[Computer Science][Operating System] 📂 파일 시스템(File System) 이해하기

컴퓨터에서 파일이나 자료를 쉽게 발견하고 유지 및 관리하는 방법이 바로 파일 시스템입니다. 저장 매체에는 수많은 파일이 존재하기 때문에, 이러한 파일들을 효율적으로 관리하는 방법이 필요합니다.

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🔍 특징

• 커널 영역에서 동작: 파일 시스템은 운영체제의 핵심 구성 요소로, 커널에서 직접 관리됩니다.
• 파일 CRUD 기능 지원: 파일의 생성(Create), 읽기(Read), 업데이트(Update), 삭제(Delete) 기능을 원활히 수행하기 위한 목적을 가지고 있습니다.
• 계층적 디렉토리 구조: 파일을 체계적으로 정리하여 쉽게 접근할 수 있도록 돕습니다.
• 디스크 파티션: 물리적 디스크를 논리적으로 나눈 여러 부분 별로 하나씩 파일 시스템을 둘 수 있습니다.

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🛠️ 역할

• 파일 관리: 컴퓨터 내의 데이터를 파일 형태로 관리합니다.
• 보조 저장소 관리: 하드 디스크, SSD, USB 드라이브 등과 같은 비휘발성 저장 장치를 관리합니다.
• 파일 무결성 메커니즘: 파일의 데이터가 손상되지 않고 원래 상태로 유지되도록 보장하는 기능을 제공합니다.
• 접근 방법 제공: 파일 시스템은 데이터를 저장하고 읽는 다양한 방법을 제공합니다.

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🎯 개발 목적

• 하드디스크와 메인 메모리 속도 차이 감소: 메모리 속도 차이를 줄이기 위해 설계되었습니다.
• 효율적인 파일 관리: 데이터의 효율적인 저장과 접근을 위해 필요합니다.
• 하드디스크 용량 효율적 이용: 저장 공간을 최적화하여 활용할 수 있습니다.

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🏗️ 구조

• 메타 영역: 데이터 영역에 기록된 파일의 이름, 위치, 크기, 시간 정보, 삭제 여부 등의 파일 정보를 저장합니다.
• 데이터 영역: 실제 파일의 데이터를 포함합니다.

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📚 접근 방법

1. 순차 접근(Sequential Access)

가장 간단한 접근 방법으로, 대부분의 연산은 read와 write를 이용합니다. 현재 위치를 가리키는 포인터에서 시스템 콜이 발생할 경우 포인터를 앞으로 보내면서 연산이 진행됩니다. 뒤로 돌아가려면 지정한 offset만큼 되감기(rewind)를 해야 합니다 (테이프 모델 기반).

2. 직접 접근(Direct Access)

특별한 순서 없이 빠르게 레코드를 read, write할 수 있습니다. 현재 위치를 가리키는 cp(current pointer) 변수가 현재 위치를 기억하며, 순차적으로 접근할 수 있습니다. 무작위 파일 블록에 대한 임의 접근을 허용하므로, 대규모 정보를 접근하는 데 유용하게 사용됩니다. 주로 '데이터베이스'에 활용됩니다.

3. 기타 접근

직접 접근 파일에 기반하여 색인을 구축합니다. 색인을 통해 큰 파일에서 특정 데이터를 빠르게 찾고, 필요할 때 해당 데이터를 읽거나 쓸 수 있도록 돕는 방법입니다.

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📂 디렉터리와 디스크 구조

1단계 디렉터리

가장 간단한 구조로, 모든 파일이 하나의 디렉터리 안에 저장됩니다. 파일 이름의 유일성을 보장하여, 같은 이름의 파일을 두 개 이상 만들 수 없습니다. 이는 서로 다른 사용자가 동일한 파일 이름을 사용하지 못하게 합니다.

2단계 디렉터리

사용자에게 개별적인 디렉터리를 만들어줍니다.

• UFD(User File Directory): 각 사용자가 자신만의 UFD를 가지고 있으며, 그 안에 자신의 파일들을 저장합니다.
• MFD(Master File Directory): 모든 사용자의 이름과 계정번호를 색인하여 관리하며, 각 사용자의 UFD를 가리키는 역할을 합니다.

트리 구조 디렉터리

2단계 구조가 확장된 다단계 트리 구조입니다. 디렉터리 안에 디렉터리를 포함할 수 있는 구조를 지원합니다. 비트를 사용하여 일반 파일(0)인지 디렉터리 파일(1)을 구분합니다.

그래프 구조 디렉터리

그래프 구조는 트리 구조처럼 계층적이지만, 파일이나 디렉터리 간의 링크를 허용하여 더 유연한 구조를 제공합니다. 그러나 링크로 인해 순환(Cycle)이 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 방법이 필요합니다.

순환이 발생하지 않도록 하위 디렉터리가 아닌 파일에 대한 링크만 허용하거나, 가비지 컬렉션을 이용해 전체 파일 시스템을 순회하고 접근 가능한 모든 것을 표시합니다.

링크를 사용하여 순환을 피하면서, 더 효율적으로 파일에 접근할 수 있습니다.

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이와 같이 파일 시스템은 파일과 데이터의 효율적인 관리 및 접근을 위해 다양한 구조와 방법을 제공합니다. 이를 통해 사용자들은 컴퓨터 내의 데이터를 효과적으로 관리할 수 있습니다.

이런 자료를 참고했어요.
[1] velog - File System (파일 시스템) (https://velog.io/@yuseogi0218/File-System-%ED%8C%8C%EC%9D%BC-%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C)
[2] Gyoogle - 파일 시스템(File System) | 👨🏻‍💻 Tech Interview (https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/File%20System.html)
[3] 티스토리 - 파일시스템(File System) 개념 - Hardner - 티스토리 (https://hardner.tistory.com/41)
[4] Kingston Technology - 파일 시스템 이해하기 (https://www.kingston.com/kr/blog/personal-storage/understanding-file-systems)