📌 파일시스템

🌷File System

🌸 File and File System

• File
  • “A named collection of related information”
  • 일반적으로 비휘발성의 보조 기억 장치에 저장
  • 운영체제는 다양한 기억 장치를 file이라는 동일한 논리적 단위로 볼 수 있도록 해줌
  • Operation
    • create, read, write, reposition (Iseek): 파일의 위치를 수정해주는 연산, delete, open, close 등
• File attribute (혹은 파일의 메타 데이터)
  • 파일 자체의 내용이 아니라, 파일을 관리하기 위한 각종 정보들
  • 파일 이름, 유형, 저장된 위치, 파일 사이즈
  • 접근 권한(읽기/쓰기/실행), 시간(생성/변경/사용자), 소유자
• File System
  • 운영체제에서 파일을 관리하는 부분
  • 파일 및 파일의 메타데이터, 디렉토리 정보 등을 관리
  • 파일 저장 방법 결정
  • 파일 보호 등

🌺 Directory and Logical Directory

• Directory
  • 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일
  • 그 디렉토리에 속한 파일 이름 및 파일 attribute들
  • operation
    • Search for a file, create for a file, delete for a file
    • list a directory, rename a file, traverse the file system
• Partition (=Logical Disk)
  • 하나의 파티션 안에 여러개의 파티션을 두는게 일반적임
  • 여러 개의 물리적 디스크를 하나의 파티션으로 구성하기도 함
  • 물리적 디스크를 파티션으로 구성한 뒤 각각의 파티션에 file system을 깔거나 swapping 등 다른 용도로 이용할 수 있음

☘️ open() 의 과정

Retrieves metadata from disk to main memory

• open(/a/b/c)
  • 디스크로부터 파일 c의 메타데이터를 메모리로 가져옴
  • 이를 위하여 directory path를 search
    • 루트 디렉토리 “/”를 open하고 그 안에서 파일 “a”의 위치 획득
    • 파일 “a”를 open한 후 read하여 그 안에 파일 “b”의 위치 획득
    • 파일 “b”를 open한 후 read하여 그 안에 파일 “c”의 위치 획득
    • 파일 “c”를 open한다.
  • Directory path의 search에 너무 많은 시간 소요
    • Open을 read와 write와 별도로 두는 이유임
    • 한 번 open한 파일은 read / write 시 directory search 불필요
  • Open file table
    • 현재 open된 파일들의 메타데이터 보관소 (in memory)
    • 디스크의 메타데이터보다 몇 가지 정보가 추가
      • Open한 프로세스의 수
      • File-Offset : 파일 어느 위치에 접근 중인지 표시 (별도 테이블 필요)
  • file director(file handle, file control block)
    • Open file table에 대한 위치 정보 (프로세스 별)
• kernel 영역 per-process file descriptor table, system-wide open file table 이 두 개 모두 올라감 (process A의 PCB)
• 사용자 메모리 영역

🌳 File Protection

• 각 파일에 대해 누구에게 어떤 접근(read/write/execution)을 허용할 것인가?
• Access Control 방법
  • Access control Matrix
    • Access control list: 파일별로 누구에게 어떤 권한이 있는지 표시
    • Capability: 사용자별로 자신이 접근 권한을 가진 파일 및 해당 권한 표시
  • Grouping
    • 전체 user를 owner, group, public의 세 그룹으로 구분
    • 각 파일에 대해 세 그룹의 접근 권한(rwx)을 3비트씩 표시
    • ex) UNIX owner / group / other
  • Password
    • 파일마다 password를 두는 방법 (디렉토리 파일에 두는 방법도 가능)
    • 모든 접근 권한에 대해 하나의 password: all-or-nothing
    • 접근 권한별 password: 암기문제, 관리문제

🍀 Access Methods

• 시스템이 제공하는 파일 정보의 접근 방식
  • 순차 접근 (Sequensial Access)
    • 카세트 테이프를 사용하는 방식처럼 접근
    • 읽거나 쓰면 offset이 자동으로 증가
  • 직접 접근 (direct access, random access)
    • LP 레코드 판과 같이 접근하도록 함
    • 파일을 구성하는 레코드를 임의의 순서로 접근할 수 있음

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🌼 File System의 implementation

Allocation of File Data in Disk

• Continuous Allocation

  • 단점
    • externel fragmentation (중간 중간에 hole이 생기는 경우)
    • file grow가 어려움
      • file 생성시 얼마나 큰 hole을 제공할 것인가?
      • grow 가능 vs 낭비 (internal fragmentation)
  • 장점
    • Fast I/O
      • 한번의 seek/location으로 많은 바이트 transfer
      • realtime file용으로, 또는 이미 run 중이던 process의 swapping용으로 적절함
    • Direct Access(random Access) 가능

