10.1. 파일 시스템

File System 1

이화여자대학교 반효경 교수님의 운영체제 강의를 요약한 내용입니다. 틀린 부분이 있다면 지적해주시면 감사하겠습니다. 강의 링크

1. File and File System

1.1. 설명

1.1.1. File

• A named collection of related information. 이름을 통해서 접근하는 단위.
• 일반적으로 비휘발성의 보조기억장치에 저장
• 운영체제는 다양한 저장장치를 file이라는 동일한 논리적 단위로 볼 수 있게 해줌 ex) 하드디스크 1번, 2번..등을 파일로 관리(이러한 것들을 device spcial file이라고 함)
• Operation
  • create, read, write, reposition(lseek), delete, open, close 등
    • repoisition : 파일을 읽고 나면 위치를 나타내는 포인터가 그 다음 부분을 가르키게 됨. 다른 부분부터 읽고 싶거나 파일의 현재 접근하고 있는 위치를 수정해주는 연산
    • open, close : 인터페이스상 read나 write를 하려면 먼저 open을 해야하고, 더 할일이 없으면 close
      • open : 파일의 메타데이터를 메모리로 올려놓는 작업

1.1.2. File attribute (혹은 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

1.1.3. File system

• 운영체제에서 파일을 관리하는 (소프트웨어) 부분
• 파일 및 파일의 메타데이터, 디렉토리 정보 등을 관리
  • 파일 시스템 저장 시, 일차원적으로 저장하기보다 디렉토리를 둬서 루트 디렉토리부터 계층적으로 저장
• 파일의 저장 방법 결정
• 파일 보호 등

1.2. Directory and Logical Disk

1.2.1. Directory

• 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일
• 그 디렉토리에 속한 파일 이름 및 파일 attribute들
• 일부 메타데이터는 디렉토리에 직접 저장하고, 일부는 다른 곳에 저장하기도 한다.
• operation
  • search for a file, create a file, delete a file
  • list a directory, rename a file, traverse the file system(파일 시스템 전체 탐색)

1.2.2. Partition (=Logical Disk)

• 하나의 (물리적) 디스크 안에 여러 파티션을 두는게 일반적
• 여러 개의 물리적인 디스크를 하나의 파티션으로 구성하기도 함
• (물리적) 디스크를 파티션으로 구성한 뒤 각각의 파티션에 file system을 깔거나 swapping(swap area) 등 다른 용도로 사용할 수 있음

1.2.3. open()

a/b/c 와 같이 루트 디렉토리부터 찾아서 c를 찾는 과정이다.

• 사용자 프로그램의 시스템 콜 fd = open("/a/b")
• 운영체제가 미리 알려진 루트 디렉토리의 메타데이터를 메모리에 올린다.
• 메타데이터에는 파일의 위치정보가 있고, 실제 content를 찾을 수 있다.
• 거기서 a의 metadata를 찾아서 메모리에 올리고, a의 위치를 찾는다.
• a의 내용 중 b의 metadata를 찾아 메모리에 올린다. -> open() 끝
• 각 프로세스마다 오픈한 파일들에 대한 메타데이터 포인터를 가진 일종의 배열이 존재한다. 그림 위쪽의 4칸짜리 네모에서 의 노란 부분과 같이 b의 메타데이터를 카르키는 포인터가 배열 어딘가에 만들어진다. 그리고 배열에서 해당 포인터의 (몇번째 인덱스인가?)인덱스가 b의 파일 디스크립터(fd)가 되어 그 값을 사용자 프로세스에게 리턴한다.
  • 이미 오픈을 해놨기 때문에 b에 대해 read, write시 파일시스템을 뒤적거릴 필요가 없다. 메모리에 b의 메타데이터가 이미 있기 때문.
  • 즉, fd만 가지고 b에 read/write가 가능해진다.
    • b의 위치는 b의 metadata에 나와있는데, 이미 메모리에 올라와 있으며, 메모리에 올라온 metadata의 위치는 fd가 가지고 있다. fd의 숫자만 가지고 read/write를 처리할 수 있다.
    • fd = open("/a/b") read(fd…) : read할때 file이름을 argument로 적는 것이 아니라, 오픈한다음에 파일 디스크립터를 적어준다.
    • fd는 음수아닌 정수 숫자값을 가지며, 0-2번은 고정쓰임새가 있으며, 3번부터 파일 오픈 or 소켓 생성 시 부여할 때 사용한다. 단순히 숫자인 이유는 file discriptors 테이블의 인덱스이기 때문이다. 코드포휴먼님 블로그

