운영체제의 파일 시스템 이해하기

파일을 저장하고 다시 여는 일은 너무 익숙해서 그 안의 구조를 의식하기 어렵다. 하지만 파일 하나를 읽는 동안에도 운영체제는 권한을 확인하고 디스크의 블록을 찾으며 현재 위치를 관리한다. 익숙한 동작을 파일 시스템 안쪽에서부터 다시 살펴봤다.

파일

연속된 바이트의 집합으로 표현되며,데이터를 영구적으로 저장하기 위한 논리적 단위이다. 컴퓨터에서 사용하는 모든 정보(문서, 프로그램, 이미지, 동영상)는 파일로 저장된다.

파일 작업

파일에 수행할 수 있는 다양한 동작을 의미한다. 생성(create), 삭제(delete), 읽기(read), 쓰기(write), 재명명(rename), 이동(move), 수정(modify) 등이 있다.

파일 열기

파일을 사용하기 위한 여는 동작은 해당 파일의 정보와 내용에 접근하기 위한 준비과정이다.

파일 포인터

현재 파일에서의 위치(Offset)를 나타낸다. 파일을 순차적으로 읽거나 쓸 때마다 파일 포인터는 그 위치를 업데이트하여 다음에 접근할 위치를 나타낸다.

파일 오픈 횟수

특정 파일이 몇 번 열렸는지를 나타내는 카운터이다. 파일을 여러 프로세스나 스레드에서 동시에 열 수 있기 때문에 일부 운영체제는 파일을 동시에 여는 것을 제한한다.

디스크 위치

파일이 실제로 저장되어 있는 디스크의 물리적 위치를 나타내며, 운영체제와 파일 시스템은 이 정보를 통해 파일의 데이터 블록에 접근한다. 디스크 위치는 일반적으로 사용자나 애플리케이션에 직접 노출되지 않는다.

접근 권한

파일을 열 때 해당 파일에 대한 권한을 검사한다. 권한은 일반적으로 읽기, 쓰기, 실행 등의 형태로 제공되며, 사용자 별로 다른 접근 권한을 설정할 수 있다.

파일 유형

파일은 그 용도와 특성에 따라 다양한 유형이 있으며, 특정 유형의 파일을 처리하기 위한 다양한 프로그램이 있다.

실행 가능한 오브젝트

실행 가능한 프로그램 또는 커맨드로 변환된 소스 코드를 포함한다.

소스 코드

프로그램의 원시 코드를 포함하며, 일반적으로 텍스트 형식이다.

아카이브

여러 개의 파일이나 디렉터리를 하나의 파일로 묶은 것이다.

이미지

그래픽 데이터를 포함하며, 디지털 사진, 아트워크, 그래픽 디자인 등 다양한 형태의 시각적 정보를 저장한다.

파일 접근

파일 내의 데이터에 접근하는 방식으로, 사용하는 파일의 유형이나 목적에 따라 적절한 접근 방법을 선택해야 한다.

순차적 접근

파일의 시작부터 끝까지 데이터를 순서대로 읽거나 쓰는 방식이다. 특정 위치에 접근하려면 그 위치에 도달할 때까지 파일을 순차적으로 읽거나 건너뛰어야 한다.

직접 접근

파일의 특정 위치에 즉시 접근하여 데이터를 읽거나 쓰는 방식이다. 파일 내의 임의의 위치에 빠르게 접근할 수 있기 때문에 효율적인 데이터 검색이 가능하다.

디스크

데이터를 저장하는 물리적 장치로, 보통 HDD(Hard Disk Drive)나 SSD(Solid State Drive)와 같은 형태이다. 운영체제에 따라 다양한 파일 시스템(NTFS, ext4, APFS)으로 포맷될 수 있다.

HDD(Hard Disk Drive)

회전하는 플래터에 데이터를 저장하며, 헤드를 사용하여 데이터에 접근한다. 움직이는 부품이 있는 물리적인 구조 때문에 SSD에 비해 상대적으로 느리며 충격에 민감할 수 있다.

