[운영체제] 3-6. (1) 파일 시스템 (File System)

파일 시스템 (File System)

 

 마지막으로 운영체제가 어떻게 보조기억장치를 효과적으로 관리하는지 알아보자. 운영체제는 파일 시스템(File system)이라는 내부 프로그램을 통해서 보조기억장치에 있는 데이터를 관리한다.

 

💡파일 시스템(File system)

• 파일 시스템(File system)은 운영체제가 보조기억장치(HDD, SSD 등)에 저장된 정보를 파일과 디렉터리(폴더)의 형태로 저장·관리할 수 있도록 하는 운영체제 내부 프로그램이다.
• 파일 시스템 덕분에, 보조기억장치에 있는 많은 데이터를 파일/디렉터리 형태로 효율적으로 관리할 수 있다.
• 한 운영체제 내에서도 여러 파일 시스템을 사용할 수 있고 파일 시스템이 달라지면 보조기억장치의 정보를 다루는 방법도 달라진다.
  • 예시 1 : Windows + Linux 멀티부팅
    • C: 드라이브 → NTFS (Windows 표준 파일 시스템)
    • D: 드라이브 → exFAT 또는 FAT32 (USB나 외장하드에서 주로 사용)
    • E: 드라이브 → EXT4 (Linux에서 주로 사용)
    • → 이런 식으로 하나의 운영체제(Windows 또는 Linux)가 여러 파일 시스템을 동시에 지원하며 읽고 쓸 수 있음
  • 예시 2 : USB, 외장하드, SD카드 등
    • 내장 SSD/HDD는 NTFS
    • USB 메모리는 FAT32/exFAT
    • 외장하드는 EXT4 등
    • → 각기 다른 파일 시스템이 장치마다 적용되어 있어도, 운영체제가 모두 지원만 하면 동시에 접근 가능

---

파일과 디렉터리

 

 파일 시스템을 이해하기 위해 파일과 디렉터리가 무엇으로 이루어져있고, 보조기억장치에 어떻게 저장되는지 이해해야한다.

 

💡파일

• 파일은 크게 이름, 실행 정보, 부가 정보(속성/메타데이터)로 구성된다.
• 부가 정보(속성/메타데이터)에는 파일의 형식, 위치, 크기, 생성/수정/접근 시간 등 다양한 정보가 포함된다.
• 파일 시스템이 다루는 모든 파일의 조작은 운영체제를 통해 이뤄지므로, 파일을 다루는 시스템 콜을 이용해야 한다.

 

🔎 파일 속성 예시 (stat, 파일 속성 창)

Linux stat 명령어

• Linux의 stat 명령어 또는 Windows 속성창에서 파일의 메타데이터를 확인 가능
  • inode(아이노드) 번호, 권한, 링크 수, 크기, 소유자, 그룹, 접근/수정/변경 시간 등
  • inode는 유닉스 계열 파일 시스템에서 파일의 메타데이터를 저장하는 자료구조

 

💡시스템 콜(System Call)

• 운영체제(OS)의 커널 기능(하드웨어 제어, 파일 접근, 프로세스 관리, 메모리 관리 등)을 사용자 프로그램(일반 애플리케이션)이 직접 사용할 수 없으니, 운영체제에게 특별히 요청하는 함수 호출(인터페이스)입니다.
• 사용자 프로그램은 보안, 안정성, 시스템 보호를 위해 하드웨어 자원(메모리, 파일, 네트워크 등)에 직접 접근할 수 없고 대신 대신 운영체제 커널만이 하드웨어를 직접 제어
• 그래서 “이 파일을 읽고 싶다”, “메모리를 더 할당받고 싶다”, “프로세스를 생성하고 싶다” 등의 요청은 시스템 콜을 통해서만 할 수 있음

 

💡파일 디스크립터(File Descriptor)

 

 프로세스가 시스템 콜을 통해 읽고 쓸 수 있는 10개의 파일을 할당받았다면 프로세스는 할당 받아 사용 중인 파일을 구분할 수 있어야 한다. 이를 위해 프로세스는 파일 디스크립터(File Descriptor)라는 정보를 사용한다. (윈도우에서는 파일 핸들(File Handle)이라고 부른다.)

