[OS] 파일 시스템 (File Systems)

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🖥️ 시작하며

🔍 Basic Concepts

• 장기 정보를 저장하기 위해서는 아래와 같은 요구사항이 필요:
• 매우 큰 양의 정보를 저장할 수 있어야 함
• 이용 중인 프로세스가 종료되더라도 정보가 보존되어야 함
• 다수의 프로세스가 동시에 정보에 접근할 수 있어야 함

📌 File

• 파일은 서로 연관된 정보의 이름 붙여진 컬렉션
• 일반적으로 확장자는 포함되지 않음

• 운영체제는 파일을 통해서 저장된 정보의 통일된 Logical한 View 제공

💡 Files 예시

1. 텍스트 파일 (example.txt)
• 관련된 데이터: "Hello, World!"라는 문자가 저장되어 있음
• 명명된: "example.txt"
• 콜렉션: "H", "e", "l", "l", "o", ",", " ", "W", "o", "r", "l", "d", "!"라는 문자들이 모여서 만들어진 컬렉션

2. 이미지 파일 (picture.jpg)
• 관련된 데이터: 이미지의 픽셀 데이터가 저장됨
• 명명된: "picture.jpg"
• 콜렉션: 각 픽셀이 RGB 값을 가진 데이터의 모음으로 구성된 컬렉션

📌 File System

• 디렉토리: 파일을 논리적으로 조직화

• 프로세스, 사람, 기계 간 데이터 공유 허용

• 원치 않는 접근으로부터 데이터 보호

💡 Files vs File Systems

📌 저장소의 논리적 뷰

• 블록 단위 저장소
• 저장소는 512B 크기의 블록 단위로 나누어져 있음

• 블록 번호
• 각 블록은 고유한 번호를 가짐

• Read, Write 연산이 존재 (X부터 Y만큼의 데이터)

🔍 File과 File Systems

📌 File의 구조

• 파일 이름

• 파일 속성 (File attributes, metadata)
• 파일 크기 (File size): 파일의 총 크기를 바이트 단위로 나타냄
• 소유자, 접근 제어 목록 (Owner, access control lists): 파일의 소유자 정보와 접근 권한을 설정
• 생성 시간 (Creation time)
• 마지막 접근 시간 (Last access time)
• 마지막 수정 시간 (Last modification time)

• 파일 내용 (File contents, data)
• 파일에 저장된 실제 데이터, 파일 시스템은 보통 이 데이터의 내용에 대해 신경 쓰지 않음
→ 데이터가 텍스트인지, 이미지인지, 실행 파일인지 중요하지 않음

📌 File Systems

⚙️ File Systems의 목표

1. 메타데이터에 어떤 정보를 포함할 것인가?
• 파일 크기: 파일의 총 크기 (바이트 단위).
• 소유자 정보: 파일 소유자와 그룹.
• 접근 권한: 읽기, 쓰기, 실행 권한.
• 시간 정보: 파일 생성 시간, 마지막 수정 시간, 마지막 접근 시간.
• 파일 유형: 일반 파일, 디렉터리, 링크 등.
• 블록 위치 정보: 파일 데이터가 저장된 블록 위치 정보.

2. 메타데이터를 어떻게 위치시킬 것인가?
• 파일 이름 경로에서 메타데이터로의 매핑
• 디렉터리 구조를 통해 파일 이름을 사용하여 해당 파일의 메타데이터를 찾음
예를 들어, inode 번호를 사용하여 메타데이터를 찾는 방식이 존재

3. 데이터 블록을 어떻게 찾을 것인가?
• 메타데이터 (예: inode)는 파일의 데이터 블록 목록을 포함하고 있음, 이를 통해 데이터 블록의 물리적 위치를 찾음

4. 메타데이터와 데이터 블록을 어떻게 관리할 것인가?
• 할당 (Allocation): 새로운 파일을 위한 블록 할당.
• 회수 (Reclamation): 파일이 삭제되었을 때 블록 회수.
• 여유 공간 관리 (Free space management): 파일 시스템의 사용 가능한 블록을 추적하고 관리.