SSD(Solid State Drive)

플래시 메모리를 사용하여 데이터를 저장하는 방식이다. 움직이는 부품이 없어 HDD보다 상대적으로 속도가 빠르며 물리적인 충격에 덜 민감하다.

파티션

단일 물리적 디스크를 여러 개의 독립적인 부분으로 분할하는 것으로, 각 파티션은 마치 독립된 디스크처럼 동작한다.

파일 시스템

파티션을 포맷할 때 특정 파일 시스템으로 설정하게 되며, 이를 통해 운영체제는 해당 파티션에 데이터를 저장하거나 접근할 수 있다.

데이터 영역

사용자 데이터(파일, 디렉터리)와 파일 시스템의 메타데이터가 저장되는 부분으로, 파일 시스템의 유형에 따라 내부 구조와 관리 방식이 다를 수 있다.

스왑 영역

컴퓨터의 RAM이 가득 찼을 때 사용되는 디스크의 일부 영역으로, RAM에서 사용되지 않는 데이터나 프로세스를 임시로 저장하여 RAM을 확보하는 역할을 한다.

원시 모드 데이터 장치

파일 시스템 없이 디스크나 파티션에 직접 데이터를 읽거나 쓸 수 있도록 하는 인터페이스이다.

파일 시스템

데이터를 구조화하고, 물리적인 저장 공간을 관리하며, 사용자와 프로그램 간의 인터페이스 역할을 한다. 특정 운영 체제에 최적화되어 있는 여러 유형의 파일 시스템이 있으며, NTFS(Windows), ext4(Linux), APFS(macOS), FAT32, exFAT 등이 있다.

파일 시스템 구조

다양한 파일 시스템마다 구조와 구현 방식이 조금씩 다를 수 있지만, 대부분의 파일 시스템은 일련의 공통된 기본 구성 요소를 가지고 있다.

부트 블록(Bood Block)

파일 시스템의 가장 처음 영역에 위치하여 운영체제를 로드하기 위해 실행되는 첫 번째 코드를 저장한다. 시스템 부팅 시 필요한 초기화 코드, 부트로더 코드를 포함한다.

슈퍼 블록(Super Block)

파일 시스템의 전반적인 정보를 담고 있는 구조이다. 파일 시스템의 크기, 블록의 크기, 사용 가능한 블록의 수, 사용 중인 블록의 수, 파일 시스템의 마운트 상태 등의 정보를 포함한다.

인덱스 노드(Inode)

파일이나 디렉터리의 메타데이터를 저장하는 데이터 구조이다. 메타데이터에는 파일의 크기, 타임스탬프(생성일, 수정일), 권한, 파일의 데이터 블록 위치 등의 정보가 포함된다.

데이터 블록(Data Block)

실제 파일 데이터는 데이터 블록에 저장된다. 파일 시스템은 이 블록들을 관리하여 파일 데이터를 저장하거나 검색한다.

저널링(Journaling) 예기치 않은 시스템 중단이 발생할 경우, 저널을 사용하여 파일 시스템을 빠르게 복구할 수 있는 기능이다.

파일 시스템 마운팅과 구현

저장 장치나 파티션의 파일 시스템을 운영 체제에 연결하여 사용 가능하게 만드는 과정이다.

마운트 포인트

마운트는 특정 디렉터리에 연결되며, 이 디렉터리를 마운트 포인트라고 한다. 사용자는 이 디렉터리를 통해 마운트된 파일 시스템에 접근한다.

파일 시스템 구현

주로 커널 내부에서 이루어지며 데이터의 영구 저장과 효율적인 접근 방법들을 제공한다.

파일 제어 블록(File Control Block, FCB)

Inode라고도 불리며, 파일의 여러 가지 속성과 메타데이터를 저장하는 중요한 구조체이다. 이러한 정보는 파일을 관리하고, 접근 제어, 데이터 블록 위치 조회, 파일 연산 수행 등의 작업을 수행할 때 필요하다.

파일 식별자

파일을 식별하기 위한 인덱스로, UNIX 시스템에서는 이를 Inode 번호로 참조한다.

파일의 크기

파일에 저장된 데이터의 총 바이트 수이다.

