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10 파일 시스템 File System
목차
- 파일 시스템의 개념
1-1. 파일과 파일 시스템
1-2. 디렉토리와 파티션
1-3. 파일 보호 File Protection
1-4. Mounting
- Access Method
2-1. 순차 접근 Sequential Access
2-2. 직접 접근 Direct Access (Random Access)
2-3. 색인 접근 Index Access
1. 파일 시스템의 개념
1-1. 파일과 파일 시스템
A named collection of related information파일(File)은 저장 단위이며, 관련된 정보 자료들의 집합에 이름을 붙인 것이다. 일반적으로 레코드(Record) 혹은 블록(Block) 단위로 비휘발성 보조기억장치에 저장된다. 컴퓨터 시스템의 편리한 사용을 위해 운영체제는 다양한 저장 장치를 file이라는 동일한 논리적 단위로 볼 수 있게 해준다. create, read, write, reposition (lseek), delete, open, close 등의 연산이 있다.
파일 속성(File attribute) 혹은 파일의 메타데이터(metadata)는 파일 자체의 내용은 아니라 파일을 관리하기 위한 각종 정보들이다. 파일 이름, 유형, 저장된 위치, 파일 사이즈, 접근 권한(읽기/쓰기/실행), 소유자, 시간(생성/변경/사용) 등 파일에 대한 전반적인 정보를 말한다.
파일 시스템(File System)은 운영체제와 모든 데이터, 프로그램의 저장과 접근을 위한 기법을 제공한다. 시스템 내의 모든 파일에 관한 정보를 제공하는 계층적 디렉터리 구조이고, 파일 및 파일의 메타데이터, 디렉터리 정보 등을 관리한다. 또한 파일의 저장 방법을 결정하고 파일을 보호해준다.
1-2. 디렉토리와 파티션
Directory는 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일이다. 그 디텍토리에 속한 파일 이름 및 파일 속성(attribute)을 가지고 있다. search for a file, create a file, delete a file, list a directory, rename a file, traverse the file system(파일 시스템 전체 탐색) 등의 연산을 수행할 수 있다.
파티션 Partition (= Logical Disk)은 사무실의 칸막이라는 뜻이 있는데 컴퓨터에서의 파티션도 비슷한 의미이다. 파티션 Partition이란 연속된 저장 공간을 하나 이상의 연속되고 독립적인 영역으로 나누어 사용할 수 있도록 정의한 논리적인 디스크이다. 하나의 물리적 디스크 안에 여러 파티션을 두는 게 일반적이다. 여러 물리적 디스크를 하나의 파티션으로 구성하기도 한다. 물리적 디스크를 파티션으로 구성한 뒤 각각의 파티션에 file system을 설치하거나 swapping 등 다른 용도로 사용할 수 있다.
open()
- 이미지출처: https://velog.io/@ayoung0073/OS-File-System
- 파일 open이란 물리적 메모리에 파일의 metadata를 올려 놓는 것을 말한다.
예를 들어, open("/a/b/c") 명령을 실행한다고 해보자. 디스크로부터 파일 c의 메타데이터를 물리적 메모리(RAM)로 가지고 온다. 이를 위해 directory path를 search를 진행한다. 그 과정은 아래와 같다.
- 루트 디렉토리("/")를 open하고 그 안에서 파일 "a"의 위치를 획득한다.
- 파일 "a"를 open한 후 read하여 그 안에서 파일 "b"의 위치를 획득한다.
- 파일 "b"를 open한 후 read하여 그 안에서 파일 "c"의 위치를 획득한다.
- 파일 "c"를 open한다.
위 과정에서 알 수 있듯이, Directory path의 search에 너무 많은 시간이 소요되기 때문에 open을 read/write과 별도로 두는 것이 효율적이다. 한번 open한 파일이 read/write 시 directory search을 실행하지 않도록 하는 것이다.Open file table은 open()함수에 의해 open된 파일의 list 형태로 나타낸 테이블이며, 현재 open 된 파일들의 metadata 보관소이다. 디스크의 metadata에 Open한 프로세스의 수, 파일 어느 위치 접근 중인지 표시해주는 file offset 등의 정보가 추가해 저장한다. Open file table은 system-wide table로 운영체제는 단 한 개만 가지고 있는다.File descriptor (file handle, file control block)는 Open file table에 대한 프로세스별 위치 정보이다. file descriptor table은 Open file table과는 다르게 프로세스마다 가지고 있는다.