• 프로세스가 열 수 있는 파일(또는 입출력 자원)을 구분하는 정수 값(식별자)
• 운영체제는 프로세스가 새로 파일을 열거나 생성할 때 해당 파일에 대한 파일 디스크립터를 프로세스에 할당한다. 즉, 각 프로세스는 자신이 열어서 사용하는 파일마다 고유한 디스크립터 번호를 받는다.
• 프로세스는 시스템 콜을 통해 여러 개의 파일을 열 수 있고, 각각의 열린 파일은 파일 디스크립터(정수값)로만 식별된다.

 

🔎 파일 디스크립터(File Descriptor) 예시

 

1. 파일 디스크립터로 파일 열기

int file_descriptor1 = open("example.txt", O_WRONLY);
printf("파일 디스크립터: %d\n", file_descriptor1);

int file_descriptor2 = open("example2.txt", O_WRONLY);
printf("파일 디스크립터: %d\n", file_descriptor2);

int file_descriptor3 = open("example3.txt", O_WRONLY);
printf("파일 디스크립터: %d\n", file_descriptor3);

• open() 시스템 콜로 각각의 파일(example.txt, example2.txt, example3.txt)을 쓰기 모드(O_WRONLY)로 연다.
• open() 함수는 파일이 성공적으로 열리면 해당 파일을 식별할 수 있는 정수값(파일 디스크립터)을 반환
• 예를 들어, file_descriptor1, file_descriptor2, file_descriptor3는 각각 3, 4, 5와 같은 값을 가질 수 있음 (일반적으로 0, 1, 2는 표준 입력/출력/에러에 예약되어 있음)
• 즉, 운영체제 입장에서는 파일 이름이 아니라 이 '번호'로만 파일을 구분함

 

2. 파일 디스크립터로 파일에 쓰기

write(file_descriptor1, text, sizeof(text) - 1);
write(file_descriptor2, text, sizeof(text) - 1);
write(file_descriptor3, text, sizeof(text) - 1);

• write() 시스템 콜은 첫 번째 인자로 파일 디스크립터 번호를 받음
• 즉, 3번 파일에 쓰고 싶으면 write(3, ...), 4번 파일이면 write(4, ...)
• 파일 이름이 아니라 디스크립터 번호로만 파일을 식별

 

3. 파일 닫기

close(file_descriptor1);
close(file_descriptor2);
close(file_descriptor3);

• 파일 작업이 끝나면 반드시 close() 시스템 콜로 파일을 닫아야 함
• 역시 파일 이름이 아니라 디스크립터 번호를 넘겨서 닫음

 

🔎 참고로, 파일 디스크립터는 파일만을 식별하지 않는다!

• 파일뿐 아니라, 표준 입력(키보드), 표준 출력(모니터), 표준 에러(모니터), 파이프, 소켓 등
• 운영체제에서 입출력이 가능한 거의 모든 대상을 "파일 디스크립터"라는 정수값으로 관리
• 표준 파일 디스크립터 번호

파일 디스크립터 번호	용도
0	표준 입력 (stdin, 키보드)
1	표준 출력 (stdout, 모니터)
2	표준 에러 (stderr)

 

 

💡디렉터리

• 운영체제는 여러 파일을 일목요연하게 관리하기 위해 디렉터리(Directory) 구조를 사용한다.
• 윈도우에서는 ‘폴더(folder)’라고 부르며, 계층적(트리 구조)으로 디렉터리가 구성된다.

 

🔎 트리 구조 디렉터리(Tree-structured directory)

트리 구조 디렉터리(Tree-structured directory)

• 트리 구조 디렉터리는 최상위 디렉터리(루트, /)와 그 하위에 여러 서브디렉터리가 포함된 계층적 구조를 가진다.
• 각 디렉터리(폴더)는 파일과 또 다른 하위 디렉터리를 포함할 수 있다.
• 루트 디렉터리에서 시작해, 하위 디렉터리를 계층적으로 연결하여 파일 또는 폴더의 위치를 경로(path)로 표현한다.
  • ex. /home/ann/a.sh → /(루트) 아래 home 디렉터리, 그 안의 ann 디렉터리, 그 하위의 a.sh 파일을 의미
• 트리 구조 덕분에 파일과 폴더를 체계적으로 관리할 수 있고, 각 파일/폴더는 경로로 고유하게 구분된다.

