[CS] 파일 시스템(File System)

💾 파일과 파일시스템

📂 개요

1️⃣ 운영체제는 사용자가 직접 파일을 보관하거나 접근하지 못하도록 하기 위해, 대신 파일을 보관하고 관리하는 파일 관리자를 두어 저장 장치의 전체 관리를 맡기는데, 이를 파일 시스템이라고 함

2️⃣ 가상 메모리에서 메모리 관리자가 메모리 매핑 테이블을 사용하여 가상 주소를 물리주소로 변환하는 것과 마찬가지로, 저장 장치에서는 파일 관리자가 파일 테이블을 사용하여 파일을 관리 함

• 윈도우의 경우 FAT(File Allocation Table), 유닉스의 경우 I-node와 같은 파일 할당 테이블을 유지

3️⃣ 데이터는 운영체제와 저장 장치 간에 블록 단위로 전송됨. 블록은 저장 장치에서 사용하는 가장 작은 단위로, 한 블록에 주소 하나가 할당 됨.

• 메모리는 바이트 단위로 저장되고, 하드 디스크의 물리적인 구조상 가장 작은 저장 단위는 섹터

4️⃣ 섹터마다 주소를 부여하면 너무 많은 양의 주소가 필요하기 때문에 파일 관리자는 여러 섹터를 묶어 하나의 블록으로 만들고, 블록 하나에 주소 하나를 배정함

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📂 파일 분류와 확장자

1️⃣ 모든 파일은 0과 1의 비트 패턴으로 이루어지며, 운영체제 입장에서는 크게 실행 파일과 데이터 파일로 나뉨

• 실행 파일 : 운영체제가 메모리로 가져와 CPU를 이용하여 작업을 하는 파일. 즉, 사용자의 요청으로 프로세스가 된 파일을 말함
• 데이터 파일 : 실행 파일이 작업하는 데 필요한 데이터를 모아놓은 파일

2️⃣ 실행 파일과 데이터 파일은 둘 다 더블 클릭하면 실행로직 때문에 데이터 파일을 실행 파일로 착각하기 쉬움. 그러나 데이터 파일이 필요로 하는 응용 프로그램을 운영체제가 실행하는 것이지 데이터 파일 자체가 실행되는 것은 아님.

 

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📂 파일 구조

1️⃣ 순차 파일 구조(Sequential File Structure)

: 일반 파일은 기본적으로 순차 파일 구조임. 순차 파일 구조는 파일 내용이 하나의 긴 줄로 늘어선 형태로 카세트 테이프가 대표적인 예

• 장점
  • 모든 데이터가 순서대로 기록되기 때문에 저장 공간에 낭비되는 부분이 없음
  • 구조가 단순
  • 순서대로 데이터를 읽거나 저장할 때 매우 빠르게 처리됨
• 단점
  • 파일에 새로운 데이터를 삽입하거나 삭제할 때 시간이 많이 걸림
  • 특정 데이터로 이동할 때 직접 접근이 어렵기 때문에 앞에서부터 순서대로 움직여야 함

2️⃣ 인덱스 파일 구조(Index File Structure)

• 순차파일 구조에 인덱스 테이블을 추가하여 순차 접근과 직접 접근이 가능
• 현대의 파일 시스템은 인덱스 파일 구조로, 파일을 저장할 때는 순차 파일 구조로 저장하고, 파일에 접근할 때는 인덱스 테이블을 보고 원하는 파일에 접근함
• 데이터베이스와 같이 데이터의 빠른 접근이 필요한 시스템에 사용됨

3️⃣ 직접 파일 구조(Direct File Structure)

• 저장하려는 데이터의 특정 값에 어떤 관계를 정의하여 물리적인 주소로 변화하는 파일 구조
• 특정 함수를 이용하여 직접 접근이 가능한 파일 구조이며, 이때 사용하는 함수를 해시함수라고 함
• 해시 함수를 이용하여 주소를 변환하기 때문에 데이터 접근이 매우 빠르지만, 해시 함수를 선정하는 것이 큰 중요 포인트

 

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💾 디렉토리(Directory)

📂 개요

📌 파일 시스템 내부에 존재하는 것으로, 효율적인 파일 사용을 위해서 디스크에 존재하는 파일에 대한 여러 정보를 가지고 있는 “특수한 형태의 파일”
 👉🏻 Directory는 하위 파일들의 Metadata 일부를 보관하고 있는 특별한 파일
- 각 파일의 {이름, 위치, 크기, 할당방식, 형태, 소유자, 계정정보, …}를 보유

• 기능
  • 파일을 빠르게 찾을 수 있도록 Efficiency를 제공
  • 파일의 이름을 지을 때 제약조건이 없도록 해줌 (Naming)
  • 유사한 파일들을 Grouping 해줌

 

📂 Single-Level Directory

• 모든 파일을 하나의 디렉토리 내에 위치해서 관리되는 구조
  • 모든 파일이 Unique한 이름을 가져야 함
  • 모든 파일이 같은 디렉토리 내에서 유지가 되므로 user가 파일에 대한 이해를 쉽게 할 수 있음
  • 파일이나 user수가 증가하게 되면 파일 관리가 복잡해짐
• Naming & Grouping 관련 문제가 발생

📂 Two-Level Directory

• 중앙에 Master File Directory(MFD)가 존재하고, 그 아래에 각 user별로 서로 다른 User File Directory(UFD)가 존재
  • MFD
    • 각 user들의 이름, 계정 번호, UFD를 가리키는 포인터를 보유
    • 결론적으로 UFD를 관리
  • UFD
    • 오직 하나의 user가 가지고 있는 파일에 대한 정보만 갖고 있음 :: 해당 user의 파일을 관리
    • 하나의 UFD에는 uniqud한 파일 이름을 사용해야하지만, 서로 다른 UFD간에는 동일한 파일 이름이 존재해도 됨
• 이 방식은 각 user가 서로 다른 user의 UFD를 검색할 수 없기 때문에 업무 협력/파일 공유가 어려움.
• 특정 파일을 저장할 때는 “User Name + File Name”을 같이 지정해야 하기 때문에 파일 이름이 길어짐.

