[CS] 혼공컴운 Chapter 15. 파일 시스템

15-1 파일과 디렉터리

파일

• 파일(file)이란 하드 디스크나 SSD와 같은 보조기억장치에 저장된 관련 정보의 집합을 의미.
• 모든 파일에는 이름과 파일을 실행하기 위한 정보, 그리고 파일 관련 부가 정보가 있다.
• 이를 속성(attribute) 또는 메타데이터(metadata)라고 부른다.

파일 속성과 유형

• 대표적인 속성의 종류는 다음과 같다. 파일 시스템은 파일별로 다음과 같은 속성을 유지하고 관리한다.

 

• 파일 유형은 운영체제가 인식하는 파일 종류를 나타낸다.
• 파일 유형을 알리기 위해 가장 흔히 사용하는 방식은 파일 이름 뒤에 붙는 확장자(extension)을 이용하는 것.

 

파일 연산을 위한 시스템 호출

• 파일을 다루는 모든 작업은 운영체제에 의해 이뤄진다.
• 어떤 응용 프로그램도 임의로 파일을 조작 할 수 없으며 파일을 다루려면 운영체제를 통해 파일 연산을 위한 시스템 호출이 필요.
  1. 파일 생성
  2. 파일 삭제
  3. 파일 열기
  4. 파일 닫기
  5. 파일 읽기
  6. 파일 쓰기

 

디렉터리

• 파일들을 일목요연하게 관리하기 위해 디렉터리(directory)를 이용할 수 있으며, 윈도우 운영체제에서는 디렉토리를 폴더(folder)라고 부름.
• 디렉터리는 트리 구조로 형성되어 있으며, 최상위 디렉터리 아래에 여러 서브 디렉터리를 가질 수 있다.
• 최상위 디렉터리는 루트 디렉터리(root directory)라고 부르며 슬래시(/)로 표현한다.

 

절대 경로와 상대 경로

• 경로는 디렉터리를 이용해 파일 위치, 나아가 파일 이름을 특정 짓는 정보이다.
• 같은 디렉터리에는 동일한 이름의 파일이 존재할 수 없지만 서로 다른 디렉터리에는 동일한 이름의 파일이 존재할 수 있다.
• 그래서 모든 파일은 루트 디렉터리에서 자기 자신까지 이르는 고유한 경로를 가지고 있고, 이러한 경로를 절대 경로(absolute path)라고 한다.
• 유닉스, 리눅스 macOS등의 운영체제에서 슬래시 기호는 루트 디렉터리를 표시할 뿐만 아니라 디렉터리와 디렉터리 사이의 구분자로도 사용한다. 
  • EX) 위의 그림에서 d.jpg의 절대경로는 /home/guest/d.jpg 로 표현할 수 있다.
• 상대 경로(relative path)는 현재 디렉터리부터 시작하는 경로이다.
  • EX) 현재 디렉터리가 /home 이라면 d.jpg 파일의 상대 경로는 guest/d.jpg 가 된다.

 

디렉터리 연산을 위한 시스템 호출

• 운영체제가 파일 연산을 위한 시스템 호출을 제공하는 것처럼 운영체제는 디렉터리 연산을 위한 시스템 호출도 제공한다.
  1. 디렉터리 생성
  2. 디렉터리 삭제
  3. 디렉터리 열기
  4. 디렉터리 닫기
  5. 디렉터리 읽기

 

디렉터리 엔트리

• 운영체제는 디렉터리를 '특별한 형태의 파일'로 간주.
• 파일이 내부에 해당 파일과 관련된 정보를 담고 있다면, 디렉터리는 내부에 해당 디렉터리에 담겨 있는 대상과 관련된 정보를 담고있다.
• 이 정보는 보통 테이블(표) 형태로 구성되며 보조기억장치에 저장된다.
• 디렉터리에 포함된 대상(파일)의 이름과 그 대상이 보조기억장치 내에 저장된 위치를 유추할 수 있는 정보가 담긴다.