윈도우에서는 보통 드라이브 문자(C:\ 등)가 최상위 디렉터리 역할

 

 

🔎 디렉터리 엔트리(Directory Entry)

 

 여기까지 보았을 때, 파일과 디렉터리가 별개의 것이라고 생각할 수 있지만, 디렉터리는 일종의 '특수 파일'로 내부에 하위 파일/디렉터리의 목록을 엔트리(테이블) 형태로 저장한다.

• 디렉터리 엔트리(Directory Entry)는 디렉터리에 속한 요소의 관련 정보가 포함된 파일이다.
• 디렉터리에 속한 요소의 관련 정보는 테이블(표) 형태로 표현되며, 테이블 형태로 표현된 정보의 행을 디렉터리 엔트리(Directory Entry)라고 한다.
• 디렉터리 엔트리에는 파일/디렉터리 이름과 파일이 저장된 위치 정보(주소, 아이노드 등)가 반드시 포함되어 있다.
• 디렉터리 탐색 시, 디렉터리 엔트리의 이름을 따라 실제 파일/디렉터리 위치(주소)를 찾아간다. 디렉터리 엔트리를 통해 보조기억장치에 저장되어 있는 위치를 알 수 있는 것이다.

 

✅ 디렉터리 엔트리(Directory Entry) 예시

디렉터리 엔트리(Directory Entry)

 

• .. : 상위 디렉터리(부모)를 가리킴
• . : 자기 자신(현재 디렉터리)를 가리킴
• minchul, guest : 각각의 하위 디렉터리(폴더)의 위치를 가리키는 정보

 

---

보조기억장치 내 저장 방식

 

💡파일 할당

 

이번에는 파일과 디렉터리가 어떻게 보조기억장치 안에 저장되는지 알아보자.

• 운영체제는 블록(block) 단위로 파일/디렉터리를 보조기억장치에 저장
• 보통 1블록 = 4096바이트
• 각 파일 시스템마다 파일이 저장되는 방식(할당 방식)이 다르다.

 

💡저장 방식(할당 방식)의 종류

 

1. 연결 할당 (Linked Allocation)

 연결 할당 (Linked Allocation)

• 각 블록이 연결리스트처럼 구성된 형태로, 블록 내부에 다음 블록의 주소가 저장되어있는 형태로 할당하는 방식이다.
• 디렉터리 엔트리에는 첫 번째 블록의 주소와 파일의 길이만 저장
• 파일에 접근할 때는 첫 블록부터 시작해서, 각 블록이 가리키는 주소를 따라가며 모든 데이터를 읽어옴
• 장점 : 파일이 연속된 공간에 저장되지 않아도 됨
• 단점 : 임의 접근(random access)이 느림

 

2. 색인 할당 (Indexed Allocation)

 

색인 할당 (Indexed Allocation)

• 각 파일의 모든 블록 주소를 색인 블록(index block)에 저장
• 색인 블록에 모든 데이터 블록의 번호가 리스트로 저장됨
• 디렉터리 엔트리에는 색인 블록의 주소만 저장
• 장점 : 임의 접근(random access) 용이, 파일 단편화에도 유연
• 단점 : 색인 블록도 별도 공간 필요

---

출처

https://www.hanbit.co.kr/store/books/look.php?p_code=B3079890360

이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접

---

이미지 출처

1) Linux stat 명령어

https://www.geeksforgeeks.org/linux-unix/stat-command-in-linux-with-examples/

Stat command in Linux with examples - GeeksforGeeks

2) 트리 구조 디렉터리

https://wonit.tistory.com/196

[자료 구조] - 트리 자료 구조(1)-기본 트리 용어 및 개념 정리 :: Tree Data Structure.

3) 디렉터리 엔트리

https://velog.io/@thdgusrbek/파일과-디렉터리

파일과 디렉터리

4) 연결 할당, 색인 할당

https://www.youtube.com/watch?v=-wnNn4ILev4&ab_channel=%ED%95%9C%EB%B9%9B%EB%AF%B8%EB%94%94%EC%96%B4