Chapter 13 File System

Chapter 13 File System

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Chapter 13 File System Interface

파일 시스템은 관련된 자료를 저장하는 실제적 파일의 집합과 시스템 내의 모든 파일에 관한 모든 정보를 저장하는 디렉터리 구조로 구성

• 파일 시스템의 기능을 설명한다.
• 파일 시스템 인터페이스의 특징을 기술한다.
• 접근방법,파일공유,파일락,디렉터리구조를포함하는 파일시스템설계
• 파일 시스템 보호에 대해서 고려해본다.

13.1 파일 개념 File Concept

운영체제는 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용하기 위해 저장된 정보에 관한 논리적 정보를 제공, 저장장치의 물리적 특성을 추상화하여 논리적 저장단위 파일을 정의

• 비휘발성으로 시스템이 재부팅 되어도 저장된 내용은 영구히 존속 (저장장치)
• 파일은 논리적 저장장치의 가장 작은 요소

13.1.1 파일 속성 File Attributes

파일이 만들어지는 순간 파일을 생성한 프로세스, 사용자, 심지어 시스템으로부터도 독립

• 이름 : 사람이 읽을 수 있는 형태로 유지된 유일한 정보
  • 사용자 편의를 위해 이름 부여, 이름으로 파일 참조
• 식별자 (identifier) : 파일 시스템 내에서 파일을 확인하는 고유 번호
  • 우리가 읽을 수 없는 파일의 이름
• 유형 : 여러 유형을 제공하는 시스템을 위해 필요
• 위치 : 파일이 존재하는 장치 및 해당 장치 내 위치에 대한 포인터
• 크기 : 파일의 현재 크기(바이트, 워드 혹은 블록)와 최대 허용 가능한 크기
• 보호 : 접근 제어 정보
  • 누가 읽고 쓰고 실행할 수 있는지 통제
• 타임스탬프와 사용자 식별: 생성, 최근 변경, 최근 사용 등을 유지
  • 보호, 보안 및 사용자 감시를 위해 사용됨

13.1.2 파일 연산 File Operation

운영체제는 파일 생성, 읽기, 쓰기, 위치 재설정, 삭제, 절단 등을 위한 시스템 콜 제공

• 파일 생성
  • 파일을 저장할 수 있도록 시스템 내 공간 찾음 (공간 할당 방법은 14장에서)
  • 새로 생성된 파일에 대한 항목이 디렉터리에 만들어져야 함
• 파일 열기
  • 생성과 삭제를 제외한 모든 연산을 하기 전에는 반드시 파일 open()
    • 성공시 open 콜은 다른 콜의 인자로 사용되는 핸들을 반환
• 파일 쓰기
  • 열린 파일 핸들과 파일에 기록될 정보를 명시한 시스템 콜 실행
  • 시스템은 파일 내의 다음 쓰기가 일어날 위치를 가리키는 쓰기 포인터를 유지하고 있어야 함
    • 쓰기 포인터는 쓰기가 일어날 때마다 갱신
• 파일 읽기
  • 파일 핸들과 파일이 읽혀야 할 메모리 내 블록의 위치를 기술하는 시스템 콜 사용
  • 시스템은 다음 순차적 읽기가 일어나 파일 안의 위치를 가리키는 읽기 포인터(read pointer)를 유지할 필요가 있음
  • 읽기포인터는 읽기가 발생하는 순간 갱신 됨
  • 프로세스는 일반적으로 파일 읽기나 파일 쓰기 중 하나를 하고있음 → 대부분의 시스템은 하나의 현재 파일 위치 포인터를 가짐

