반효경 교수님의 운영체제 강의를 참고하였습니다.

  • File
    • 관련 정보를 이름을 가지고 저장
    • 비휘발성의 보조기억장치(HDD, SSD)에 저장
    • 운영체제는 저장 장치를 file이라는 동일한 논리적 단위로 볼 수 있게 해줌 → device special file
    • Operation
      • create, read, write, reposition(lseek), delete, open, close 등
  • File attribute(file metadata)
    • 파일을 관리하기 위한 각종 정보들
      • 파일 이름, 유형, 저장된 위치, 파일 사이즈
      • 접근 권한(r/w/x), 시간(생성/변경/사용), 소유자 등
  • File System
    • 운영체제에서 파일을 관리하는 부분
    • 파일 및 파일의 메타데이터, 디렉토리 정보 등을 관리
    • 파일의 저장 방법 결정
    • 파일 보호 등

Directory and Logical Disk

  • Directory
    • 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일
    • 그 디렉토리에 속한 파일 이름 및 파일 attribute들
    • operatiion
      • 파일 찾기, 파일 생성, 파일 삭제, 파일명 변경, 디렉토리 조회, 파일시스템 탐색
  • Partition(=Logical Disk)
    • 하나의(물리적) 디스크 안에 여러 파티션을 두는게 일반적
    • 여러 개의 물리적 디스크를 하나의 파티션으로 구성
    • 디스크를 파티션으로 구성한 뒤 각 용도에 맞게 file system을 깔거나 swapping 용도로 사용
    • ex) C drive, D drive 등

open()

  • 파일의 메타데이터를 메인 메모리로 올리는 작업

  • open("/a/b")

    • directory path를 search
      • 루트 디렉토리 “/“를 open하고 그 안에서 “a"의 위치 획득
      • 파일 “a"를 open한 후 read하여 그 안에서 파일 “b"의 위치 획득
      • 파일 “b” open
    • Directory path의 search에 너무 많은 시간 소요
      • Open을 read/write와 별도로 두는 이유
      • 한번 open한 파일은 read/write시 directory search 불필요
    • Open file table
      • 현재 open 된 파일들의 메타데이터 보관소(in memory)
      • 디스크의 메타데이터보다 몇 가지 정보가 추가
        • Open한 프로세스 수
        • File offset : 파일의 어느 위치를 접근 중인지 표시
    • File descriptor : (file handler, file control block)
      • open file table에 대한 위치 정보(프로세스 별)

    https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119248866-01567600-bbcf-11eb-92ea-c4f607359737.png

File Protection

  • 각 파일에 대해 누구에게 어떤 유형(read/write/execution)을 허락할 것인가?
  • Access Control 방법
    • Access control matrix
      • access control list : 파일이 주체가 되어 어떤 접근 권한이 있는지 표시
      • capability : 사용자별로 자신이 접근 권한을 가진 파일 및 해당 권한 표시
    • Grouping
      • 전체 user를 onwer, group, public의 세그룹으로 구분
      • 각 파일에 대해 세 그룹의 접근 권한(rwx)을 3비트씩 표시
      • ex) rwx/r—/r—(owner/group/other)
    • Password
      • 파일마다 password를 두는 방법(디렉토리도 가능)
      • 모든 접근 권한에 대해 하나의 password: all-or-nothing
      • 접근 권한별 password: 암기 문제, 관리 문제

File System의 Mounting

https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249134-4b405b80-bbd1-11eb-9137-a5cc30841be9.png

  • 마운팅이라는 것을 파일시스템에 다른 파티션을 연결시켜 서로 다른 파일 시스템에 접근 가능하도록 하는 것

Access Methods

  • 순차 접근
    • 카세트 테이프를 사용하는 방식처럼 접근
    • 읽거나 쓰면 offset은 자동적으로 증가
  • 직접 접근(임의 접근)
    • LP 레코드 판과 같이 접근
    • 파일 구성하는 레코드를 임의의 순서로 접근

Allocation of File data in Disk

Contiguous Allocation

https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249225-de799100-bbd1-11eb-8880-899d811eda49.png

  • count 파일이라는 파일은 0번부터 시작해서 2칸 차지
  • list는 28번부터 시작해서 4칸 차지
  • 장점
    • Fast I/O
      • 한번의 seek/rotation으로 많은 바이트 transfer
      • Realtime file용으로, 또는 이미 run 중이던 process의 swapping(swap area) 용
    • Direct access(=random access) 가능
  • 단점
    • external fragmentation 발생
    • file grow가 어려움
      • file 생성시 얼마나 큰 hole을 배당할 것인가?
      • grow 가능 vs 낭비(internal fragmenation)

