File and File system

• File
  • 파일: 하드디스크에 저장하는 정보의 단위. A named collection of related information
  • 메모리: 주소를 통해 접근하는 장치.
  • 반면 파일은 이름을 통해 접근하는 정보 단위. 관련 정보를 이름을 가지고서 저장한다.
  • 파일은 일반적으로 비휘발성의 보조 기억 장치에 저장.
  • 데이터 저장 용도뿐만 아니라 리눅스같은 시스템에서는 장치들을 관리하기 위해서도 다양한 저장 장치를 file이라는 동일한 논리적 단위로 볼 수 있게 해준다. 이런 것들을 device special file
• 파일 연산은 어떤 것들이 있나?
  • Create, delete: 파일 생성/삭제
  • read, write: 읽고 쓰고
  • reposition(lseek): 파일을 읽거나 쓸 때 어느 위치부터 읽는지를 찾는. 파일 위치 가리키는 포인터부터 읽는다.
    • 대개는 파일 처음 읽으면 시작부분부터 읽음. 근데 다음번에 또 이 파일을 읽으면 그때는 처음부터가 아니라 이전에 읽었던 데부터 읽어. 이 위치를 찾는게 reposition. 파일 위치 가리키는 포인터가 그 다음 위치로 자동으로 이동해.
    • 시작 부분이 아니라 다른 부분부터 읽거나 쓰고 싶을 때 파일 위치를 수정해주는 연산.
  • open, close: 파일을 열고 닫고.
    • read/write를 하려면 그전에 반드시 open하고 read/write이 끝나면 반드시 close해줘야!
• File attribute(파일의 메타데이터)
  • 파일 자체 내용이 아니라 파일 관리하기 위한 각종 정보들
    • 파일 이름, 유형, 저장 위치, 파일 사이즈 등
    • 접근 권한(읽기/쓰기/실행), 시간, 소유자 등
• 파일 시스템
  • 운영체제에서 파일을 관리하는 부분
  • 파일 및 파일 메타데이터, 디렉토리 정보도 관리
  • 파일의 저장 방법 결정 - 어떻게 저장하고 관리할지 등
  • 파일 보호

Directory and Logical Disk

• 디렉토리: 하나의 파일.
  • 파일의 메타데이터 중 일부를 보관하고 있는 일종의 특별한 파일.
  • 그 디렉토리에 속한 파일 이름 및 파일 attribute들
  • Operation
    • search for a file(파일 찾고), create a file(생성), delete a file
    • list a directory, rename a file, traverse the file system(파일 시스템 전체를 탐색하는 연산도 있음)
• 파티션(=논리 디스크)
  • 운영체제가 보는 건 논리 디스크를 본다. 다른 말로 파티션.
  • 하나의 물리적 디스크 안에 여러 파티션을 두는 게 일반적
  • 여러 개의 물리적인 디스크를 하나의 파티션으로 구성
  • 물리 디스크를 파티션으로 구성한 뒤 각 파티션에 file system을 깔거나 swapping 용도로 쓴다.

open()

• open() retrieves metadata from disk to main memory

  • 파일의 메타데이터를 메인 메모리로 올려놓는 것!

    

  • 논리 디스크 안에 파일 시스템 있으면 메타 데이터도 저장되어 있고 파일 정보도 저장되어 있음.

  • 메타데이터에는 파일 정보 위치를 가리키는 포인터도 있음. 이게 메모리로 올라간다 by open()

• open(”/a/b/c”): 디스크로부터 파일 c(파일 c는 디렉토리 /a/b에 있음)의 메타데이터를 메모리로 가져온다.

• 이를 위해 directory path를 search한다.

  • 루트 디렉토리 “/”를 open하고 그 안에서 파일 “a”의 위치를 획득

    <aside> 💡 주의! 디렉토리도 파일이다!

    </aside>

  • 파일 “a”를 open 후 read해 그 안에서 파일 “b”의 위치 획득

  • 파일 “b”를 open 후 read해 그 안에서 파일 “c”의 위치 획득

  • 파일 “c”를 open한다.