→ 읽기, 쓰기 연산 모두 해당 포인터를 사용함으로써 공간 절약 및 시스템의 복잡성 감소

• 파일 내에서의 위치 재 설정
  • 열린 파일의 현재 위치를 주어진 값으로 설정
  • 파일 내 위치 재설정을 위해 실제 입출력할 필요는 없음
  • 파일 탐색(seek)으로도 알려져 있음
• 파일 삭제 :
  • 파일 삭제를 위해 지정된 파일을 디렉터리에서 탐색
  • 해당 디렉터리 항목을 찾으면 다른 파일에서 재사용 할 수 있도록 모든 파일 공간을 해제사고 디렉터리 항목을 지우거나 사용 가능으로 표시
  • 일부 시스템은 동일한 파일에 대해 여러개의 이름이 존재할 수 있는 하드링크 허용 ⇒ 실제 파일 내용은 마지막 링크가 삭제될 때 까지 삭제되지 않음
• 파일 절단
  • 파일의 내용은 지우나, 그 파일의 속성은 그대로 남기를 원할 때 사용
  • 사용자가 파일을 삭제하고 파일을 재생성하게 하는 것이 아니라, 파일의 길이를 제외한 모든 속성은 그대로 유지
  • 파일의 길이가 0으로 재설정되며 파일이 가지고있던 모든 공간은 해제

일부 환경에서는 open()연산 구현은 훨씬 복잡 → 프로세스별 테이블, 범 테이블 사용

• 프로세스별 테이블 : 접근 권한, 파일 포인터
• 범 시스템 테이블: 파일 위치, 크기, 날짜 등 (프로세스로부터 독립적 정보)

오픈 파일 테이블

오픈 파일과 관련된 정보

• 파일 포인터
  • 가장 최근의 읽기/쓰기 위치를 추적함
  • 파일 오픈한 프로세스 당 하나 생성
• 파일 열린 계수
  • 파일의 총 열린 횟수 및 닫힌 횟수 기록
  • 계수값이 0인 경우 시스템은 해당 항목을 제거
• 파일의 위치
  • 시스템에 파일 내의 데이터를 읽거나 쓰도록 요구
  • 파일의 위치를 찾기 위한 정보는 연산마다 디스크에서 읽는 것을 피하고자 메모리에 저장
• 접근 권한
  • 한 파일의 하나의 접근 모드로 염
  • 프로세스별 테이블에 저장되며 운영체제는 이 정보를 후속요구 허용 및 불허에 사용 할 수 있음

파일 락킹 file locking

일부 운영체제는 열린 파일을 잠글 수 있는 기능 제공, 한 프로세스가 파일을 잠그는 경우 다른 프로세스는 접근 불가

• 두 개 이상의 프로세스가 파일 잠금을 얻으려 하다 교착 상태에 빠질 수 있음, 특별한 대책 필요

int lockf(int fd, int cmd, off_t len);

int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);

13.1.3 파일 유형

운영체제 설계 시 중요한 사항 중 하나는 운영체제가 파일 유형들을 인식하고 지원할 것인지를 결정하는 것

• 파일 이름의 일부가 파일 유형을 나타내도록 함으로써 파일 유형 인식
• 이름, 확장자(extension) 두 부분으로 나뉘게 됨
  • extension은 필수적이지 않음
  • 확장자 없이 파일 지정 경우 응용 프로그램이 주어진 이름과 기대하는 확장자를 가진 파일을 찾음
  • 확장자는 운영체제가 지원하는 것 x ⇒ 응용 프로그램이 동작하는 파일들에 대한 힌트로 생각 ㅇ

13.1.4 파일 구조

파일들은 파일을 다루는 프로그램에 의해 인식 가능한 내부 구조를 일정 형태로 가짐

• 일부 파일의 경우 운영체제가 인식할 수 있도록 미리 정해진 구조를 따라야 할 때도 있음
• 여러 파일 구조를 지원하는 경우 ⇒ 운영체제 크기가 커지고 관리가 힘들어진다는 단점 존재
• 모든 운영체제는 프로그램 로딩 및 실행할 수 있는 실행파일을 반드시 지원해야 함

13.2 접근 방법 Access Methods

파일 사용시에 파일에 접근하여 데이터를 읽는 방법

13.2.1 순차 접근

• 디스크에 있는 파일들을 저장되어잇는 레코드 순서로 접근
• 가장 일반적이며 편집기 및 컴파일러는 순차 접근으로 파일에 접근
• 파일에대한 기본적 연산인 읽기, 쓰기도 순차 접근 사용
  • 읽기 = 파일의 다음 부분부터 차례로 읽어나감, 파일포인터 (offset) 자동으로 증가
  • 쓰기 = 파일의 끝에 추가하며 새로운 파일의 끝으로 파일 포인터(offset) 이동
  • offset은 맨 앞, 맨 뒤로 옮길 수 있고 정수 n만큼 앞 뒤로 건너뛰기 가능

  fgetc()

