11장 파일 시스템

01 파일과 파일 시스템

파일 시스템의 개요

• 파일 시스템의 개념
  • 파일을 보관/관리하는 파일 관리자를 두어 저장장치의 전체 관리를 맡기는 것
  • 파일 관리자는 파일 테이블을 사용하여 파일 관리
  • 사용자가 특정 파일에 접근하려면 파일 관리자로부터 파일에 접근할 수 있는 권한(키) 획득해야 함. 파일 접근 권한을 파일 디스크립터(file descriptor)라고 함

기능 설명

파일 및 디렉터리 구성	사용자의 요구에 따라 디렉터리를 만든다
파일 및 디렉터리 관리	파일 및 디렉터리의 생성, 수정, 삭제등을 관리하고 사용자가 파일 및 디렉터리에 접근할 수 있도록 한
접근 방법 제공	파일과 디렉터리에서 읽고 쓰고 실행할 수 있도록 사용자에게 접근 방법을 제공한다
접근 권한 관리	다른 사용자에게서 파일 및 디렉터리를 보호하기 위해 접근 권한을 관리한다.
무결성 보장	파일 내용이 손상되지 않도로 무결성을 보장한다.
백업과 복구	파일을 보호하기 위해 백업과 복구 작업을 한다.
암호화	파일을 암호화하여 악의적인 접근으로부터 파일을 보호한다.

• 블록과 파일 테이블
  • 블록(block): 저장장치에서 사용하는 가장 작은 단위, 한 블록에 주소 하나 할당
  • 파일 테이블에는 각 파일이 어떤 블록에 저장되어 있는지에 대한 정보 저장

 

1-2 파일

• 파일 종류와 확장자
  • 실행 파일: 운영체제가 메모리로 가져와 CPU를 이용하여 작업하는 파일
  • 데이터 파일: 실행 파일이 작업하는 데 필요한 데이터를 모아놓은 파일
• 파일 이름
  • ‘파일이름.확장자’ 형태로 구성
  • 초창기 운영체제는 파일 이름 8자, 확장자 3자로 제한. 아직도 파일 확장자는 3자 이하 대부분이지만 4자나 5자로 된 확장자도 있음
  • 파일 이름에 마침표(.) 여러 번 사용 가능. 마지막 마침표 다음 글자는 확장자로 인식
  • 파일 이름은 현재 경로를 포함해 최대 255자
  • 파일 이름에는 영문자, 숫자, 붙임표(-), 밑줄(_), 마침표(.)를 주로 사용.
    • 윈도우: 특수문장 중 스페이스바와 &, ~ 등은 사용 가능, \, /, :, *, ?, “ ”, <, >, | 등은 사용 불가
    • 유닉스: 스페이스바 포함, 대부분의 특수문자 사용 불가. 대문자와 소문자 구분
• 파일 연결 프로그램
  • 데이터 파일을 더블클릭하면 해당 파일을 사용하는 응용 프로그램이 실행되는데 이것을 연결 프로그램이라고 함
  • 윈도우에서는 데이터 파일에 연결된 응용 프로그램 변경 가능
  • 파일 확장자 변경도 가능. 그러나 확장자 바꾼다고 내용이 바뀌지는 않음
• 파일 헤더
  • 파일 헤더(header)에는 파일의 버전 번호, 크기, 특수 정보 등 응용 프로그램이 필요한 정보 담김
  • 모든 파일에 공통으로 적용되는 정보인 파일 속성은 파일 테이블에 위치, 해당 파일에 필요한 정보를 가지고 있는 파일 헤더는 파일의 맨 앞에 위치

저장장치 관리 기법

• 파티션
  • 저장장치를 2개 이상의 묶음으로 나누는 것으로 디스크를 논리적으로 분할
  • 대용량 저장장치를 하나로 사용하기보다 여러 개로 나누면 관리하기 편리