파일의 위치

파일 데이터 블록의 위치나, 데이터 블록에 대한 포인터를 포함한다.

접근 권한

파일에 대한 읽기, 쓰기, 실행 권한 등의 정보로, UNIX 시스템에서는 사용자, 그룹, 기타 세 가지 카테고리로 나누어 권한을 관리한다.

타임스탬프

파일의 생성 시간, 최종 수정 시간, 마지막 접근 시간 등의 시간 관련 정보이다.

소유자 및 그룹 정보

파일의 소유자와 관련 그룹을 나타내는 정보이다.

링크 수

UNIX 시스템에서, 하나의 파일을 참조하는 하드 링크의 수를 나타낸다.

파일 사용

읽기, 쓰기와 같이 디스크에 저장된 데이터에 접근하고 수정하는 주요 동작들이 있다.

파일 열기

FCB와 같은 파일의 메타데이터를 조회하여 파일을 열고 파일 사용을 시작한다.

파일 읽기

파일에서 데이터를 가져와 메모리에 로드하는 과정으로, 파일 디스크립터를 사용하여 파일의 현재 위치에서 읽기를 시작하고 읽은 데이터는 버퍼에 저장된다. 읽기가 완료된 후, 파일의 포인터는 읽은 바이트 수만큼 이동하고, 파일의 끝에 도달하거나 요청된 바이트 수를 읽을 때까지 계속된다.

파일 쓰기

메모리의 데이터를 파일에 기록하는 과정으로, 파일의 현재 위치에 쓰기 시작하며 파일의 포인터는 기록된 바이트 수만큼 이동한다. 파일이 일정 크기로 제한되어 있지 않은 경우, 쓰기 연산은 파일의 크기를 늘릴 수 있다.

파일 닫기

작업이 끝나면 파일이 닫혀야 하며, 이 과정에서 파일에 대한 모든 리소스를 해제하고 열려있는 파일 목록에서 해당 파일을 제거한다.

디렉터리

디렉터리는 파일과 다른 디렉터리의 이름 및 위치 정보를 저장하는 데이터 구조로, 파일과 폴더를 조직화한다.

디렉터리 구성

디렉터리는 '이름-값' 쌍의 목록 형태로 구성되어 있다. '이름'은 파일 또는 하위 디렉터리의 이름이며, '값'은 파일의 메타데이터를 가리키는 포인터나 Inode 번호와 같은 식별자이다.

디렉터리 검색

디렉터리 항목을 처음부터 끝까지 순차적으로 검색하는 '선행 검색' 방법이 있다. 파일 이름을 해싱하여 디렉터리 내의 특정 위치를 직접 찾는 '해시 검색' 방법이 있다.

경로명 해석

운영체제는 디렉터리 경로를 사용하여 파일을 찾는다. 루트 디렉터리부터 시작하는 절대 경로(/home/user/documents/file.txt)와 현재 위치를 기준으로 한 상대 경로가(./documents/file.txt)가 있다.

가상 파일 시스템(Virtual File System, VFS)

커널에 포함된 추상화 레이어로서 다양한 종류의 파일 시스템을 단일 인터페이스 아래에 통합한다. 사용자와 프로그램은 실제 파일 시스템의 종류나 특성에 관계없이 일관된 방식으로 파일과 디렉터리에 접근할 수 있다.

추상화

다양한 파일 시스템에 대해 일반적인 인터페이스를 제공하여 운영 체제가 동일한 방식으로 처리할 수 있다.

동적 마운팅

VFS를 통해 운영 체제는 새로운 파일 시스템을 동적으로 인식하고 마운트할 수 있다.

파일 할당 방법

데이터의 효율성, 성능, 디스크 공간 활용 등의 측면을 고려하여, 디스크에 파일을 어떻게 저장할 것인지 결정하는 방식이다.

연속 할당(Contiguous Allocation)

각 파일을 디스크의 연속적인 블록들에 할당한다. 빠른 접근 속도와 간단한 구현과 같은 장점들이 있지만 디스크 조각화가 발생할 수 있고 파일 크기 변경에 어려움이 있다.