1.2.4. 버퍼캐시

• 운영체제가 버퍼캐시 가진다. b를 읽는다고 가정하면 읽어온 것을 바로 사용자 프로그램에게 주는 것이 아니라, 복사해서 메모리에 가지고 있다가 사용자 프로그램에 전달한다.
• 이미 운영체제 메모리에 있는 것을 똑같이 요청하면, 우선 시스템콜로 운영체제에게 cpu 제어권이 넘어가고, 이미 버퍼캐시에 내용을 가지고 있는지 직접 판단한다.
  • 결국 요청 시 운영체제에게 제어권이 무조건 넘어가는 구조이므로, 운영체제가 모든 정보를 알고 있기 때문에, (page replacement algorithm과는 달리) LRU, LFU를 사용 가능하다.
• 일단 메모리에 파일의 메타데이터가 올라온다면, 운영체제는 메타데이터 뿐 아니라 이 프로세스가 메타데이터의 어느 위치를 접근하고 있는지에 대한 offset을 같이 가진다.
• b에 대한 접근을 여러 프로세스에서 한다면, b의 메타데이터는 한 카피만 올라갈 것이다. 즉, 시스템 와이드하게 존재하지만 접근하는 프로세스마다 offset은 다르다.
• open file table은 메타데이터와 별도로 가지는 오프셋을 따로 관리하는 테이블을 두는 게 일반적이다.

2. File Protection

메모리에 대한 프로텍션은 read/write 권한이 있는가 정도만 얘기했었다. 메모리라는 것은 프로세스마다 별도로 가지기 떄문에 결국에는 자기 혼자만 보기 때문이다. 하지만 파일에 대한 protection은 여러 사용자와 프로그램이 같이 사용할 수 있기 때문에, 접근 권한이 누구한테 있는지, 어떤 연산이 가능한지 두 가지가 있어야 한다.

2.1. Access Control 방법

2.1.1. Access control Matrix

• 엄청 많은 파일, 예시로 특정 사용자가 본인만 사용하려고 한 파일도 행렬에 다 만들려고하면 양이 엄청 많다. 그래서 다음과 같이 linkedList 형태로도 구현 가능하다.
• Access control list : (파일을 주제로 접근권한이 있는 사용자 Linkedlist에 묶기)파일별로 누구에게 어떤 접근 권한이 있는지 표시
• Capability : (사용자 주체로)사용자별로자신이 접근 권한을 가진 파일 및 해당 권한 표시
• 하지만 이런 경우도 부가적인 오버헤드가 크다. 일반적인 운영체제에서는 grouping을 사용한다.

2.1.2. Grouping

• Acess control Matrix는 부가적인 오버헤드가 크다. 일반적인 운영체제에서는 그룹핑 사용
• 사용자 그룹을 owner, group, public 세 그룹을 구분
  • owner : 소유주에 대해 접근 권한
  • group : 동일 그룹 속한 사용자들에 대해
  • pulblic : 나머지 전체에 외부 사용자들에 대해 rwx 권한
• 각 파일에 대해 세 그룹의 접근 권한(read/write/execution)을 3비트씩으로 표시
  • 총 9개의 비트만 있으면 된다. 권한이 있으면 1, 없으면 0.

2.1.3. Password

• 파일마다 password를 두는 방법 (디렉토리 파일에 두는 방법도 가능)
• 모든 접근 권한에 대해 하나의 password: all-or-nothing
• 접근 권한 별 password : 암기문제, 관리문제 존재

2.2. Mounting

• 물리적 디스크에 파일시스템 설치해서 사용

만약 다른 파티션에 설치된 파일시스템을 사용하려면?

• 루트 파일 시스템의 특정 디렉토리 이름에 또 다른 파티션에 있는 파일 시스템을 mount해주면, 그 마운트 된 디렉토리를 접근하면, 해당하는 또 다른 파일 시스템의 루트 디렉토리에 접근하게 되는 꼴이다.

3. Access Methods

순차 접근 (sequential access)

• 카세트 테이프를 사용하는 방식처럼 접근
• 읽거나 쓰면 offset은 자동적으로 증가

직접 접근 (direct access, random access)

• Lp 레코드 판과 같이 접근하도록 함
• 파일을 구성하는 레코드를 임의의 순서로 접근할 수 있음
• 직접 접근 가능한 매체라 하더라도, 데이터를 어떻게 관리하느냐에 따라 순차 접근만 허용되는 경우도 있고, 직접접근이 가능한 경우도 있다.