• 포맷
  • 포맷(format)은 저장장치의 파일 시스템을 초기화하는 작업
  • 파일 테이블이 없는 저장장치를 포맷하면 파일 테이블이 새로 탑재, 있는 저장 장치를 포맷하면 파일 테이블 초기화
  • 빠른 포맷: 데이터는 그대로 둔 채 파일 테이블만 초기화
  • 느린 포맷: 파일 테이블을 초기화할 뿐 아니라 블록의 모든 데이터를 0으로 만들어 포맷 시간이 많이 걸림.
  • 저장장치를 포맷할 때 블록의 크기 지정 가능
• 조각 모음
  • 파일 저장과 지우기를 반복하면 중간중간 빈 공간이 생기는데 이를 조각화 또는 단편화
  • 하드디스크에 조각이 많이 생기면 큰 파일이 여러 조각으로 나뉘어 저장, 이를 읽으려면 하드디스크의 여러 곳을 돌아다녀야 하므로 성능 저하. 이를 방지하려면 주기적으로 조각 모음 필요
  • USB 메모리나 SSD처럼 반도체를 이용한 저장장치는 조각 모음을 하지 않아도 성능의 차이가 없음

파일 구조

• 순차 파일 구조(sequential file structure)
• 파일 내용이 하나의 긴 줄로 늘어선 형태
  • 장점
    • 모든 데이터가 순서대로 기록되기 때문에 저장 공간에 낭비되는 부분이 없음
    • 구조가 단순하여 테이프는 물론 플로피디스크나 메모리를 이용한 어떤 저장장치에도 적용 가능
    • 순서대로 데이터를 읽거나 저장할 때 매우 빠르게 처리됨
  • 단점
    • 파일에 새로운 데이터를 삽입하거나 삭제할 때 시간이 많이 걸림
    • 특정 데이터로 이동할 때 직접 접근이 어려워 앞에서부터 순서대로 움직여야 하므로 데이터 검색에 적당하지 않음
• 인덱스 파일 구조(index file structure)
  • 순차 파일 구조에 인덱스 테이블을 추가하여 순차 접근과 직접 접근이 가능
  • 현대의 파일 시스템은 인덱스 파일 구조로, 순차 파일 구조로 파일 저장, 인덱스 테이블을 보고 원하는 파일에 직접 접근
• 직접 파일 구조(direct file structure)
  • 저장하려는 데이터의 특정 값에 어떤 관계를 정의하여 물리적인 주소로 바로 변환하는 파일 구조
  • 특정 함수를 이용하여 직접 접근이 가능한 파일 구조로, 이때 사용하는 것이 해시 함수(hash function)

디렉터리의 구조

디렉터리의 개념

• 디렉터리
  • 관련 있는 파일을 하나로 모아놓은 곳
  • 1개 이상의 자식 디렉터리와 1개 이상의 파일을 가질 수 있음
  • 하나의 디렉터리에는 여러 개의 파일과 자식 디렉터리가 존재
• 디렉터리의 계층구조
  • 디렉터리는 여러 층으로 구성
  • 루트 디렉터리(root directory): 최상위에 있는 디렉터리디렉터리의 계층 구조
  • 

디렉터리 파일

• 디렉터리 파일
  • 디렉터리도 파일임
  • 일반 파일에는 데이터가 담기고 디렉터리에는 파일 정보가 담김
  • 디렉터리 헤더에는 디렉터리 이름, 만든 시간, 접근 권한 등의 정보가 기록됨

경로

• 경로
  • 파일이 전체 디렉터리 중 어디에 있는지를 나타내는 정보
  • 한 디렉터리에는 같은 이름을 가진 파일이 존재할 수 없지만, 서로 다른 디렉터리에는 같은 이름의 파일이 존재할 수 있음
  • 절대 경로(absolute path): 루트 디렉터리를 기준으로 파일 위치 표시
  • 상대 경로(relative path): 현재 위치를 기준으로 파일 위치 표시

디렉터리 구조

• 1단계 디렉터리 구조
  • 루트 디렉터리에 새로운 디렉터리를 만들 수 있지만 디렉터리 안에 자식 디렉터리를 만들 수 없음
  • 최대 1단계만 구현할 수 있으며 디렉터리 안에는 파일만 존재
  • 매우 단순하지만 파일 많아지면 사용하기 불편

