KOCW의 반효경 교수님 운영체제 강의
ch10. File Systems
FIle and File Systems
File
- A named Collection of related information
- 일반적으로 비휘발성의 보조기억장치에 저장
- 운영체제는 다양한 저장 장치를 file 이라는 동일한 논리적 단위로 볼 수 있게 해 줌
- Operation
- Create, Read, Write, Reposition (lseek), Delete, Open, Close
- 파일의 위치를 가리키는 포인터가 있음 (다 읽으면 다음 위치로 이동)
- Reposition : 현재 읽고 있는 위치를 수정
File Attribute (Metadata)
- 파일 자체의 내용이 아니라 파일을 관리하기 위한 각종 정보들
- 파일 이름, 유형, 저장된 위치, 파일 사이즈
- 접근 권한 (읽기/쓰기/실행), 시간(생성/변경/사용), 소유자 등
File System
- 운영체제에서 파일을 관리하는 부분
- 파일 및 파일의 메타데이터, 디렉토리 정보 등을 관리
- 파일의 저장 방법 결정
- 파일 보호 등
Directory and Logical Disk
Directory
- 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일
- 그 디렉토리에 속한 파일 이름 및 파일 attribute 등
- Operation
- Search for a file, Create a file, Delete a File
- List a Directory, Rename a File, Traverse the File Ststem
Partition ( Logical Disk )
- 하나의 물리적 디스크 안에 여러 파티션을 두는게 일반적
- 여러 개의 물리적인 디스크를 하나의 파티션으로 구성하기도 함
- 디스크를 파티션으로 구성한 뒤 각각의 파티션에 file system을 깔거나 swapping 등 다른 용도로 사용할 수 있음
Open
- open : 파일의 메타 데이터를 메모리로 올려 놓는 작업
- 시스템콜 -> 오픈 -> 결과값 리턴
- index 가 b라는 파일의 file descriptor
- 운영체제에 copy -> buffer cache
open("/a/b/c")
- 디스크로부터 파일 c의 메타데이터를 메모리로 가지고 옴
- 이를 위하여 디렉토리 경로를 탐색
- 디렉토리 경로의 탐색에 너무 많은 시간 소요
- open을 read/write와 별로도 두는 이유임
- 한번 open한 파일은 read/write 시 다시 탐색할 필요가 없음
- Open File Table
- 현재 Open된 파일들의 메타데이터 보관소
- 디스크의 메타데이터보다 몇 가지 정보가 추가
- Open한 프로세스의 수
- File Offset : 파일 어느 위치 접근 중인지 표시 (별도 테이블 필요)
- File descriptor (file handle, file control block)
- Open filr Table에 대한 위치 정보를 가지고 있음
File Protection
각 파일에 대해 누구에게 어떤 유형의 접근(read/write/execution)을 허락할 것인가?
Access Control 방법
-
Access Control Matrix
- Access Control list : 파일별로 누구에게 어떤 접근 권한이 있는지 표시
- Capability : 사용자별로 자신이 접근 권한을 가진 파일 및 해당 권한 표시
-
Grouping (일반적으로 씀)
- 전체 user 를 owner, group, public의 세 그룹으로 구분
- 각 파일에 대해 세 그룹의 접근 권한을 3비트씩으로 표시
-
Password
- 파일마다 password 를 두는 방법 (디렉토리 파일에 두는 방법도 가능)
- 모든 접근 권한에 대해 하나의 암호 : all or nothing
- 접근 권한별 암호 : 암기 문제, 관리 문제
File System의 Mounting
마운트 란 다른 파일 시스템을 루트 디렉토리의 하위에 새로운 파일 시스템을 붙이는 것으로 서로 다른 파일 시스템을 접근할 수 있게 해주는 것이다.
Access Methods
시스템이 제공하는 파일 정보의 접근 방식
- 순차 접근 ( Sequential Access )
- 카세트 테이프를 사용하는 방식처럼 접근
- 읽거나 쓰면 offset 은 자동적으로 증가
- ex) a-b-c c 들으려면 첨부터 들어야 함
- 직접 접근 (Direct Access, Random Access)
- LP 레코드 판과 같이 접근하도록 함- 파일을 구성하는 레코드를 임의의 순서로 접근할 수 있음
- ex) 바로 c 들을 수 있음
25강
File System Implementation
Allocation of File Data in Disk
- Contiguous Allocation
- Linked Allocation
- Indexed Allocation
Contiguous Allocation
장점
Fast I/O
- 한번의 seek/rotation으로 많은 바이트 transfer
- Realtime File용으로, 또는 이미 run 중이던 process의 swapping용
Direct Access(Random Access) 가능
단점
External Fragmentation
File Grow가 어려움
- file 생성시 얼마나 큰 hole을 배당할 것인가?