5. 충돌 후 파일 시스템을 어떻게 복구할 것인가?
• 메타데이터가 날라가면 다른 데이터도 찾지 못함
• 저널링 (Journaling): 변경 사항을 기록하여 충돌 후 복구할 수 있도록 함
• 스냅샷 (Snapshots): 특정 시점의 파일 시스템 상태를 저장하여 복구에 사용
• 체크섬 (Checksums): 데이터 무결성을 확인하고 손상된 데이터를 감지

🔍 Directories

• 유저 입장에서:
• 파일을 찾을 수 있는 구조화된 방법을 제공

• 파일 시스템 관점에서:
• 편리한 명명 인터페이스 제공
• 논리적 파일 조직을 물리적 디스크 배치와 분리해서 구현

📌 Hierarchical Directory System (계층적 디렉토리 시스템)

• 다수의 파일 시스템은 다중 레벨 디렉터리를 지원
• 디렉터리는 트리 구조를 가지며, 각 디렉터리는 다른 디렉터리나 파일을 포함할 수 있음

• 대부분의 파일 시스템은 현재 디렉터리 (또는 작업 디렉터리)의 개념을 지원

• 상대 경로 (Relative Path):
• 현재 디렉터리를 기준으로 한 경로
• 예: cd ../../../foo/bar/../bar
• 현재 디렉터리에서 상위 디렉터리로 세 번 이동한 후, foo 디렉터리로 이동하고 bar로 다시 이동

• 절대 경로 (Absolute Path):
• 디렉터리 트리의 루트에서 시작하는 경로
• 예: cd /tmp/foo/bar
• 루트 디렉터리(/)에서 시작하여 tmp, foo, bar 디렉터리로 차례로 이동하는 경로

📌 Directory Internals

1️⃣ 디렉터리의 정의

• 디렉터리는 일반적으로 특수한 메타데이터를 포함한 파일

• 디렉터리는 (파일 이름, 파일 속성)의 목록으로 구성됨

2️⃣ 디렉터리의 구성 요소

• 파일 이름 (File name): 디렉터리 내의 파일을 식별합

• 파일 속성 (File attributes): 다음과 같은 정보를 포함:
• 크기 (Size)
• 보호 (Protection)
• 생성 시간 (Creation time)
• 접근 시간 (Access time)
• 디스크 상의 위치 (Location on disk): 파일의 데이터 블록이 저장된 물리적 위치 등

3️⃣ 디렉터리의 정렬

• 디렉터리 항목은 보통 정렬되지 않는다. (성능 향상을 위해)
• 디렉터리 항목은 디렉터리를 읽는 프로그램에 의해 정렬되는 경우가 많음

📌 Pathname Translation

💡 예시: ‘open(”/a/b/c”, …)”

1. "/" 디렉터리 열기
• "/"는 잘 알려진 루트 디렉터리로, 항상 찾을 수 있습니다.
• 루트 디렉터리를 엽니다.

2. "a"를 검색
• 루트 디렉터리에서 "a" 항목을 검색합니다.
• "a"의 위치를 얻습니다.

3. "a" 디렉터리 열기 및 "b" 검색
• "a" 디렉터리를 열고, 그 안에서 "b" 항목을 검색합니다.
• "b"의 위치를 얻습니다.

4. "b" 디렉터리 열기 및 "c" 검색
• "b" 디렉터리를 열고, 그 안에서 "c" 항목을 검색합니다.
• "c"의 위치를 얻습니다.

5. 파일 "c" 열기
• "c" 파일을 엽니다.
• 각 단계에서 권한이 확인됩니다.

⚙️ 디렉터리 경로 탐색의 비효율성

• 시스템은 디렉터리 경로를 따라 내려가느라 많은 시간을 소비

• 이러한 이유로 open() 함수는 read()/write() 함수와 분리되어 있음
• 예: read("/a/b/c", buf, 100);와 같이 사용되지 않음

⚙️ 성능 향상을 위한 OS 캐시

• 운영 체제는 경로 탐색(prefix lookups)을 캐싱하여 성능을 향상시킴
• 예를 들어, /a/b, /a/bb, /a/bbb 등의 경로를 캐시
• 이들은 모두 "/a" 접두사를 공유

📌 Directory Operations

🔍 Mounting

• 마운트는 특정 위치에 파일 시스템을 연결해 시스템의 일부로 만들고, 해당 위치에서 파일 시스템에 접근할 수 있도록 함

1️⃣ Windows에서의 마운트

• 드라이브 문자에 파일 시스템을 마운트
• 예: C:\, D:\ 등
• 각 드라이브 문자는 특정 파일 시스템을 나타내며, 사용자는 드라이브 문자를 통해 파일 시스템에 접근

2️⃣ Unix에서의 마운트

• 기존의 빈 디렉터리에 파일 시스템을 마운트
• 이 디렉터리를 마운트 포인트 (mount point)
• 예: /mnt, /media, /home 등의 디렉터리에 파일 시스템을 마운트할 수 있음
• 마운트 포인트가 되기 위해서는 디렉터리가 비어 있어야 함
 

