운영체제 2. (File System)

6. File system

File System Layers

Abstractions for Storage

• File
  • 영구 스토리지에 기록된 이름이 있는 서로 연관된 정보들의 집합
  • 각 파일은 inode number(internal file ID)를 가짐
  • 부여되는 inode number들은 파일 시스템 내에서 유니크함
• Directory
  • 파일들을 조직화할 수 있는 구조 제공
  • 사용자가 읽을 수 있는 파일 이름을 해당 inode number에 매핑하는 데 사용되는 특수한 파일
    • list of <file name, inode number>
  • 계층적인 디렉토리 트리
    • 디렉토리는 다른 디렉토리 내에 위치할 수 있음

File System Basic

File

• File contents (data)
  • byte 배열
  • 파일 시스템은 일반적으로 file contents가 무엇이든 신경쓰지 않음
• File attributes (metadata or inode)
  • File type
    • regular, directory, symlink, ...
  • 파일이 들어있는 Device의 ID
  • Inode number
  • 접근 허가
    • rwx(read, write, execute) for owner(u), group(g), and others(o)
  • 하드 링크의 수
  • 소유자의 User ID와 group ID
  • byte 단위의 파일 크기
  • 할당된 512B 블록 수
  • 마지막 접근 시간(atime), 마지막 수정 시간(mtime), 마지막 상태 변경 시간(ctime)

Hard link vs. Symbolic link

• Hard link

    ln old.txt new.txt

  • 두 pathname은 같은 inode number 사용
  • 어떤 것이 원본인지 알 수 없음
  • Inode는 하드 링크의 수를 유지
  • 파일 삭제(Deleting, unlinking) 시 링크 수가 감소
  • 링크 수가 0이 되면 inode가 제거됨
  • 디렉토리에는 하드 링크 생성 불가
• Symbolic link

    ln -s old.txt new.txt

  • 새 파일(new.txt)에는 source 파일 혹은 디렉토리에 대한 상대/절대 경로에 대한 참조(reference)가 포함되어 있음

VSFS(Very Simple File System)
수업 자료에서 파일 시스템 설명을 위해 채택한 간단한 파일 시스템 예시

Data Blocks

• 디스크를 일정 크기의 블록으로 나누었을 때 해당 블록 중 대부분을 차지하는 요소
• user의 데이터를 저장하는데 사용

Inodes

• inode는 메타데이터를 갖고 있음
• inode의 크기는 고정(보통, 128B ~ 256B)
• inode 당 256B일 때, 4KB 블록은 16개의 inode를 가짐
• inode 블록의 수와 inode의 크기를 바탕으로 다룰 수 있는 최대 파일 수를 계산 가능

Bitmaps

• Data bitmap & Inode bitmap
• 각 비트(bit)는 해당 block/inode가 사용중(1)인지 비어있는지(0)를 나타냄
• 하나의 data bitmap(또는 inode bitmap) 블록은 최대 32K data blocks(또는 inodes)를 지원할 수 있음

Superblock

• Superblock은 파일시스템의 메타데이터를 갖고 있음
  • File system type
  • Block size
  • Total number of blocks
  • Number of inodes
  • Number of data / inode bitmap blocks, ...

파일 시스템을 마운트하게 되면, OS는 가장 먼저 superblock을 읽고 다양한 정보를 초기화함

disk block들과 file 간 매핑

1.File Allocation Table(FAT)

linked allocation의 변형

• 모든 파일의 linked list 정보를 FAT에 유지
• FAT는 메인 메모리에 캐시됨
• Metadata : <starting block #> + FAT
• random access 성능 개선(단순 linked list 방식은 data block에 포인터 공간을 따로 둬야했음)

2.Indexed Allocation

각 파일에 고정된 크기의 블록을 할당

• Metadata : 블록 포인터를 담은 배열
• 각 블록 포인터는 데이터가 저장된 블록을 가리킴
• 메타데이터로 인해 오버헤드 발생
  • 사용되지 않는 포인터들을 위해 공간을 낭비함

3.Multi-level Indexing

indexed allocation의 변형

• 포인터 계층을 데이터 블록에 동적으로 할당
• Metadata : direct pointers + indirect pointers
• Example : Unix FFS, Linux Ext2/3
• 동적으로 포인터를 할당하기 때문에 indexed allocation에서 있었던 포인터로 인한 공간 낭비를 해결
• 주소 계산을 위해 포인터의 indirect block을 read해야 함(추가적인 disk read)

4.Extent-based Allocation

파일당 여러 개의 연속된 영역(블록) 할당

• extent(연속된 블록)를 multi level tree처럼 구성
  • e.g. B+ tree
• Each leaf node : <starting block #, extent size>
• Example : Linux Ext4