- grow 가능 vs 낭비 (Internal Fragmentation)
Linked Allocation
링크를 통해서 다음 블록의 위치를 알려주는 방식으로 저장한다. 즉 파일의 시작위치만 directory가 가지고 있다.
장점
- External Fragmentation 발생하지 않음
단점
- No Random Access
- Reliability 문제
- 한 sector가 고장나 Pointer가 유실되면 많은 부분을 잃음
- Pointer를 위한 공간이 block의 일부가 되어 공간 효율성을 떨어뜨림
- 512 byte/secotr, 4 byte/pointer
변형
- File Allocation Table (FAT) 파일 시스템
- 포인터를 별도의 위치에 보관하여 reliability와 공간 효율성 문제 해결
Index Allocation
하나의 블록에 데이터들의 위치를 표시해 놓은 인덱스블럭을 구현한다. 이를 통해서 앞의 문제점들을 개선할 수 있다.
장점
- External Fragmentation이 발생하지 않음
- Direct Access 가능
단점
- Small File의 경우 공간 낭비 (실제로 많은 file들이 small)
- Too Large File의 경우 하나의 block으로 index를 저장하기에는 부족
- 해결 방안
- Linked Scheme
- multi level index
UNIX 파일시스템의 구조
유닉스 파일 시스템의 중요 개념
- Boot Block
- 부팅에 필요한 정보 (bootstrap loader)
- Superblock
- 파일 시스템에 관한 총체적인 정보를 담고 있다.
- Inode
- 파일 이름을 제외한 파일의 모든 메타 데이터를 저장
- Data Block
- 파일의 실제 내용을 보관
Free Space Management
Bit map or bit vector
- bit map은 부가적인 공간을 필요로 함
- 연속적인 n개의 free block을 찾는데 효과적
Linked list
- 모든 free block들을 링크로 연결 (free list)
- 연속적인 가용공간을 찾는 것은 쉽지 않다.
- 공간의 낭비가 없다.
Grouping
- linked list 방법의 변형
- 첫 번째 free block이 n개의 pointer를 가짐
- n-1 pointer는 free data block을 가르킴
- 마지막 pointer가 가리키는 block는 또 다시 n pointer를 가짐
counting
- 프로그램들이 종종 여러 개의 연속적인 block을 할당하고 반납한다는 성질에 착안
- first free block, number of contiguous free blocks을 유지
Directory Implementation
Linear list
- "file name, file의 metadata"의 리스트
- 구현이 간단
- 디렉토리 내에 파일이 있는지 찾기 위해서는 linear search 필요 (time consuming)
Hash Table
- linear list + hashing
- Hash table은 file name을 이 파일의 linear list의 위치로 바꾸어줌
- Search Time을 없앰
- Collision 발생 가능
File의 Metadata의 보관 위치
- 디렉토리 내에 직접 보관
- 디렉토리에는 포인터를 두고 다른 곳에 보관
- inode, FAT 등
Long file name의 지원
- file name, file의 metadata의 list에서 각 entry는 일반적으로 고정 크기
- file name이 고정 크기의 entry 길이보다 길어지는 경우 entry의 마지막 부분에 이름의 뒷부분이 위치한 곳의 포인터를 두는 방법
- 이름의 나머지 부분은 동일한 directory file의 일부에 존재
VFS vs NFS
Virtual File System (VFS)
- 서로 다른 다양한 file system에 대해 동일한 시스템 콜 인터페이스를 통해 접근할 수 있게 해주는 OS의 layer
Network File System (NFS)
- 분산 시스템에서는 네트워크를 통해 파일이 공유될 수 있음
- NFS는 분산 환경에서의 대표적인 파일 공유 방법임
Page Cache and Buffer Cache
Page Cache
- Virtual memory의 paging system에서 사용하는 page frame을 caching의 관점에서 설명하는 용어
- Memory-Mapped I/O를 쓰는 경우 file의 I/O에서도 Page Cache 사용
Memory Mapped I/O
- File의 일부를 virtual memory에 mapping 시킴
- 매핑시킨 영역에 대한 메모리 접근 연산은 파일의 입출력을 수행하게 함
Buffer Cache
- 파일 시스템을 통한 I/O 연산은 메모리의 특정 영역인 buffer cache 사용
- File 사용의 locality 활용
- 한번 읽어온 block에 대한 후속 요청 시 buffer cache에서 즉시 전달
- 모든 프로세스가 공용으로 사용
- Replacement Algorithm 필요 (LRU, LFU 등)
Unified Buffer Cache
- 최근의 OS에서는 기존의 buffer cache가 page cache에 통합됨
