로 구성

Unix File-System

Unix 파일 시스템 구조

boot block
- 부팅 시 메모리에 적재되어 실행되는 코드
- 운영체제 적재하는 기능
super block
- 파일 시스템 메타 정보 저장
i-node
- 파일 하나당 1개 i-node 필요
- 파일 메타 정보 저장
- i-node 번호만 알면 파일 하나에 대한 정보 모두 읽을 수 있음
i-node 리스트
- i-node 리스트 크기 : 포맷 시 결정 → 고정
- 파일 생성 시 빈 i-node 할당 (0번부터 시작)
- 루트 리덱토리의 i-node 번호 super block에 기록 (Linux : 2, Unix : 1)
data block
- 파일, 디렉토리 저장

Unix 파일시스템의 파일 블록 배치

파일 : 블록 단위 분산 배치
i-node : 15개 인덱스
- 12개 직접 인덱스
  - 가리킬 수 있는 파일 크기 : 12 x 4KB = 48KB
- 1개 간접 인덱스
  - 디스크 블록 가리킴 : 파일 블록 번호 집합
  - 한 블록 4KB, 블록 번호 32bit(4B) → 가리킬 수 있는 파일 블록수 = 4KB / 4B = 1024블록 파일 크기 1024 x 4KB = 4MB
- 1개 2중 간접 인덱스
  - 파일 블록 수 : 1024 x 1024 블록
  - 파일 크기 : 1024 x 1024 x 4KB = 4GB
- 1개 3중 간접 인덱스
  - 파일 블록 수 : 1024 x 1024 x 1024 블록
  - 파일 크기 : 1024 x 1024 x 1024 x 4KB = 4TB
Unix 파일 최대 크기
- 48KB + 4MB + 4GB + 4TB

파일의 i-node 찾기

파일 블록들 위치 : i-node 15개 인덱스로 파악
/usr/source/main.c 파일 찾는 과정
- 루트디렉토리(/)의 i-node 번호 찾기 : super block
- 루트디렉토리의 i-node 읽기
- /usr의 i-node 번호 알아내기
- /usr 디렉토리 읽고 /usr/source 파일의 i-node 번호 알아내기
- /usr/source 디렉토리 읽고 /usr/source/main.c 파일의 i-node 번호
- /usr/source/main.c 파일 읽기

파일 입출력 연산

파일 열기
1. 파일 이름으로 i-node 번호 알아내기
  
  → 파일 존재X, 접근 권한X : 오류
2. 디스크 i-node를 커널 메모리의 i-node 테이블에 적재
3. 오픈 파일 테이블에 항목 생성 : i-node 주소 기록
4. 프로세스별 오픈 파일 테이블에 항목 생성
  - 프로세스별 오픈 파일 테이블에 항목 할당
  - 파일 테이블의 주소 기록
5. open() : 프로세스별 오픈 파일 테이블 항목 번호(정수) 리턴
  - 항목 번호 = file descriptor
  - 응용프로그램 : 파일 입출력 시 file descriptor 사용
파일 읽기 read() 과정
1. read(fd, …) : fd 번호의 프로세스별 오픈 파일 테이블 참조
2. 파일 테이블 참조
  
  → R(읽기 허용)모드 X : 오류
3. i-node 참조
  - i-node에서 파일 블록들의 리스트 확보
  - 파일 테이블 항목에 적힌 offset 확인
  - offset → 파일 블록 번호 변환
4. 해당 블록이 버퍼 캐시에 있는지 확인
  - 없으면, 버퍼 캐시 할당 → 디스크에서 버퍼캐시로 읽기
  - 버퍼캐시 dirty면, 버퍼 캐시에 있는 블록 디스크에 쓰기
파일 쓰기 write() 과정
1. write(fd, ..) : fd 번호의 프로세스별 파일 테이블 참조
2. 파일 테이블 참조
  
  → W(쓰기 허용)모드 X : 오류
3. i-node 참조
  - i-node에서 파일 블록들의 리스트 확보
  - 파일 테이블 항목에 적힌 offset 확인
  - offset → 파일 블록 번호 변환
4. 해당 블록이 버퍼 캐시에 있는지 확인
  - 있으면, 사용자 영역에서 버퍼캐시에 쓰기
  - 없으면, 버퍼캐시 할당 → 디스크블록을 버퍼 캐시로 읽어 들이기
5. 사용자 공간의 버퍼에서 버퍼 캐시로 쓰기
6. 추후 버퍼캐시가 교체, 플러시될 때 버퍼 캐시의 내용이 저장 장치에 기록
파일 닫기 close() 과정
1. 프로세스의 오픈 파일 테이블 항목에 기록된 내용 지우기
2. 지우기 전에, 파일 테이블의 항목 찾고 (지우고) 반환하기
3. 반환하기 전에, 메모리 i-node의 사용 해제
4. 버퍼 캐시에 있는 이 파일의 블록들이 수정, 새로 만든 블록인 경우 디스크에 기록