🔍 File Sharing

• 파일 공유는 timesharing 시대부터 존재

• 작업을 완료하기 위해 매우 중요하며, 커뮤니케이션과 동기화의 베이스가 됨

💡 파일 공유 시 고려해야 할 세 가지 주요 문제

1. 동시 접근의 의미 (Semantics of concurrent access)
• 동시 읽기/쓰기 문제
• 한 프로세스가 파일을 읽는 동안 다른 프로세스가 파일을 쓰는 경우 어떻게 될까?
→ 일반적으로 데이터의 무결성을 보장하기 위해 일관성 모델이 필요
• 동시 쓰기 문제
• 두 프로세스가 동시에 파일을 쓰기 위해 열 때 어떻게 될까?
→ 데이터 경합(race condition)과 데이터 손상(data corruption)을 방지하기 위한 적절한 메커니즘이 필요

2. 동시성 제어 (Concurrency control)
• 파일 잠금 (Locks)
• 파일 잠금 메커니즘을 사용하여 동시 접근을 제어
• 공유 잠금 (Shared lock): 여러 프로세스가 동시에 파일을 읽을 수 있지만 쓸 수는 없음
• 배타적 잠금 (Exclusive lock): 하나의 프로세스만 파일을 읽거나 쓸 수 있음
• 잠금 메커니즘은 동시 접근 문제를 해결하여 데이터의 무결성을 유지

3. 보호 (Protection)
• 접근 제어
• 파일에 대한 접근 권한을 설정하여 특정 사용자나 그룹만 파일을 읽거나 쓸 수 있도록 함
• 예: 읽기, 쓰기, 실행 권한 설정

📌 Consistency Semantics

1️⃣ Unix

• 열린 파일에 대한 쓰기 작업은 해당 파일을 동시에 열고 있는 다른 사용자에게 즉시 반영

2️⃣ AFS session (요즈음 사용)

• Andrew File System (AFS)은 분산 파일 시스템의 일종

• 열린 파일에 대한 쓰기 작업은 즉시 반영 X
→ 파일이 닫혀야 다른 사용자에게 보임

3️⃣ Immutable-Shared-Files

• 파일이 생성자에 의해 공유로 선언되면 더이상 수정 불가능

📌 File Locking

1️⃣ Advisory Lock

• 함수: int flock (int fd, int operation);

• 매개변수:
• fd: 파일 디스크립터
• operation: 잠금 작업의 종류
• LOCK_SH (shared): 공유 잠금
• 여러 프로세스가 동시에 읽을 수 있도록 허용하지만, 쓰기는 불가능
• LOCK_EX (exclusive): 배타적 잠금
• LOCK_UN (unlock): 잠금 해제

2️⃣ POSIX record Lock

• 함수: int fcntl (int fd, int cmd, struct flock *lock);
• 매개변수:
• fd: 파일 디스크립터
• cmd: 명령어
• F_GETLK: 잠금 상태 조회
• F_SETLK: 잠금 설정
• F_SETLKW: 잠금 설정, 잠금이 해제될 때까지 대기
• lock: struct flock 구조체 포인터로, 잠금의 세부 정보를 포함

• 구조체: struct flock
• 구성 요소:
• type: 잠금 유형
• F_RDLCK: 읽기 잠금
• F_WRLCK: 쓰기 잠금
• F_UNLCK: 잠금 해제
• whence: 시작 오프셋 기준점 (SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END)
• start: 파일 내에서 잠금을 시작할 오프셋
• len: 잠금을 적용할 길이 (바이트 단위)
• pid: 잠금을 설정한 프로세스의 PID
 

🔍 Protection

📌 Protection Systems

1️⃣ 기본 요소

1. 사용자 (User)
• 파일에 접근하려는 주체 (특정 사용자 또는 사용자 그룹)

2. 접근 방법 (Access)
• 파일에 대해 어떤 작업을 할 수 있는지 (읽기(read), 쓰기(write), 실행(exec) 등)

2️⃣ 일반화된 요소

1. 객체 (Object)
• 보호 시스템에서 보호되는 대상
→ 파일뿐만 아니라, 디렉터리, 데이터베이스 항목, 네트워크 리소스 등 다양한 대상이 포함

2. 주체 (Subject)
• 객체에 접근하려는 주체 (사용자, 프로세스, 또는 시스템 자체)

3. 행동 (Action)
• 주체가 객체에 대해 수행하려는 작업 (읽기, 쓰기, 실행, 삭제 등)

3️⃣ 보호 시스템의 역할

• 사용자는 자신의 파일을 읽고 쓸 수 있지만, 다른 사용자는 접근할 수 없음

• 모든 사용자가 /etc/passwd 파일을 읽을 수 있지만, 수정할 수는 없음

📌 Representing Protection

1️⃣ 접근 제어 리스트 (Access Control Lists, ACLs)

2️⃣ 권한 (Capabilities)

접근 제어 리스트 (ACLs)와 권한 (Capabilities)의 차이점