- 이미지출처: https://velog.io/@ayoung0073/OS-File-System
open()시스템콜을 통해 CPU 제어권이 운영체제로 넘어간다.- 운영체제는 먼저
root directory의 metadata를 먼저file table에 올린다. - 이제 운영체제는 실제 root의 내용(content)를 알 수 있게 된다. a라는 파일의 metadata가 존재하고 이 또한 file table에 올린다.
a는 directory파일이기 때문에 타고 들어간다. 이 안에file b의 metadata가 있다. 이 metadata를file table에 올린다.- 이제 운영체제는 결과값을 반환해준다. 운영체제는 프로세스가 오픈한 파일들에 대한 metadata의 포인터를 가지고 있는 일종의 배열을 정의해 관리한다. 배열 중에 file b의 fd(file discriptor)를 가지고 있는 곳의 인덱스를
프로세스 A에게 반환한다. - 프로세스 A는 fd를 통해
read()시스템 콜을 호출하면 운영체제는 프로세스로부터 받은 인덱스를 통해 b의 metadata를 찾고 metadata를 통해file b를 읽어와 운영체제의 메모리 어딘가에 저장해놨다가 이 내용을 copy해 사용자 메모리 영역에 전달해준다. - 나중에 해당 내용을 다시 요청하면, 운영체제에 이 내용이 저장되어있기 때문에 파일을 다시 찾을 필요없이 바로 전달해줄 수 있다.
1-3. 파일 보호 File Protection
파일에 대해 누구에게 어떤 유형의 접근(read/write/execution)을 허락할 것인지 판단하는 문제이다. 파일 시스템에서 접근 권한을 제어하는 방법은 크게 3가지가 존재한다.
Access Control Matrix
사용자와 파일 이름을 매칭해 사용자가 파일에 대해서 어떤 접근 권한을 가지고 있는지 표시하는 방법이다.
- Access Control List : 파일별로 누구에게 어떤 접근 권한이 있는지 파일 주체의 linked-list를 이용해 표시
- Capability : 사용자 주체의 linked-list를 만들어 자신이 접근 권한을 가진 파일 및 해당 권한 표시
Grouping
일반적인 운영체제는 Grouping 방식을 많이 사용한다. 모든 사용자가 아닌 전체 user를 owner, group, public의 세 그룹으로 구분해 각 파일에 대해 세 그룹의 접근 권한(rwx)을 3비트씩으로 표현하는 방법이다. 유닉스와 리눅스에서 많이 쓰인다.
- ex)
rwsr--r--
- 이미지 출처: https://predictivehacks.com/?all-tips=how-to-change-permissions-in-linux
Password
파일이나 디렉토리마다 password를 두는 방법이다.
- 모든 접근 권한에 대해 하나의 password: all-or-nothing
- 접근 권한별 password: 암기 문제, 관리 문제
1-4. Mounting
루트 파일 시스템의 특정 디렉토리 이름에 또 다른 파티션에 있는 파일 시스템을 mounting 해준다. 그러면 mount된 디렉토리에 접근했을 때 또 다른 파일시스템의 루트 디렉토리에 접근하는 것이 된다. 이렇게 서로 다른 파티션에 존재하는 파일 시스템에 접근할 수 있다.
2. Access Method
시스템이 제공하는 파일 정보의 접근 방식은 순차 접근(Sequential Access)과 직접 접근(Direct Access, Random Access), 색인 접근(Index Access)으로 나뉜다.
2-1. 순차 접근 Sequential Access
가장 단순한 방법으로 파일의 정보가 레코드 순서대로 처리된다. 카세트테이프를 사용하는 방식과 동일하다. 현재 위치에서 읽거나 쓰면 offset이 자동으로 증가하고, 뒤로 돌아가기 위해선 되감기가 필요하다.
2-2. 직접 접근 Direct Access (Random Access)
파일을 구성하는 레코드를 임의의 순서로 접근할 수 있다. 원하는 데이터를 기억 장치로부터 호출할 때, 데이터가 저장된 위치나 접근 시간에 구애받지 않는다는 특징이 있다. LP 판을 사용하는 방식과 비슷하다. 읽기나 쓰기의 순서에 제약이 없으며 현재 위치를 유지할 수 있다면 이를 통해 순차 접근 기능도 구현할 수 있다.
- 순차접근과 직접접근의 차이
2-3. 색인 접근 Index Access
파일에서 레코드를 찾기 위해 색인을 먼저 찾고 대응되는 포인터를 얻는다. 이를 통해 파일에 직접 접근하여 원하는 데이터를 얻을 수 있다. 따라서 크기가 큰 파일에서 유용하다.
출처
- 반효경, 운영체제와 정보기술의 원리
- Abraham Silberschatz, Operating System Concept
- https://rebro.kr/
- https://woonys.tistory.com/m/entry/PintOS-Project-4-File-system-1-%EC%A0%95%EA%B8%80%EC%82%AC%EA%B4%80%ED%95%99%EA%B5%90-85%EC%9D%BC%EC%B0%A8-TIL