연결 할당(Linked Allocation)

파일을 여러 개의 블록으로 나누고 각 블록은 다음 블록을 가리키는 링크 정보를 포함한다. 디스크 공간을 효율적으로 활용할 수 있고 파일 크기를 변경하기 용이하지만, 접근 속도가 저하되고 링크의 손상 가능성이 있다.

인덱스 할당 (Indexed Allocation)

'인덱스 블록'을 사용하여 파일의 각 데이터 블록에 대한 포인터를 저장한다. 접근 속도가 향상하고 디스크 공간을 효율적을 활용할 수 있지만, 작은 파일에 대한 오버헤드와 인덱스 블록 크기의 제한으로 큰 파일에 대한 제약이 있다. 더 큰 파일을 효과적으로 관리하기 위해, 인덱스 블록이 다른 인덱스 블록을 가리킬 수 있는 다중 인덱스 할당(Multilevel Index Allocation) 방식이 있다.

연결-인덱스 혼합 할당(Combined Allocation)

연결 할당과 인덱스 할당의 장점을 결합한 방식으로 UNIX의 Inode 구조가 이 방식을 사용한다. 일정 크기 이하의 파일은 직접 블록 포인터로 관리되며, 더 큰 파일은 간접 블록 포인터를 통해 관리됩니다.

자유 공간 관리

파일 시스템 내에서 사용되지 않는 디스크 공간을 효과적으로 추적하고 관리하는 메커니즘이다.

비트맵(Bitmap)

디스크의 각 블록에 대해 비트 하나를 사용하여 블록의 상태를 나타낸다. 직접적이며 원하는 크기의 연속된 블록을 찾기 쉽지만, 비트맵 자체가 크기가 크면 메모리 소모가 크며 디스크 전체를 스캔해야 할 수도 있다.

연결 목록(Linked List)

사용되지 않는 블록을 연결 목록으로 관리하여 각 블록은 다음 빈 블록을 가리키는 포인터를 포함한다. 간단하게 구현할 수 있지만, 무작위로 빈 블록을 찾는 것이 느릴 수 있다.

그룹화(Grouping)

첫 번째 블록이 여러 개의 빈 블록을 가리키는 '자유 블록 그룹'을 형성한다. 연속적인 공간을 빠르게 찾을 수 있지만, 초기 할당 또는 빈 블록 그룹 재구성에 시간이 걸릴 수 있다.

카운팅(Counting)

연속된 여러 블록의 자유 공간을 나타내기 위해 시작 블록과 연속된 블록의 수를 함께 저장한다. 연속된 블록을 효율적으로 표현할 수 있지만, 비연속적인 블록의 관리가 복잡해질 수 있다.

디스크 스케줄링

디스크 I/O 요청을 처리하기 위한 전략이나 알고리즘으로, 디스크 헤드의 움직임을 최소화하고 I/O 연산의 전반적인 효율성과 반응 시간을 개선한다.

FCFS (First Come, First Served)

요청이 도착한 순서대로 처리된다. 불필요한 헤드 움직임이 많이 발생할 수 있다.

SSTF (Shortest Seek Time First)

현재 헤드 위치에서 가장 가까운 요청을 먼저 처리한다. 주변의 요청만 계속 처리되어 멀리 있는 요청이 오랫동안 대기하는 '기아' 현상이 발생할 수 있다.

SCAN (Elevator Algorithm)

헤드는 한 방향으로 움직이면서 요청을 처리하고, 끝에 도달하면 반대 방향으로 움직인다. 헤드의 움직임이 엘리베이터의 움직임과 유사하기 때문에 '엘리베이터 알고리즘'이라고도 불린다.

C-SCAN (Circular SCAN)

SCAN과 유사하지만, 한쪽 끝에 도달하면 헤드는 반대쪽 끝으로 빠르게 이동하고 다시 스캔을 시작한다. 모든 요청에 대해 더 공평한 대기 시간을 제공한다.

LOOK & C-LOOK

SCAN 및 C-SCAN과 유사하지만, 헤드는 대기 중인 요청이 더 이상 없을 때만 방향을 변경하거나 반대쪽 끝으로 빠르게 이동한다.