  

13.2.2 직접 접근 상대 접근

• 어떤 블록 이라도 특별한 순차 없이 바로 빠르게 레코드 읽고 쓸 수 있음
• 파일의 디스크 모델에 기반 ⇒ 디스크가 임의 파일 블록에 대한 임의적 접근 허용
  • 직접 접근을 위해 파일은 번호를 갖는 일련의 블록 또는 레코드로 간주, 직접 접근은 임의 블록 읽거나 쓰기 가능

• 대규모 정보를 즉각적으로 접근하는데 유용

• 파일 연산이 블록 번호 파라미터를 포함할 수 있도록 수정되어야함

cp = 현재 위치를 가리키는 변수

lseek(), seek()

13.2.3 기타 접근 방법

• 직접 접근 파일이 있는 경우, 직접 접근 파일을 기반으로 여러 다른 파일 접근을 제공할 수 있음
  • 직접 접근 파일을 기반으로한 index 사용

13.3 디렉터리 구조 Directory Structure

file들을 분류, 보관하기 위한 개념

디렉터리 연산

• 파일 찾기
  • 사용자는 특정 파일을 찾기 위해 디렉터리를 탐색이 가능해야 함
  • 특정 패턴과 일치하는 이름을 갖는 모든 파일을 찾을 수 있어야 함 (파일 이름은 심볼릭한 형태)
• 파일 생성
• 파일 삭제
• 디렉터리 나열
• 파일 재명명

  • 변경된 이름이 기존 이름보다 커져서 기존 디렉터리 항목에 반영 불가능 한 경우

    → 디렉터리 구조 내 항목의 위치가 변경되어야 하는 경우도 존재

• 파일 시스템 순회
  • 파일이 더이상 사용 되지 않는 경우, 파일은 백업 장치에 복사 후 디스크 공간이 해제되어 다른 파일에 의해 재사용 가능

13.3.1 1단계 디렉터리 Single Level Directory

가장 간단한 구조의 디렉터리로 모든 파일이 다 같이 한 개의 디렉터리 밑에 있음

• 파일이 많아지거나 다수의 사용자가 사용하는 시스템에서는 매우 비효율적이며 제약이 많음
  • 한 명의 사용자만 사용한다고 해도 파일이 증가하는 경우 비효율적.
• 하나의 디렉터리에 모든 파일이 다 같이 존재하므로, 각 파일들은 유일한 이름을 가져야 함

13.3.2 2단계 디렉터리 Two-Level Directory

각 사용자들에게 서로 다른 디렉터리를 만들어줌. 각 사용자는 자신만의 UFD를 갖게된다.

• UFD(User File Directory)
  • 사용자 본인만의 파일 디렉터리
  • 오직 한 사용자만의 파일을 저장함
• MFD (Master File Directory)
  • 사용자의 이름이나 계정번호로 인덱싱 되어있음
  • 각 엔트리는 각 사용자의 UFD를 가리킴

사용자가 시스템에 로그인 하면 시스템은 MFD 먼저 탐색, 이후 사용자가 특정 파일 시스템을 제시하면 UFD 디렉터리 아래에서만 탐색 진행

• 한 사용자의 UFD를 다른 사용자는 접근 불가 (서로 자신의 UFD허용)

13.3.3 트리 구조 디렉터리 Tree-Structured Directories

2단계 디렉터리 구조를 확장하여 임의의 높이를 갖는 트리 구조를 생성.