• 다단계 디렉터리 구조
  • 루트 디렉터리를 시작점으로 여러 단계의 디렉터리가 가지처럼 뻗음. 트리 디렉터리 구조라고도 함
  • 단계 확장에 제약이 없고 디렉터리에 파일과 디렉터리를 둘 다 저장할 수 있음
• 바로가기 링크를 포함한 디렉터리 구조
  • 기본적으로는 트리(tree) 구조이나 ‘바로가기 링크’로 인하여 현재의 디렉터 리 구조는 그래프 구조로 바뀜
  • 사이클이 없는 그래프를 트리(tree)라 함

마운트

• 마운트
  • 유닉스에서 파일 시스템을 운영체제의 파일 시스템 계층 구조에 추가하는 명령어
  • 유닉스에서 여러 개의 파티션을 통합하는 명령어 (정의로는 부족)
• 마운트를 이용해 2개 파티션을 하나의 파일 시스템으로 만든 예

디스크 파일 할당

할당 방식

• 연속 할당과 불연속 할당
  • 연속 할당(contiguous allocation) 방식
  • 파일을 구성하는 데이터를 디스크상에 연속 배열하는 간단한 방식
  • 파일을 저장하거나 삭제하면 빈 공간이 생기는데, 디스크에 남은 공간 중 파일 크기와 맞는 연속 공간이 없으면 연속 할당이 불가능하므로 실제로는 사용되지 않음
• 불연속 할당(non-contiguous allocation) 방식
  • 비어 있는 블록에 데이터를 분산 저장하고 이에 관한 정보를 파일 시스템이 관리하는 방식
  • 연결 리스트를 이용한 연결 할당과 인덱스를 이용한 인덱스 할당이 대표적
• 연결 할당(linked allocation)
  • 파일에 속한 데이터를 연결 리스트로 관리하는 방식
  • 파일 테이블에는 시작 블록에 대한 정보만 저장, 나머지 데이터는 시작 블록부터 연결하여 저장
  • 체인으로 연결한 것처럼 보여서 체인 할당(chained allocation)이라고도 함
  • 연결 할당 방식의 예: 윈도우의 FAT(File Allocation Table)

• 인덱스 할당(indexed allocation)
  • 테이블의 블록 포인터가 데이터 블록을 연결하는 것이 아니라, 데이터의 인덱스를 담고 있는 인덱스 블록을 연결
  • 인덱스 블록은 실제 데이터의 위치에 관한 정보를 순서대로 보관
  • 테이블이 꽉 차서 더 이상 데이터를 연결할 수 없을 때는 인덱스 블록을 연결하는 간접 인덱스 블록(indirect index block)으로 테이블을 무한 확장

빈 공간 관리

• 빈 공간 리스트(free block list)
  • 파일 시스템은 디스크의 내부 단편화를 줄이고 빈 공간을 효율적으로 관리하기 위해 빈 블록의 정보만 모아놓은 빈 공간 리스트를 유지
  • 파일 시스템에서는 파일 테이블의 헤더를 삭제하고 사용했던 블록을 빈 공간 리스트에 등록하는 것을 파일 삭제로 간주
  • 어떤 데이터를 지우고 새로운 데이터를 디스크에 넣을 때 방금 지워진 블록에 할당하는 것이 아니라 리스트에 있던 블록 중 맨 앞에 있는 블록에 할당

• 빈 공간 리스트(free block list)

 

유닉스 파일의 특징

유닉스의 실행 파일

• 유닉스 파일 시스템의 접근 패턴
  • 접근 패턴의 맨 앞자리는 파일의 종류
  • 나머지 아홉 자리는 rwx라는 세 덩어리로 구성
  • rwx 덩어리 중
    • 첫 번째 덩어리 : 파일의 소유자(owner) 권한 부여
    • 두 번째 덩어리 : 소유자가 속한 그룹(group) 권한 부여
    • 세 번째 덩어리 : 소유자도 아니고 같은 그룹도 아닌 제삼자(others) 권한 부여
• chmod
  • 유닉스에서 접근 패턴을 변경할 때 사용하는 명령어
  • 접근 패턴에 숫자를 부여하여 변경
    • read는 4, write는 2, execute는 1
    • chmod 명령을 이용하여 살리고 싶은 숫자를 모두 더하면 됨