파일시스템

1. File and File System

• 파일은 논리적인 저장 단위로, 관련된 정보 자료들의 집합이다.
• 레코드 혹은 블록 단위로 비휘발성 보조기억장치에 저장된다.  
• 파일 속성 또는 파일의 메타데이터는 파일을 관리하기 위한 정보다.
  • 파일 이름, 유형, 저장된 위치, 파일 사이즈, 접근 권한, 소유자, 시간(생성/변경/사용) 등
• 파일 시스템은 파일의 저장과 접근을 위한 기법을 제공한다.
• 계층적 디렉터리 구조이고, 파일 및 파일의 메타데이터, 디렉터리 정보 등을 관리한다.

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2. Access Methods

a. 순차 접근(Sequential Access)

• 가장 단순한 방법으로 파일의 정보가 레코드 순서대로 처리된다.
• 카세트테이프를 사용하는 방식과 동일하다.
• 현재 위치에서 읽거나 쓰면 offset이 자동으로 증가하고, 뒤로 돌아가기 위해선 되감기가 필요하다.  

 

 

 

b. 직접 접근(Random Access)

• 파일의 레코드를 임의의 순서로 접근할 수 있다.
• LP 판을 사용하는 방식과 동일하다. 
• 읽기나 쓰기의 순서에 제약이 없으며 현재 위치를 유지할 수 있다면 이를 통해 순차 접근 기능도 구현할 수 있다.

c. 색인 접근(Index Access)

• 파일에서 레코드를 찾기 위해 색인을 먼저 찾고 대응되는 포인터를 얻는다.
• 이를 통해 파일에 직접 접근하여 원하는 데이터를 얻을 수 있다.
• 따라서 크기가 큰 파일에서 유용하다. 

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3. Directory

• 디렉터리는 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일이다.
• 해당 디렉터리에 속한 파일 이름과 속성들을 포함하고 있고, 다음과 같은 기능들을 제공한다.
  • 파일 찾기
  • 파일 생성
  • 파일 삭제
  • 디렉터리 나열
  • 파일 재명명
  • 파일 시스템 순회

a. 1단계 디렉터리(Single-Level Directory)

• 1단계 디렉터리는 모든 파일들이 디렉터리 밑에 존재하는 형태이다.
• 파일들은 서로 유일한 이름을 가지고 서로 다른 사용자라도 같은 이름을 사용할 수 없다. 
• 지원하기도 쉽고 이해하기도 쉽지만, 파일이 많아지거나 다수의 사용자가 사용하는 시스템에서는 심각한 제약을 갖는다.

 

 

b. 2단계 디렉터리(Two-Level Directory)

• 2단계 디렉터리는 각 사용자별로 별도의 디렉터리를 갖는 형태이다.
• 서로 다른 사용자가 같은 이름의 파일을 가질 수 있고 효율적인 탐색이 가능하다.
• 하지만 그룹화가 불가능하고, 다른 사용자의 파일에 접근해야 하는 경우에는 단점이 된다. 

c. 트리 구조 디렉터리(Tree-Structured Directory)

• 사용자들이 자신의 서브 디렉터리를 만들어서 파일을 구성할 수 있다.
• 하나의 루트 디렉터리를 가지며 모든 파일은 고유한 경로(절대 경로/상대 경로)를 가진다. 이를 통해 효율적인 탐색이 가능하고, 그룹화가 가능하다. 
• 디렉터리는 일종의 파일이므로 일반 파일인지 디렉터리인지 구분할 필요가 있다. 이를 bit를 사용하여 0이면 일반 파일, 1이면 디렉터리로 구분한다. 

 

 

d. 비순환 그래프 디렉터리(Acyclic-Graph Directory)

• 디렉터리들이 서브 디렉터리들과 파일을 공유할 수 있도록 한다. 트리 구조의 디렉터리를 일반화한 형태이다. 
• 단순한 트리 구조보다는 더 복잡한 구조이기 때문에 몇몇 문제가 발생할 수 있다.
• 파일을 무작정 삭제하게 되면 현재 파일을 가리키는 포인터는 대상이 사라지게 된다. 따라서 참조되는 파일에 참조 계수를 두어서, 참조 계수가 0이 되면 파일을 참조하는 링크가 존재하지 않는다는 의미이므로 그때 파일을 삭제할 수 있도록 한다. 

 

 

e. 일반 그래프 디렉터리(General Graph Directory)

• 순환을 허용하는 그래프 구조이다. 순환이 허용되면 무한 루프에 빠질 수 있다.
• 따라서, 하위 디렉터리가 아닌 파일에 대한 링크만 허용하거나 garbage collection을 통해 전체 파일 시스템을 순회하고, 접근 가능한 모든 것을 표시한다.  

 

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4. Allocation of File Data in Disk

a. 연속 할당(Contiguous Allocation)

• 파일을 디스크에 연속되게 저장하는 방식이다. 
• 디렉터리에는 파일이 시작 부분의 위치와 파일의 길이에 대한 정보를 저장하면 전체를 탐색할 수 있다.
• 이 방식은 연속적으로 저장되어 있으므로 한 번의 탐색으로 많은 양을 전송할 수 있다. 그리고 Random access가 가능하다. 
• 하지만, 외부 단편화가 발생하며, 파일의 크기를 키우기가 어렵다. 파일의 커질 가능성을 고려해서 미리 큰 공간을 할당한다면 내부 단편화가 발생할 수도 있다.

b. 연결 할당(Linked Allocation) 

• 연속적으로 할당하지 않고 빈 위치면 자유롭게 할당될 수 있다. 그리고 다음 읽어야 할 위치를 연결 리스트처럼 포인터로 가리킨다. 따라서 디렉터리에는 파일이 시작하는 위치와 끝나는 위치만 저장된다.
• 외부 단편화가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 
• 하지만, Random access가 불가능하고, 포인터를 위한 공간이 block의 일부가 되어 공간 효율성을 떨어뜨린다. 
• sector가 고장나 포인터가 유실되면 많은 부분을 잃게 되는 신뢰성 문제도 있다.
• 이러한 단점을 보완하기 위해 FAT(File-allocation table)라는 파일 시스템을 사용한다. 이는 포인터를 별도의 위치에 보관하여 신뢰성 문제와 공간 효율성 문제를 해결한다.

c. 색인 할당(Indexed Allocation)

• 색인 할당은 한 블록에 하나의 파일에 대한 데이터의 index들을 모두 저장하는 방식이다. 따라서 디렉터리에는 해당 블록의 위치만 담게 된다.
• 이 방식은 외부 단편화가 발생하지 않으며 Random access가 가능하다. 
• 다만, 작은 파일인 경우 위치를 저장하는 블록의 공간 낭비가 생기고, 너무 큰 파일인 경우엔 하나의 블록으로 파일의 index들을 모두 저장하기에 부족하게 되는 단점이 있다.

참고

https://rebro.kr/181