Linked Allocation

https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249365-e980f100-bbd2-11eb-93cc-74236dcc77af.png

  • 장점
    • External fragmentation이 발생 안함
  • 단점
    • No random access
    • Reliablity 문제
      • 한 sector가 고장나 pointer가 유실되면 많은 부분을 잃음
      • Pointer를 위한 공간이 block의 일부가 되어 공간 효율성을 떨어뜨림
        • 512 bytes/sector, 4bytes/pointer
  • 변형
    • File-allocation table(FAT) 파일 시스템
      • 포인터를 별도 위치에 보관하여 reliability와 공간 효율성 문제 해결

Indexed Allocation

https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249469-c0149500-bbd3-11eb-94b1-19bc54a39b8e.png

  • 하나의 block에 file index를 저장 해 놓음
  • 장점
    • External fragmentation이 발생하지 않음
    • Direct access 가능
  • 단점
    • Small file의 경우 공간 낭비(실제로 많은 file들이 small)
    • Too Large file의 경우 하나의 block으로 index를 저장하기에 부족
      • linked scheme
      • multi-level index

UNIX 파일시스템의 구조

https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249529-2c8f9400-bbd4-11eb-86dc-9faeee2d0b97.png

  • Boot block
    • 부팅에 필요한 정보(bootstrap)
  • Super block
    • 파일 시스템에 관한 총체적인 정보
  • Inode list
    • 파일 이름을 제외한 파일의 모든 메타데이터 저장
    • 대부분의 파일은 굉장히 작기때문에 direct block에 저장 되고 파일이 커지는 경우 single, double, triple에 저장 됨
  • Data block
    • 실제 내용

FAT(File allocation table) File System

https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249652-3cf43e80-bbd5-11eb-816c-5f8237afff13.png

  • 직접 접근이 가능하다 4번째 접근 하고 싶으면 FAT[FAT[FAT[217]]] 으로 가능..?

Free Space Management

Bit map or bit sector

  • bit map의 크기는 data block의 갯수
  • bit[i] = 0 → block[i] free 1 → block[i] occupied
  • Bit map은 부가적인 공간을 필요로 함
  • 연속 n개의 free block을 찾는데 효과적

Linked list

  • 모든 free block들을 링크로 연결
  • 연속적인 가용공간을 찾는데 어려움
  • 공간의 낭비가 없음

Grouping

  • linked list 방법의 변형
  • 첫번째 free block이 n개의 pointer를 가짐
    • n-1 pointer는 ㄹree data block을 가리킴
    • 마지막 pointer가 가리키는 block은 또 다시 n pointer를 가짐

Directory Implementation

  • Linear list

    • <file name, file metadata>의 list
    • 구현이 간단
    • 디렉토리 내에 파일이 있는지 찾기 위해서는 linear search

  • Hash table

    • linear list + hashing
    • hash table은 file name을 이 파일의 linear list의 위치로 바꾸어줌
    • search time x
    • collision 발생 가능

  • File의 metadata 보관 위치

    • 디렉토리 내에 직접 보관
    • 디렉토리에는 포인터를 두고 다른 곳에 보관
      • inode, FAT 등

  • Long file name의 지원

    • <file name, file metadata>의 list에서 각 entry는 일반적으로 고정 크기
    • file name이 고정 크기 entry보다 길어지는 경우 entry의 마지막 부분에 이름의 뒷부분이 위치한 곳의 포인터를 두는 방법
    • 이름의 나머지 부분은 동일한 directory file의 일부에 존재

    https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119249858-0a4b4580-bbd7-11eb-96df-30fee6f809ec.png

VFS and NFS

  • VFS(Virtual File System)
    • 서로 다른 다양한 file system에 대해 동일한 시스템 콜 인터페이스(API)를 통해 접근할 수 있데 해주는 OS의 layer
  • NFS(Network File System)
    • 분산 시스템에서는 네트워크를 통해 파일이 공유될 수 있음
    • NFS는 분산 환경에서의 대표적 파일 공유법0

Page cache and Buffer cache

  • Page cache

    • Virtual memory 관점에서 page frame을 caching의 관점
    • memory-mapped I/O를 쓰는 경우 file I/O에서도 page cache 사용

  • Memory-mapped I/O

    • 파일의 일부를 virtual memory에 매핑
    • 매핑 시킨 영역에 대한 메모리 접근 연산은 파일의 입출력을 수행

  • Buffer cache

    • 파일 시스템의 내용을 buffer cache에 copy해놓고 사용자에게 전달

  • Unified Buffer cache

    • 최근에는 Page cache와 buffer cache를 통합하여 관리

    https://user-images.githubusercontent.com/28971015/119250159-146e4380-bbd9-11eb-9d1c-76503500031b.png