• Linked Allocation

  • 장점
    • External Fragmentation이 발생하지 않음
  • 단점
    • No random access
    • Reliability한 문제점
      • 한 sector가 고장나 pointer가 유실되면 많은 부분을 잃음
    • Pointer를 위한 공간이 block의 일부분이 되어 공간 효율성을 떨어트림
      • 512Bytes Sector, 4Bytes Pointer
  • 변형
    • File Allocation System (FAT) 파일시스템
      • 포인터를 별도의 위치에 보관하여 reliability와 공간 효율성 문제 해결

• Indexed Allocation

  • 장점
    • External fragmentation이 발생하지 않음
    • Direct Access 가능
  • 단점
    • Small file의 경우 공간 낭비가 있음(근데로 실제로 대부분의 파일은 small임)
    • Too large file의 경우 하나의 Block으로 index를 저장하기 부족함
      • 해결방안
        • Linked scheme
        • Multi-level index → 인덱스 공간 낭비는 어쩔 수 없음

🌱 UNIX 파일 시스템의 구조

• Partition의 구조 (=Logical Disk) / 유닉스 파일 시스템의 주요 개념
  • Boot block (어떤 파일 시스템이던 boot block이 제일 앞에서 나옴)
    • 부팅에 필요한 정보(BootStrap Loader)
  • Super block
    • 파일 시스템에 대한 총체적인 정보를 담고 있다.
  • Inode list
    • 파일 이름을 제외한 파일의 모든 메타 데이터를 저장한다.
  • Data block
    • 파일의 실제 내용을 저장한다.

🌵 FAT파일 시스템 (직접 접근이 가능함)

• MS가 MS봇을 만들었을 때 만든 File System임
• Partition의 구조 (=Logical Disk)
  • Boot block
  • FAT (Data-block의 크기만큼 FAT안의 배열의 크기가 정해짐)
  • Root Directory
  • Data-block

🌻 Free-Space Management

1. Bit map or bit vector (continuous Allocation에서 hole로 인해 비어있는 메모리를 관리하는 방법)
   • Bit map은 추가적인 공간을 필요로함
   • 연속적인 n개의 free block을 찾는데 효과적
2. Linked List
   • 모든 Free block을 링크로 연결
   • 연속적인 가용공간을 찾는 것은 쉽지 않다
   • 공간의 낭비가 없다
3. Grouping
   • Linked List 방법을 변형
   • 첫번째 free block이 n개의 pointer를 가리킴
   • n-1 포인터는 free data block을 가리킴
   • 마지막 pointer가 가리키는 block은 또 다시 n pointer를 가짐
4. Counting
   • 프로그램들이 종종 여러 개의 종속적인 block을 할당하고 반납한다는 성질을 착안
   • First Free Block, of continuous free blocks를 유지

🥀 Directory Implememtation

• Linear List
  • <file name, file의 metadata>의 List
  • 구현이 간단
  • 디렉토리 내에 파일이 있는지 찾기 위해서는 linear search가 필요(timing consuming)
• Hash Table
  • linear list + hasing
  • Hash table은 file name을 이 파일의 linear list의 위치로 바꿔줌
  • search time을 없앰
  • Collision 발생 가능
• File의 metadata의 보관 위치
  • 디렉토리 내에 직접 보관
  • 디렉토리에는 포인터를 두고 다른 곳에 저장
    • inode, FAT 등
• Long file name의 지원
  • 의 list에서 각 entry는 일반적으로 고정 크기
  • file name이 고정 크기의 entry 길이보다 길어지는 경우, entry의 마지막 부분에 이름의 뒷부분에 위치한 pointer를 두는 방법
  • 이름의 나머지 부분은 동일한 directory file의 일부에 존재

💐 VFS 와 NFS

• Virtual File System
  • 서로 다른 다양한 파일 시스템에 대해 동일한 시스템 콜 인터페이스(API)를 통해 접근할 수 있게 해주는 OS의 Layer
• Network File System
  • 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/O을 쓰는 경우, file의 I/O에서도 page cache 사용
• Memory Mapped I/O
  • File의 일부분을 virtual memory에 mapping 시킴
  • 매핑 시킨 영역에 대한 메모리 접근 연산은 파일의 입출력을 수행하게 함
• Buffered Cache
  • 파일 시스템을 통한 I/O 연산은 메모리의 특정 영역이 Buffer cache 사용
  • File 활용의 locality사용
    • 한번 읽어온 block에 대한 후속 요청시 buffer cache에서 즉시 전달
  • 모든 프로세스가 공통으로 사용
  • Replacement algorithm 필요(LRU, LFU)
• Unified Buffer Cache
  • 최근의 OS에서 Buffer cache가 page cache로 통합됨