11. 파일 시스템 구현

Allocation of File Data in Disk

• Contiguous Allocation
• Linked Allocation
• Indexed Allocation

Contiguous Allocation

• 단점
  • external fragmentation
  • File grow가 어려움
    • file 생성시 얼마나 큰 hole을 배당할 것인가?
    • grow 가능 vs 낭비 (internal fragmentation)
• 장점
  • Fast I/O
    • 한번의 seek/rotation으로 많은 바이트 transfer
    • Realtime file 용으로, 또는 이미 run 중이던 process의 swapping 용
  • Direct access(=random access)가능

Linked Allocation

• 장점
  • external fragmentation 발생 X
• 단점
  • No random access
  • Reliability 문제
    • 한 sector가 고장나 pointer가 유실되면 많은 부분을 잃음
  • Pointer를 위한 공간이 block의 일부가 되어 공간 효율성을 떨어뜨림
    • 512 bytes/sector, 4 bytes/pointer
• 변형
  • File-allocation table(FAT) 파일 시스템
    • 포인터를 별도의 위치에 보관하여 reliability와 공간효율성 문제 해결

Indexed Allocation

• 장점
  • External fragmentation이 발생하지 않음
  • Direct access 가능
• 단점
  • Small file의 경우 공간 낭비 (실제로 많은 file들이 small)
  • Too Large file의 경우 하나의 block으로 index를 저장하기에 부족
    • 해결방안
      1. linked scheme
      2. multi-level index

UNIX 파일 시스템의 구조

• 유닉스 파일 시스템의 중요 개념
  • Boot block
    • 부팅에 필요한 정보
  • Superblock
    • 파일 시스템에 관한 총체적인 정보를 담고있다.
  • Inode
    • 파일 이름을 제외한 파일의 모든 메타 데이터를 저장
  • Data block
    • 파일의 실제 내용을 보관

FAT File System

• Boot block
• FAT
  • 데이터 위치를 저장
• Root directory
• Data block

Free-Space Management

• Bit map or bit vector
  • Bit map은 부가적인 공간을 필요로 함
  • 연속적인 n개의 free block을 찾는데 효과적
• Linked list
  • 모든 free block들을 링크로 연결
  • 연속적인 가용공간을 찾는 것은 쉽지 않다
  • 공간의 낭비가 없다
• Grouping
  • linked list 방법의 변형
  • 첫번째 free block이 n개의 pointer를 가짐
    • n-1 pointer는 free data block을 가리킴
    • 마지막 pointer가 가리키는 block은 또 다시 n pointer를 가짐
• Counting
  • 프로그램들이 종종 여러 개의 연속적이 block을 할당하고 반납한다는 성질에 착안
  • (first free block, # of contiguous free blocks)을 유지

Directory Implementation

• Linear list
  • <file name, file의 metadata>의 list
  • 구현이 간단
  • 디렉토리 내에 파일이 있는지 찾기 위해서는 linear search 필요(time-consuming)
• Hash Table
  • linear list + hashing
  • Hash table은 file name을 이 파일의 linear list의 위치로 바꾸어줌
  • search time을 없앰
  • Collision 발생 가능
• File의 metadata의 보관 위치
  • 디렉토리 내에 직접 보관
  • 디렉토리에는 포인터를 두고 다른 곳에 보관
    • inode, FAT 등
• Long file name의 지원
  • <file name, file의 metadata>의 list에서 각 entry는 일반적으로 고정크기
  • file name이 고정 크기의 entry 길이보다 길어지는 경우 entry의 마지막 부분에 이름의 뒷부분이 위치한 곳의 포인터를 두는 방법
  • 이름의 나머지 부분은 동일한 directory file의 일부에 존재

VFS and NF

• Virtual File System (VFS)
  • 서로 다른 다양한 file system에 대해 동일한 시스템 콜 인터페이스 (API)를 통해 접근할 수 있게 해주는 OS의 layer
• Network File System (NFS)
  • 분산 시스템에서는 네트워크를 통해 파일이 공유될 수 있음
  • NFS는 분산 환경에서의 대표적인 파일 공유 방법임

Page Cache and Buffer Cache

• Page Cache
  • Virtual memory의 paging system에서 사용하는 page frame을 caching의 관점에서 설명하는 용어
  • Memory-Mapped I/O를 쓰는 경우 file의 I/O에서도 page cache 사용
• Memory-Mapped I/O
  • File의 일부를 virtual memory에 mapping시킴
  • 매핑시킨 영역에 대한 메모리 접근 연산은 파일의 입출력을 수행하게 함
• Buffer Cache
  • 파일시스템을 통한 I/O 연산은 메모리의 특정 영역인 buffer cache 사용
  • File 사용의 locality 활용
  • 모든 프로세스가 공용으로 사용
  • Replacement algorithm 필요 (LRU, LFU 등)
• Unified Buffer Cache
  • 최근의 OS에서는 기존의 buffer cache 가 page cache에 통합됨