• 파일 open()하는 과정

  

  1. 사용자 프로세스에서 시스템 콜을 한다 → open(”/a/b”). open()은 시스템 콜이므로 cpu 제어권이 운영체제로 넘어간다.
  2. 운영체제 내에는 각 프로세스를 관리하기 위한 자료구조인 PCB와 현재 오픈한 파일이 어떤 건지 전역적으로 관리하는 테이블(Open file table)이 존재한다.
     • open()을 실행하면 가장 먼저 접근하는 게 root 디렉토리. root 디렉토리의 메타데이터는 처음부터 알려져 있다. 운영체제는 이를 이미 알고 있음.
  3. 운영체제가 root 디렉토리의 메타데이터를 먼저 메모리에 올린다. 이때 root 파일을 open한다.
     • 메타데이터에는 파일의 위치 정보가 존재함.
  4. root 메타데이터에는 root contents 위치정보가 들어있음. 여기로 접근해 root 디렉토리 파일의 contents를 찾는다.
     • root는 디렉토리 파일이다. 파일 내부에는 디렉토리 안에 들어있는 파일들의 메타데이터를 보관하고 있다.
     • 이때 메타데이터에는 content 위치에 대한 포인터를 들고 있지 실제 파일을 들고 있지 않음.
     • root 디렉토리 내용에 가면 a라는 파일의 메타데이터가 들어있는 것!
  5. 이 a 메타데이터를 디스크로부터 읽어서 메모리에 올린다. 이제 a의 메타데이터는 메모리에 올라와 있다.
     • 파일 시스템 내에서 a 파일 콘텐츠의 위치 정보가 들어있겠지.
  6. a 메타 데이터 정보를 통해 a content 위치에 접근한다. 여기서 b의 메타데이터를 찾는다.
  7. b 메타데이터를 메모리에 올린다.

  ⇒ 여기까지 오면 open(”/a/b”) 가 끝난다.

  디렉토리 끝에 있는 최종 타겟 파일을 메모리에 올리는 작업이 open()!

  1. open()은 시스템 콜로, 결과값을 반환해준다. 각 프로세스마다 그 프로세스가 오픈한 파일에 대한 메타데이터 포인터를 갖고 있는 배열이 PCB 내에 들어있는데, 이것이 파일 디스크립터 테이블(fd table)!
     • open()을 통해 메모리에 올린 b의 메타데이터 주소값을 가리키는 포인터가 fd 테이블 내에 들어간다.
     • 테이블 내 몇 번째 인덱스에 b의 메타데이터 주소값이 들어가있냐! 이 인덱스 값이 바로 fd이다.
  2. 얘가 open()에 대한 return 값이다.
     • 우리는 b를 open했기 때문에 fd를 통해 fd 테이블에 접근해 곧바로 b의 메타데이터가 들어있는 메모리 내 주소값으로 이동 가능하다. (루트 디렉토리부터 다시 1~7 과정을 반복할 필요가 없다.)
     • 이 fd로 read/write 요청이 가능하다!

• 파일 read?

  

  1. 인자로 fd를 넣어서 read()를 실행한다.
     • 곧바로 b의 메타데이터로부터 b의 content 위치에 접근한다.
  2. read에서 인자로 넣어준 용량만큼 디스크에서 메모리로 읽어온다.
  3. 사용자 프로세스한테 읽어온 파일을 다이렉트로 전달하지 않는다.
     • 운영체제가 자신의 메모리 공간 일부에 먼저 읽어놓는다.
  4. 그 다음에 사용자 프로그램한테 내용을 카피해서 전달해준다.

  if 이 프로그램 혹은 다른 프로그램에서 동일 파일을 읽으려고 하면?

  ⇒ 다시 디스크에 방문하지 않고 커널에 올려놓은 파일을 사용자 프로세스에 복사한다!!

  이것이 바로 버퍼 캐싱!(buffer caching)!

• VM에서 페이징 기법: 이미 메모리에 올라온 페이지에 대해서는 중간에 운영체제가 끼어들지 못함. 하드웨어 단에서 주소변환해서 바로 접근. 페이지 fault뜨면 그제서야 cpu 제어권이 운영체제로 넘어와서 스왑 영역에서 해당 페이지 읽어오고 하는 작업을 했음.

• 파일에 대한 read/write하는 시스템에서는 운영체제가 버퍼 캐시를 갖고 있음.

• 파일 시스템에서 버퍼 캐시: 요청한 내용이 버퍼 캐시 안에 있든/없든 간에 운영체제한테 cpu 제어권이 넘어가게 된다.