• 각 사용자들에게 자신의 서브 디렉터리(subdirectory)를 원하는 만큼 만들 수 있게 함
• 최 상위에 root 디렉터리 존재
• 시스템 내 모든 파일은 고유한 경로명을 가짐
• 디렉터리 각 항목은 한 비트를 사용하여 해당 항목이 일반파일(0) 인지 디렉터리 파일(1)인지 구분
• 시스템에 따라 디렉터리 삭제 조건 다름
• 자신의 파일 뿐만 아니라 다른 사용자의 파일도 접근 할 수 있음

13.3.4 비순환 그래프 디렉터리 Acyclic-Graph Directories

트리구조는 파일, 디렉터리의 공유를 허용하지 않음, 비순환 그래프 디렉터리는 디렉터리들의 서브디렉터리와 파일공유를 허용하는 구조.

• 공유되고 있는 디렉터리에 파일 연산 실행시, 공유하는 서브 디렉터리에 자동으로 반영
• 공유 디렉터리 방법
  1. 절대 경로명 혹은 상대경로명으로 구현된 링크 (다른 파일, 서브디렉터리를 가리키는 포인터)라는 새 디렉터리 항목을 만들 수 있음
  2. 디렉터리들이 동일한 항목 , 내용을 복사해 가지고 있음
• 트리구조보다 융통성이 있는 대신 복잡함
  • 파일이 여러개의 절대경로명을 가질 수 있음
  • 공유 파일 삭제시 문제 발생 가능 → 삭제시 존재하지 않는 파일을 가리키는 포인터(dangling pointer)를 만들어냄

13.3.5 일반 그래프 디렉터리 General Graph Directory

사이클이 허용되는 구조.

→ 디렉터리에서 순환이 허용될 경우, 한 요소를 두번 탐색하지 않을 것이며 잘못 설계된 알고리즘으로 인해 무한루프에 빠질 수도 있음.

• 제거된 파일의 디스크 공간 확보를 위해 쓰레기 수집 필요
• 가비지 수집(garbage-collection)
  • 전체 파일 시스템을 검색하고 접근 가능한 것을 표시
  • 두번째 탐색에서 표시되지 않은 것들을 수집하고 사용가능한 공간 리스트에 추가함

13.4 보호 Protection

13.4.1 접근의 유형 Type of Access

보호는 가능한 파일 접근 유형을 제한함으로써 제한된 접근을 제공. 여러 요인에 의해 접근 허용되거나 거부되는데 일부 유형의 연산들이 통제될 수 있음

• 읽기, 쓰기, 실행, 추가, 삭제, 리스트, 속성변경, 이름 변경, 파일 편집 복사 등

13.4.2 접근 제어 Access Control

신원에 따라 특정 파일에 대한 접근 허용 여부를 결정.

• 접근제어리스트 (access-control list, ACL)
  • 파일을 누가, 어떤 연산을 위해 사용할 수 있는지를 기술
  • 파일의 접근 리스트 검사하여 허용 여부 결정

13.4.3 다른 보호 방법 Other-Protection Approaches

• 각 파일 접근시 암호 요구
• global table (시스템 전체 file에 대한 권한은 table로 유지)
• Capability list (메인에 대한 접근 권한 나열)

13.5 메모리 사상 파일 Memory Mapped Files

memory mapping은 프로세스의 가상 메모리 주소 공간 중 일부를 관련된 파일에 할애한 뒤 가상 메모리 주소에 직접 접근 하는 것으로 파일 읽기 및 쓰기를 대신함. (디스크 입출력을 메모리 참조 방식으로 대신한 것 )

13.5.1 기본 기법 Basic Mechanism

• 메모리 매핑은 프로세스 페이지 중 일부를 디스크에 있는 파일 블록에 매핑함으로써 이루어짐
• 메모리 매핑된 파일에 대한 쓰기는 반드시 보조저장장치의 파일에 즉각적으로 써지지 않음, 일반적으로 파일을 닫을 때만 메모리 변경사항에 따라 파일 업데이트
• 일부 운영체제는 특정 시스템 콜을 통해서만 메모리 매핑 파일 처리, 일반적으로는 표준파일 관련 시스템 콜 통해 파일에 접근하도록 함

13.5.2 Windows API 공유 메모리

1. mapping될 파일에 대한 file mapping 생성
2. 해당 파일의 프로세스 가상 주소 공간상의 view를 만듬
3. 다른 프로세스는 파일을 오픈한 뒤 해당 파일의 뷰를 가상 주소 공간상에 생성