10.3. 파일 시스템의 구현

File Systems Implementation 2

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

1. 복습

1.1. Page cache

• 페이지 프레임들. 당장 필요한 내용메모리에 올리고, 필요 없으면 쫓아낸다. 이것을 캐싱의 관점에서 Page cache라고 한다.
• 프로세스의 주소 공간을 구성하는 페이지가 swap area에 있는가, page cache에 올라와 있는가?
• 반쪽짜리 정보. (replacment 알고리즘에 LRU, LFU 사용 불가능)

1.2. Buffer Cache

• 프로그램이 그냥 실행되기도 하지만, 파일 입출력하는 경우. 운영체제가 디스크에서 내용을 읽어서 자신의 메모리 영역에 카피해놓고, 사용자 프로그램에게 전달한다.
• 파일 데이터가 운영체제의 버퍼캐시에 올라와 있는가? 아니면 파일 시스템에만 있는가?
• 매번 운영체제가 개입하기 때문에 모든 정보를 가질 수 있다. (LRU, LFU 사용 가능)

1.3. Unified Cache

• 최근에는 위 두개가 통합(Linux의 경우). 버퍼 캐시의 단위도 페이지(4kb)단위로 사용. 공간의 구분을 하지 않고 똑같이 페이지 단위로 사용하기도 한다.
• 공간 구분 없이 페이지단위로 파일입출력 공간(버퍼캐시) 혹은 프로세스의 주소 공간으로 할당해서 사용한다.

1.4. Memory-Mapped I/O

• 파일 이야기로 한정 지을때, Memory-Mapped File
• File의 일부를 virtual memory에 매핑. 프로세스의 주소 공간 중 일부를 파일에 매핑
• 매핑 후에는 메모리 접근 연산으로 파일 입출력 가능. 운영체제 도움 없이 접근한느 것.

2. Page Cache and Buffer Cache

2.1. 파일 입출력 방법 2가지

2.1.1. Unified Buffer Cache 사용하지 않는 경우

1. 버퍼캐시 : open() -> read/write 시스템콜 -> 운영체제가 버퍼캐시 확인 있으면 전달, 없으면 파일 시스템에서 읽어서 전달
2. memory-mapped I/O : 처음에 시스템콜(memory mapped하겠다고 알림) -> 주소 공간 중 일부를 파일로 매핑 -> 디스크의 파일을 읽어오고 버퍼캐시 사용하는것까지도 똑같다. -> 읽어온 내용을 페이지 캐시에 카피 -> 다음부터는 운영체제 관여 없이 내 메모리 영역에 데이터를 읽고 씀 (메모리 접근을 통해 파일 입출력 사용)

• 버퍼캐시는 둘 중 무엇을 쓰던 통과해야한다. 왼쪽그림에서 양쪽 모두 버퍼캐시에 내용을 자신의 페이지 캐쉬에 복제하는 오버헤드가 있다.

2.1.2. Unified Buffer Cache 사용하는 경우

• 따로 버퍼캐시를 두지 않고, paged cache와 buffer cache가 share되어 사용.
• Page cache 자체가 사용자 프로그램의 논리적인 주소영역에 매핑되었기 때문에, page cache에 직접 읽고 쓰고 가능하다.

2.2. 프로그램의 실행

• 가상메모리에서 code 부분은 물리적 메모리에 올린 다음, 제거할때 디스크에 이미 내용이 있어서 swap area에 내릴 필요가 없다.
• 실행파일을 실행시킬때, 로더라는 소프트웨어가 메모리 mapped 파일을 쓰는 대표적인 방법이 code 부분이다. code는 파일 시스템에 파일 형태로 존재하는데 그것을 그대로 주소 영역에 매핑시켜논거다. 만약 메모리에 해당 code를 찾으려는데 없다면 swap area를 탐색하는 것이 아닌 디스크의 실행파일에서 올려야한다.
• Memory mappped 파일에서 맵만 해놓고 파일 내용을 디스크로 안읽어왔다면, 해당 맵된 메모리를 접근할 때 page fault 발생 -> cpu가 OS한테 넘어가서 물리적 메모리에 올리고 맵핑한다.
• 다른 프로세스에서 동일한 파일의 동일한 데이터에 대해 m-map을 호출할 수 있다. 메모리에 올려논 내용을 share하는 것이다.
• Unified Buffer Cache에서는 page cache는 buffer cache를 겸한다. 어떤 프로세스가 read() 시스템콜을 했는데, 요청한 데이터가 page cache로써 다른 프로세스에 m-map으로 매핑되어 있는 상태라면 그냥 올라가있는 buffer cache에서 copy해서 사용할 수 있다.

Memory-Mapped I/O의 장점

• 일단 올라간 파일의 내용을 직접 접근할 수 있어 더 빠르다.
• 캐시에 올라온 내용을 자신의 주소공간에 카피하는 오버헤드가 없이 바로 전달된다.

단점

• 물리적 메모리의 내용을 share에서 사용할때 일괄성 문제에 주의해야 한다.
  • read/write 시스템콜의 경우 카피해서 사용하기때문에 일괄성 문제는 없다.