 

15-2 파일 시스템

파일 시스템이 파일과 디렉터리를 보조기억장치에 어떻게 할당하고 접근하는지,
이를 바탕으로 만들어진 대표적인 파일 시스템인 FAT 파일 시스템과 유닉스 파일 시스템을 학습.

파티셔닝과 포매팅

• 이제 막 공장에서 생산되어 한 번도 사용된 적이 없는 보조기억장치(SSD)에 곧바로 파일을 생성하거나 저장할 수 없다.
• 왜냐하면 보조기억장치를 사용하기 위해 파티션을 나누는 작업(파티셔닝)과 포맷 작업(포매팅)을 거쳐야 하기 때문이다.
• 파티셔닝(partitioning)은 저장 장치의 논리적인 영역을 구획하는 작업을 의미한다.
  • 칸막이처럼 영역을 나누는 작업을 뜻하며, 영역 하나하나를 파티션(partition)이라고 한다.
• 포매팅(formatting)은 저장 장치를 완전히 삭제하는 것으로 알고 있는 사람들이 많지만,
• 파일 시스템을 설정하여 어떤 방식으로 파일을 저장하고 관리할 것인지를 결정하고, 새로운 데이터를 쓸 준비를 하는 작업을 의미한다.
• 파티셔닝과 포매팅을 완료하여 파일 시스템을 설정했다면 파일과 디렉터리 생성이 가능해진다.

 

파일 할당 방법

• 운영체제는 파일과 디렉터리를 블록(block) 단위로 읽고 쓴다.
• 파일을 보조기억장치에 할당하는 방법은 크게 두가지 연속 할당과 불연속 할당이 있고, 불연속 할당에는 크게 연결 할당, 색인 할당이 있다.

 

연속 할당 contiguous allocation

• 보조 기억장치 내 연속적인 블록에 파일을 할당하는 방식.
• 연속으로 할당된 파일에 접근하기 위해 파일의 첫 번째 블록 단위의 길이만 알면 되므로, 연속 할당 파일 시스템에서는 디렉터리 엔트리에 파일 이름과 더불어 첫 번째 블록 주소와 블록 단위의 길이를 명시한다.

• 연속 할당 방식은 파일을 그저 연속적으로 저장하는 방식이기에 구현이 단순하다는 장점이 있지만, 외부 단편화를 야기한다는 문제가 있다.

 

연결 할당 linked allocation

• 연속 할당의 문제를 해결할 수 있는 방식으로 각 블록 일부에 다음 블록의 주소를 저장하여 각 블록이 다음 블록을 가리키는 형태로 할당하는 방식.
• 즉, 파일을 이루는 데이터를 연결 리스트로 관리하며, 불연속 할당의 일종이기에 파일이 여러 블록에 흩어져 저장되어도 무방하다.

• 연결 할당은 외부 단편화 문제를 해결하지만 단점 또한 존재한다.
  • 첫째, 반드시 첫 번째 블록부터 하나씩 차례대로 읽어야 한다.
  • 그렇기 때문에 임의 접근(random access: 파일 내 임의의 위치에 접근하는 속도) 속도가 매우 느리다.
  • 둘째, 하드웨어 고장이나 오류 발생 시 해당 블록 이후 블록은 접근할 수 없다.
• 위 문제를 해결하기 위해 연결 할당을 변형하여 오늘날까지도 많이 사용하는 FAT 파일 시스템이다.

 

색인 할당 indexed allocation

• 파일의 모든 블록 주소를 색인 블록(index block)이라는 하나의 블록에 모아 관리하는 방식.
• 연결 할당과는 달리 파일 내 임의의 위치에 접근하기 쉽다. 파일의 i번째 데이터 블록에 접근하고 싶다면 색인 블록의 i번째 항목이 가리키는 블록에 접근하면 되기 때문이다.
• 색인 블록만 알면 파일 데이터에 접근할 수 있으므로, 색인 할당을 사용하는 파일 시스템에서는 디렉터리 엔트리에 파일 이름과 더불어 색인 블록 주소를 명시한다.

