컴퓨터 과학에 대한 지식을 습득하고 정리하는 기록용 포스팅입니다.
예외를 판단하는 사고를 기르고, 효율적인 코드를 작성하기 위해
컴퓨터 과학 지식을 활용하는 것을 목표로 합니다.
✅ 파일과 파일 시스템
📌 파일 시스템 개요
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운영체제는 사용자가 직접 파일을 보관하거나 접근하지 못하도록 하기 위해, 대신 파일을 보관하고 관리하는 파일 관리자를 두어 저장 장치의 전체 관리를 맡기는데 이를
파일 시스템이라고 한다. -
가상 메모리에서 메모리 관리자가
메모리 매핑 테이블을 사용하여 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 것과 마찬가지로, 저장 장치에서는 파일 관리자가파일 테이블을 사용하여 파일을 관리한다.
윈도우의 경우FAT(File Allocation Table), 유닉스의 경우I-node와 같은 파일 할당 테이블을 유지한다. -
데이터는 운영체제와 저장 장치 간에 블록 단위로 전송된다. 블록은 저장 장치에서 사용하는 가장 작은 단위로, 한 블록에 주소 하나가 할당 된다.
메모리는바이트단위로 저장되고, 하드 디스크의 물리적인 구조상 가장 작은 저장 단위는섹터이다. -
섹터마다 주소를 부여하면 너무 많은 양의 주소가 필요하기 때문에 파일 관리자는 여러 섹터를 묶어 하나의 블록으로 만들고, 블록 하나에 주소 하나를 배정한다.
📌 파일 분류와 확장자
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모든 파일은 0과 1의 비트 패턴으로 이루어지며, 운영체제 입장에서는 크게
실행 파일과데이터 파일로 나뉜다. -
실행 파일: 운영체제가 메모리로 가져와 CPU를 이용하여 작업을 하는 파일이다. 즉, 사용자의 요청으로 프로세스가 된 파일을 말한다. -
데이터 파일: 실행 파일이 작업하는 데 필요한 데이터를 모아놓은 파일이다. -
실행 파일과 데이터 파일은 둘 다 더블클릭하면 실해외딕 때문에 데이터 파일을 실행 파일로 착각하기 쉽다. 그러나 데이터 파일이 필요로하는 응용 프로그램을 운영체제가 실행하는 것이지 데이터 파일 자체가 실행되는 것은 아니다.
📌 파일 구조
1. 순차 파일 구조(Sequential File Structure)
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일반 파일은 기본적으로 순차 파일 구조이다. 순차 파일 구조는 파일 내용이 하나의 긴 줄로 늘어선 형태로 카세트 테이프가 대표적인 예이다.
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장점
1. 모든 데이터가 순서대로 기록되기 때문에 저장 공간에 낭비되는 부분이 없다.
2. 구조가 단순하다.
3. 순서대로 데이터를 읽거나 저장할 때 매우 빠르게 처리된다. -
단점
1. 파일에 새로운 데이터를 삽입하거나 삭제할 때 시간이 많이 걸린다.
2. 특정 데이터로 이동할 때 직접 접근이 어렵기 때문에 앞에서부터 순서대로 움직여야 한다.
2. 인덱스 파일 구조(Index File Structure)
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순차 파일 구조에
인덱스 테이블을 추가하여 순차 접근과 직접 접근이 가능하다. -
현대의 파일 시스템은 인덱스 파일 구조로,
파일을 저장할 때는 순차 파일 구조로 저장하고, 파일에 접근할 때는 인덱스 테이블을 보고 원하는 파일에 접근한다. -
데이터베이스와 같이 데이터의 빠른 접근이 필요한 시스템에 사용된다.
3. 직접 파일 구조(Direct File Structure)
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저장하려는 데이터의 특정 값에 어떤 관계를 정의하여 물리적인 주소로 변환하는 파일 구조이다.
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특정 함수를 이용하여 직접 접근이 가능한 파일 구조이며, 이때 사용하는 함수를
해시 함수라고 한다. -
해시 함수를 이용하여 주소를 변환하기 때문에 데이터 접근이 매우 빠르지만, 해시 함수를 선정하는 것이 큰 중요 포인트이다.
✅ 디스크 파일 할당
📌 연속 할당과 불연속 할당
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파일 시스템은 기본적으로 메인 메모리 시스템과 유사하다.
전체 디스크 공간을 같은 크기로 나누고 각 공간에 주소를 붙여서 관리한다.
이때 같은 크기로 나뉜 공간 하나를 블록이라하며, 한 블록의 크기는 1~8KB이다. -
일반적으로 하나의 파일은 여러 개의 블록으로 사용하는데, 여러 개의 블록을 어떻게 연결하는지에 따라 연속 할당과 불연속 할당 방식으로 구분된다.
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연속 할당 : 연속 할당은 파일을 구성하는 데이터를 디스크상에 연속적으로 배열하는 방식이다.
파일을 저장하거나 삭제하다 보면 빈 공간이 생기는데, 디스크에 남은 공간 중 파일의 크기와 맞는 연속된 공간이 없을 때는 연속 할당이 불가능하기 때문에 실제로 사용되지 않는다. -
불연속 할당 : 불연속 할당은 비어 있는 블록에 데이터를 분산하여 저장하고 이에 대한 정보를 파일 시스템이 관리하는 방식이다.
대표적으로 연결 할당과 인덱스 할당 방식이 있다.
📌 연결 할당(Linked Allocation)
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파일에 속한 데이터를
연결 리스트로 관리하는 방식이다. -
파일 테이블에는 시작 블록에 대한 정보만 저장하고 나머지 데이터는 시작 블록부터 연결하여 저장한다.
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파일의 맨 끝에는 링크 대신
NULL을 삽입한다. 체인 할당이라고도 한다. -
윈도우의 FAT가 연결 할당 방식으로 관리된다.
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하나의 파티션이 사용할 수 있는 디스크 용량이 테이블의 주소 크기로 제한된다는 단점이 있다.
📌 인덱스 할당(Index Allocation)
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인덱스 할당 방식에서는 테이블의 블록 포인터가 데이터 블록을 연결하는 것이 아니라,
데이터의 인덱스를 담고 있는인덱스 블록을 연결한다. -
인덱스 블록은 실제 데이터의 위치에 관한 정보를 순서대로 보관하고 있다.
📌 디스크 빈 공간 관리
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블록 하나의 크기를 크게 잡으면 -> 적은 주소로 많은 양의 데이터를 관리할 수 있지만 낭비되는 공간이 생기고,
블록 하나의 크기를 작게 잡으면 -> 많은 양의 블록 포인터가 필요하다. -
단편화에 의해 발생된 블록의 빈공간을, 디스크에 파일을 저장할 때마다 모든 테이블을 다 뒤져서 찾는 것은 비효율적이다.
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내부 단편화를 줄이고 빈 공간을 효율적으로 관리하기 위해 파일 시스템은 빈 블록의 정보만 모아놓은
빈 공간 리스트(Free Block List)를 유지한다. -
블록의 내용을 지우지 않고 빈 공간 리스트에 삽입하는 것은 해당 블록에 새로운 데이터를 덮어쓰지 않는 한 원래 데이터를 복구할 수 있는 여지를 남긴다.
✅ 참고
도서 : 쉽게 배우는 운영체제
