[운영체제] 파일 시스템 사례(Linux)

 

 

Unix에서의 파일 관리

 

 

이전에 알아보았듯이, Unix에서는 위와 같은 파일 시스템 구조를 지닌다.

inode는 특정한 파일에 대한 주요 정보를 가지고 있는 제어 구조라고 했다. 여기에는 직/간접적으로 연결되어 있는 파일들의 개수인 Link Count 등의 정보가 들어간다고 하였다. 또한 unix에서의 inode가 파일에 대한 제어 정보를 가지고 있는 FCB와 대응된다는 것도 기억해 보자.

 

자 이제 기억해야 할 것은 각각의 inode는 파일에 대한 제어 정보를 가지고 있다는 것이고, 여기서 파일을 저장하기 위해 _indexed allocation_ 방식을 사용한다는 것이다.

 

indexed allocation은 파일의 정보를 저장하기 위해 특정 Block을 Index를 관리하는 Block으로 두는 방식이었다. 여기서 특정 Block은 Index Block이라고 부르며 다른 Data Block들과 동일하게 취급한다.

 

아무튼, inode 안에서 Data Block을 관리하기 위해 정확히는 아래와 같은 구조를 사용한다.

 

 

그림을 보면 10개의 Direct Block과 3개의 Indirect Blocks가 있다.

먼저 Direct Block은 가장 먼저 저장되는 Data Block들에 대한 번호들을 저장한 Index Block이다. Direct Block 하나가 2^10인 1024Byte만큼의 Data Block들을 저장할 수 있기 때문에 총 10 * 2^10 * 4 = 40KB 만큼이 10개의 Direct Block의 크기라고 본다.

 

다음으로 Single Indirect는 Direct Block만으로도 파일의 크기를 전부 담을 수 없을 때 사용하는 Block이다.

여기에는 하나당 4KB인 Index Block들 자체들를 저장하는 간접적인 Block 하나를 사용한다. 하나의 Block은 1024개만큼의 Block 주소를 담을 수 있기 때문에 총 4KB * 2^10 = 4MB의 공간을 저장할 수 있다.

 

Double Indirect는 Single Indirect 만으로도 크기가 부족할 때 사용하는 것인데, 원리는 Single Indirect와 유사하다.

4MB만큼의 공간을 가지는 하나의 Index Block자체들을 저장하는 간접적인 Block하나를 추가로 만드는 것이다. 그러면, 총 4MB * 2^10 = 4GB만큼의 공간을 저장할 수 있다.

 

Triple Indriect도 4GB만큼의 공간을 가지는 Index Block들을 저장하는 간접적인 Block 하나를 추가하여 총 4TB만큼의 공간을 가질 수 있다.

 

즉, 하나의 Inode는 4KB + 4MB + 4GB + 4TB의 공간을 가질 수 있다.

 

 

 

 

Linux Virtual File System

 

리눅스에서도 파일 시스템의 종류에 관계없이 쉽게 유저가 파일에 접근하고 사용할 수 있도록 하기 위해 Virtual File System을 제공한다.

 

 

그림과 같이 파일 시스템이 달라지더라도 하나의 모듈로써 파일 시스템의 종류를 커널 안으로 넣을 수 있다. 이로 인해 사용자는 굳이 신경 쓰지 않더라도 File System을 이용 가능하다.

 

위에 보이는 _page cache_는 _disk cache_와 같은 의미로 disk에서 block을 읽어오면 임시로 저장하는 공간이라고 생각하면 된다.

 

 

 

Linux inode

 

모든 inode의 구조가 동일한 것은 아니다. 운영체제마다 조금씩 차이점이 존재한다.

Linux에서는 10개의 Direct Blocks를 사용하는 Unix와 달리 Direct Blocks를 12개 사용한다.

 

또한 파일 시스템의 종류에 따라서 inode의 크기 또한 다르다.

 

ext2, ext3에서는 128바이트
ext4에서는 256바이트이다.

 

 

 

 

 

File Operation

 

System Call은 프로세스가 운영체제에게 알리는 이벤트라고 하였다. File Operation도 결국 System Call이기 때문에 프로세스가 해당 이벤트를 알린다. 하지만, File에서 사용하는 System Call은 장치, 혹은 타입마다 다르기 때문에 특별한 테이블 구조를 만들어 사용한다.

 

 

위 그림과 같이 파일 시스템, 혹은 장치에 따라 같은 종류의 _open_함수이더라도 다른 동작을 해야 하는 경우가 생긴다.

NFS에서는 _nfs file open_함수가 불러지면, 다른 PC와 remote 통신을 하는 추가 작업이 수행될 수 있다.

즉, 각 테이블에는 그 목적에 부합한 함수들이 각각 구현되어 있다.

 

 

Linux File Operation

 

 

리눅스에서 File Operation이 수행되는 흐름은 위와 같다.

먼저 새로운 프로세스가 만들어지면 task struct라는 구조가 만들어진다. 이는 PCB와 동일한 것이고 이 안에 file structure 정보를 가진다. 

 

file structure은 파일 시스템 아래에 있는 파일들에 참조 정보를 지닌다. 또한 각각의 파일들은 파일 시스템 내부에 정의된 구조에 따라서 inode라는 FCB정보를 가진다. 이는 어떤 파일 시스템을 가지냐에 따라 구조가 달라질 수 있다.

 

마지막으로 inode는 Disk 내부에 저장된 Block 할당 방식에 따라 파일 정보를 저장한다.

 

 

 

실제로 실행되는 코드를 살펴보자.

task struct와 files struct는 프로세스 단에서 실행되는 것이고, struct file과 file operation을 저장한 테이블인 file operations는 운영체제가 만들어 관리한다.

 

이때 file operation은 실행되는 파일 시스템 모듈에 따라 달리질 수 있음을 기억해 보자.

 

 

위와 같이 장치나 파일 시스템에 따라 open함수도 여러 File Operation 테이블에 따라 동작한다.