• 색인 할당을 기반으로 만든 파일 시스템이 유닉스 파일 시스템이다.

 

파일 시스템 살펴보기

FAT 파일 시스템

• USB 메모리, SD 카드 등의 저용량 저장 장치에서 사용되는 파일 시스템
• 연결 할당 방식의 블록들 중 하나라도 문제가 발생하면 그 이후의 블록에는 접근할 수 없다는 단점을 보완하기 위해 각 블록에 포함된 다음 블록의 주소들을 한데 모아 테이블 형태로 관리하는데, 이 테이블이 바로 파일 할당 테이블(FAT: File Allocation Table)이다.

• FAT 파일 시스템에서 FAT는 파티션의 앞부분에 만들어진다.
• FAT 영역에 FAT가 저장되고, 뒤이어 루트 디렉터리가 저장되는 영역이 있으며, 그 뒤에 서브 디렉터리와 파일들을 위한 영역이 있다.

FAT 파일 시스텐을 사용하는 파티션을 간략화한 도식도

• FAT는 하드 디스크 파티션의 시작 부분에 있지만, 실행하는 도중 FAT가 메모리에 캐시될 수 있다.
• FAT가 메모리에 적재된 채 실행되면 기존 연결 할당보다 다음 블록을 찾는 속도가 매우 빨라지고, 결과적으로 앞서 설명한 연결 할당 방식보다 임의 접근에도 유리해진다.

 

유닉스 파일 시스템

• 유닉스 계열 운영체제에서 사용되는 파일 시스템
• 색인 할당을 기반으로 만들어 졌으며, 유닉스 파일 시스템에서는 이 색인 블록을 i-node(index-node)라고 부른다.

• i-node에는 파일 속성 정보와 열다섯 개의 블록 주소가 저장된다. <-> FAT 파일 시스템은 파일 속성 정보가 디렉터리 엔트리에 표현.
• 유닉스 파일 시스템에는 파일마다 i-node가 있고, i-node마다 번호가 부여되어 있으며, 다음과 같이 파티션 내 특정 영역에 모여있다.

 

• 단, i-node 하나는 기본적으로 열다섯 개의 블록 주소를 저장할 수 있기 때문에 유한하다는 문제가 있고 해결방법은 다음과 같다.
  • 첫째, 블록 주소 중 열두 개에는 직접 블록 주소를 저장한다.
    • i-node의 처음 12개 주소에 직접 블록(direct block: 파일 데이터가 저장된 블록) 주소를 저장.
  • 둘째, '첫째' 내용으로 충분하지 않다면 열세 번째 주소에 단일 간접 블록 주소를 저장한다.
    • i-node의 13번째 블록 주소에 단일 간접 블록(single indirect block: 파일 데이터를 저장한 블록 주소가 저장된 블록) 주소를 저장.
  • 셋째, '둘째' 내용으로 충분하지 않다면 열네 번째 주소에 이중 간접 블록 주소를 저장한다.
    • i-node의 14번째 블록 주소에 이중 간접 블록(double indirect block: 단일 간접 블록들의 주소가 저장된 블록) 주소를 저장.
  • 넷째, '셋째' 내용으로 충분하지 않다면 열다섯 번째 주소에 삼중 간접 블록 주소를 저장한다.
    • i-node의 15번째 블록 주소에 삼중 간접 블록(triple indirect block: 이중 간접 블록 주소가 저장된 블록) 주소를 저장.

 

저널링 파일 시스템

• 저널링(journaling): 작업 로그를 통해 시스템 크래시가 발생했을 때 빠르게 복구하기 위한 방법.
• 시스템 크래시가 발생한 직후에 로그 영역을 읽어 크래시가 발생한 당시 실행 중이었던 작업을 알아내 작업을 완료한다.
• 저널링 파일 시스템의 작업 순서는 다음과 같다.
  1. 작업 직전 파티션의 로그 영역에 수행하는 작업(변경 사항)에 대한 로그를 남긴다.
  2. 로그를 남긴 후 작업을 수행한다.
  3. 작업이 끝났다면 로그를 삭제한다.