파일 시스템

보조 기억 장치에는 수많은 파일와 디렉토리가 저장되어 있다. 운영체제는 보조 기억 장치에 저장되어 있는 것들을 어떻게 효과적으로 관리하는지 알아보자.

파일과 디렉토리

파일은 종이 한 장이라고 생각하면 편하다. 각각 독립적인 자료로 이루어져 있다. 파일은 속성 (메타데이터) 라는 이름으로 여러 정보를 포함되어 있다.

• 파일의 속성
  • 파일의 이름, 파일을 실행하기 위한 정보, 파일의 형식, 위치, 크기 등

파일을 다루는 모든 작업은 운영 체제에 의해 이루어진다. 즉, 응용 프로그램은 임의로 파일을 할당 받아 조작, 저장이 불가능하고, 파일을 다루는 시스템 콜을 이용해야 한다.

프로세스가 시스템 콜을 통해 10개의 파일을 할당 받았다면, 프로세스는 할당을 받아 사용 중인 파일을 모두 구분하기 위해 파일 디스크립터 (파일 핸들) 를 사용한다.

파일 디스크립터는 저수준에서 파일을 식별하는 정보이며, 0이상의 정수 형태를 띄고 있다. 운영체제는 프로세스가 새로운 파일을 열거나 만들 때, 파일 디스크립터를 부여하여 구분하게 한다. 즉, 쉽게 말하자면 파일 디스크립터는 각 파일을 구분하게 하는 꼬리표 같은 것이다.

파일 디스크립터는 파일만 식별할까?

실제로 파일 디스크립터는 파일만 식별하지 않는다. 입출력장치, IPC 파이프, 소켓 등도 식별한다.

디렉토리는 종이 들을 모아 둔 보관함이라고 생각하면 편하다. 도서관에서 책 한권을 찾기 위해 몇 번 복도 몇 책장의 몇 줄로 기록되어 있는 것 처럼 말이다. 최근의 모든 디렉토리는 나무 가지처럼 생겨 트리 구조 디렉토리로 구성되어 있다.

디렉토리는 지도와 같은 개념을 가지고 있다. 루트 디렉토리부터 /를 통해 길을 나타낼 수 있다. 이것들은 경로(Path) 다.

여기서 운영체제는 디렉토리에 대해 특별하게 이해하는데, 운영체제는 디렉토리를 파일로 간주한다는 것이다. 쉽게는 디렉토리에 속한 요소의 관련 정보가 포함된 파일로 말이다. 디렉토리에 속한 요소는 모두 표의 형태로 저장되어 있고, 테이블 형태로 표현된 정보의 행을 디렉토리 엔트리라고 한다.

디렉토리 엔트리는 파일의 이름과 파일이 저장된 위치를 유추할 수 있는 정보를 포함한다. 이를 통해 운영체제는 보조기억장치에 저장되어 있는 위치를 알 수 있게 된다.

디렉토리 엔트리
파일이름	위치 유추 정보	생성 시간	수정된 시간	크기	…

파일 할당

운영체제는 파일과 디렉토리를 블록 (block) 4096byte 이라는 단위로 읽고 쓴다. 즉, 하나의 파일이 저장될 때는 하나 이상의 블록을 할당 받아 저장한다. 블록으로 저장할 때는, 연속적으로 저장하는 것이 아니라 각각의 블록이 다음 블록을 가르키는 형태로 할당한다. 이를 연결 할당이라고 한다.

일반적으로 디렉토리 엔트리에는 파일 이름과 더불어 첫 번째 블록 주소와 블록 단위 길이가 명시되어 있다. 이를 통해 다음 블록을 연결해 가면서 관리한다. 또 다른 파일 시스템에서는 파일을 이루는 모든블록 주소를 색인 블록이라는 특별한 블록에 모아 관리하는 방식으로 할당한다. (색인 할당)

종류

여러 파일 시스템 중 어떤 시스템을 사용할지는, 보조 기억 장치를 포매팅 할 때 결정할 수 있다.

• 포매팅
  • 파일 시스템을 설정하여 어떤 방식으로 파일을 저장하고 관리할 지 결정
  • 새로운 데이터를 쓴 준비를 하는 작업

파티셔닝

보조기억장치에 여러 파일 시스템을 적용하려면 영역을 구분해야 한다. 이를 파티셔닝이라고 한다. 또한 나눠진 영역은 파티션이라고 한다.

아이노드 기반 파일 시스템

아이노드 기반 파일 시스템은 파일마다 각각의 아이노드를 갖고 있고, 각각의 번호가 부여되어 있으며 색인 할당 방식으로 저장한다. 아이노드의 대표적인 파일 시스템인 EXT4는 여러 블록으로 이루어져있는데, 아래와 같다.

이름	설명
슈퍼 블록	아이노드 개수, 총 블록 개수, 블록 크기 등 시스템 정보 저장
그룹 식별자	블록 그룹에 대한 메타데이터 저장
블록 비트맵	블록 그룹 내에서 데이터가 어떻게 할당되었는지 저장
아이노드 비트맵	현재 블록 그룹 내 아이노드가 어떻게 할당되었는지
아이노드 테이블	각 파일의 아이노드 정보 저장
데이터 블록	각 파일의 데이터를 저장

아이노드는 파티션 내 특정 영역에 모여있다. 따라 데이터 영역에 공간이 남아 있더라도, 아이노드 영역이 가득 차 할당할 수 없다면 새로운 파일을 생성할 수 없다.

하드 링크 vs 심볼릭 링크

• 하드링크
  • 같은 아이노드 번호를 갖는 파일을 생성함. 하드 링크 파일은 원본 파일이 삭제되거나 이동되더라고 파일 데이터에 접근이 가능
• 심볼릭링크
  • 같은 파일 데이터를 공유하지 않고 원본 파일의 위치만 저장하기 때문에 원본 파일이 삭제되너가 이동되면 데이터에 접근이 어렵다.

마운트

마운트는 어떤 저장장치의 파일 시스템에서 다른 저장장치의 파일 시스템으로 접근할 수 있도록 파일 시스템을 편입하는 작업을 의미한다. 우리가 도커파일을 생성할 때 생각하면 편하다.

graph LR
	subgraph Docker
	A["/mnt/d/project"] --"Mount"--> C["/root/project"]
	C--"Mount"-->A
	end

참고자료

※ 이 글은 『이것이 컴퓨터 과학이다』 책을 기반으로, 다양한 자료를 참고해 작성했습니다.