💿 KAIST:PINTOS | Concept | File Descriptor

파일 디스크립터란??

• 유저 프로세스는 직접 커널의 파일 구조체에 접근할 수 없다.
• 그래서 커널은 유저에게 숫자 하나(정수)를 준다.
  그게 바로 파일 디스크립터 (File Descriptor, FD)다.
• FD는 유저가 파일 입출력을 하기 위한 간접적인 핸들이다.

---

왜 필요한가

• 시스템 콜을 통해 read(fd, buf, size)처럼 호출이 들어오면,

  • 유저는 숫자(FD)만 알면 된다.
  • 커널은 그 숫자를 기반으로 struct file *을 찾아 해당 파일에 접근한다.

• 유저는 커널 내부 구현을 몰라도 파일을 조작할 수 있다.

---

기본 규칙: FD 번호

FD 번호	의미
0	표준 입력 (stdin)
1	표준 출력 (stdout)
2	표준 에러 (stderr) - 사용하지 않음
3↑	유저가 open으로 연 파일들

---

PintOS에서의 FD 구조

PintOS에서는 각 스레드가 자신만의 FD 테이블을 갖는다.

struct file **fd_table;  // 열린 파일들을 가리키는 포인터 배열
int fd_idx;              // 다음에 할당할 FD 번호 (보통 3부터 시작)

• fd_table[3] = 파일 A의 포인터
• fd_table[4] = 파일 B의 포인터
• ... 이런 식으로 동작한다.

---

동작 과정

[1] 유저가 파일을 연다

int fd = open("test.txt");

-> 커널 내부 동작:

1. 파일 시스템에 "test.txt"라는 이름의 파일이 존재하는지 확인
2. filesys_open()으로 파일을 연다. 성공 시 struct file *f가 반환된다.
3. 프로세스의 fd_table[fd_idx] = f로 저장하고, fd_idx++
4. FD 번호(정수)만 유저에게 리턴

유저 입장에선 파일이 아니라 숫자만 받은 셈
커널은 그 숫자를 보고 해당 파일을 찾아 동작함

---

[2] 유저가 파일에 write 한다

write(fd, buf, 100);

-> 커널 내부 동작:

1. 전달받은 fd가 fd_table 범위 안에 있는지 확인
2. 해당 위치에 struct file *이 존재하는지 확인
3. 그 파일 포인터로 file_write(f, buf, 100) 수행

커널은 fd → struct file * 변환하는 과정을 거친다

---

[3] 유저가 파일을 닫는다

close(fd);

-> 커널 내부 동작:

1. fd_table[fd]가 NULL이 아닌지 확인
2. file_close(fd_table[fd])로 파일 자원 해제
3. fd_table[fd] = NULL로 처리해 해당 FD는 재사용 가능하게 만든다

---

FD 유효성 검사

if (fd < 0 || fd >= FD_LIMIT) return -1;
if (fd_table[fd] == NULL) return -1;

• FD가 유효하지 않거나 닫힌 상태에서 접근하면 테스트에서 실패한다
• 잘못된 포인터 접근으로 PANIC 발생 가능성 있음

---

주요 구현 포인트

• open():

  • 빈 FD 슬롯 탐색
  • 파일 열기 및 fd_table 등록

• read()/write():

  • FD 유효성 검증
  • 커널 구조체로 변환 후 read/write 수행

• close():

  • FD에 해당하는 파일 닫고, 테이블 NULL 처리

---

테스트 케이스

시스템 콜	관련 테스트 예시
open()	open-normal, open-null, open-bad-ptr, open-twice
close()	close-normal, close-twice, close-bad-fd
read()	read-normal, read-bad-fd, read-zero
write()	write-normal, write-bad-fd, write-zero

---

정리

• 파일 디스크립터는 유저와 커널 사이의 계약된 인터페이스다.
• FD를 통해 유저는 파일을 직접 다루지 않고도 커널을 통해 안전하게 입출력을 수행할 수 있다.
• PintOS에서는 FD 테이블을 기반으로 구현되며,
  open → write/read → close 전체 흐름을 이해하고 구현해야 정상적인 테스트 통과가 가능하다.