 

📂 Tree-Structured Directory

• 하나의 Root Directory 아래로 여러 개의 Sub Directory로 구성된 구조
  • DOS/Window/UNIX 등의 OS에서 사용되는 디렉토리 구조
  • 각 디렉토리는 {서비 디렉토리 or 파일}을 가질 수 있음
  • 서로 다른 디렉토리 내에 동일한 이름의 파일이나 디렉토리를 생성할 수 있음
  • 디렉토리 {create/drop}이 편리함
  • 디렉토리 탐색에는 Pointer를 사용하고, 경로명은 {Absolute/Relative}를 사용함

 

📂 Acyclic-Graph Directory

• Acyclic Directory는 하위 파일이나 하위 디렉토리를 공동으로 사용할 수 있는 것으로, Cycle이 허용되지 않느 구조임
  • 디스크 공간 절약 가능
  • 하나의 파일이나 디렉토리가 여러 개의 Path Name을 가질 수 있음
  • 디렉토리 구조가 복잡하고, 공유된 하나의 파일을 탐색할 경우 다른 경로로 2번 이상 찾아갈 수 있기 때문에 시스템 성능이 저하될 수 있음
  • 공유된 파일을 삭제할 경우 Dangling Pointer가 발생할 수 있음
  • ** Dangling Pointer : Pointer입장에서 “나는 이제 아무것도 가리키지 않는 포인터가 되었구나!”

 

📂 General Graph Directory

• 트리 구조에 Link를 추가해서 Cycle을 허용하는 그래프 구조
  • 디렉토리와 파일 공유에 완전한 융통성이 존재함
  • 탐색 알고리즘이 간단하고, 파일/디렉토리를 access하기 쉬움
  • 사용되지 않는 디스크 공간을 되찾기 위해 Garbage Collector가 필요함
  • 불필요한 파일을 제거해서 사용 공간을 늘리기 위해서 Reference Counter가 필요함

 

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💾 디스크 파일 할당

📂 연속 할당과 불연속 할당

1️⃣ 파일 시스템은 기본적으로 메인 메모리 시스템과 유사함.

 전체 디스크 공간을 같은 크기로 나누고, 각 공간에 주소를 붙여서 관리함.

 이 때, 같은 크기로 나뉜 공간 하나를 블록이라하며, 한 블록의 크기는 1~8KB임

2️⃣ 일반적으로 하나의 파일은 여러 개의 블록으로 사용하는데, 여러 개의 블록을 어떻게 연결하는지에 따라 연속 할당과 불연속 할당 방식으로 구분됨

3️⃣ 연속 할당 : 연속 할당은 파일을 구성하는 데이터를 디스크상에 연속적으로 배열하는 방식. 파일을 저장하거나 삭제하다 보면 빈 공간이 생기는데, 디스크에 남은 공간 중 파일의 크기와 맞는 연속된 공간이 없을 때는 연속 할당이 불가능하기 때문에 실제로 사용되지 않음

4️⃣ 불연속 할당 : 불연속 할당은 비어 있는 블록에 데이터를 분산하여 저장하고, 이에 대한 정보를 파일 시스템이 관리하는 방식 (Ex. 연결할당, 인덱스 할당방식)

 

📂 연결 할당(Linked Allocation)

• 파일에 속한 데이터를 연결 리스트로 관리하는 방식
• 파일 테이블에는 시작 블록에 대한 정보만 저장하고, 나머지 데이터는 시작 블록부터 연결하여 저장함
• 파일의 맨 끝에는 링크 대신 NULL을 삽입함.
• 체인 할당이라고도 함
• 윈도우의 FAT가 연결 할당 방식으로 관리됨
• 하나의 파티션이 사용할 수 있는 디스크 용량이 테이블의 주소 크기로 제한된다는 단점

 

📂 인덱스 할당(Index Allocation)

• 인덱스 할당 방식에서는 테이블의 블록 포인터가 데이터 블록을 연결하는 것이 아니라, 데이터의 인덱스를 담고 있는 인덱스 블록을 연결함
• 인덱스 블록은 실제 데이터의 위치에 관한 정보를 순서대로 보관하고 있음

 

📂 디스크 빈 공간 관리

1️⃣ 블록 하나의 크기를 크게 잡으면
 → 적은 주소로 많은 양의 데이터를 관리할 수 있지만 낭비되는 공간이 생기고,
     블록 하나의 크기를 작게 잡으면
 → 많은 양의 블록 포인터가 필요함

2️⃣ 단편화에 의해 발생된 블록의 빈공간을, 디스크에 파일을 저장할 때마다 모든 테이블을 다 뒤져서 찾는 것은 비효율적임

3️⃣ 내부 단편화를 줄이고 빈 공간을 효율적으로 관리하기 위해 파일 시스템은 빈 블록의 정보만 모아놓은 빈 공간 리스트(Free Block List)를 유지함

4️⃣ 블록의 내용을 지우지 않고, 빈 공간 리스트에 삽입하는 것은 해당 블록에 새로운 데이터를 덮어쓰지 않는 한 원래 데이터를 복구할 수 있는 여지를 남김

 

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참고 자료

[CS Study : OS] 파일 시스템

[OS] 9. 파일 시스템