📚 파일 시스템

파일 시스템 이란, 보조 기억 장치의 정보를 파일 및 디렉터리의 형태로 저장하고 관리할 수 있도록 하는 운영체제 내부 프로그램
파일 시스템 덕분에, 보조기억 장치에 있는 수많은 정보의 덩어리를 파일과 디렉터리의 형태로 저장하고 관리할 수 있다.
한 운영체제 내에서 여러 파일 시스템을 사용 할 수 있고, 파일 시스템이 달라지면 보조기억장치의 정보를 다루는 방법도 달라진다.

✅ 파일과 디렉터리

파일 시스템을 이해하려면, 파일과 디렉터리가 보조기억장치에 어떻게 저장될 수 있는지 이해해야 한다.

📌 파일

파일은 파일의 이름, 파일을 실행하기 위한 정보, 파일과 관련한 부가 정보로 구성되어 있다.
여기서 파일과 관련한 부가 정보를 속성 혹은 메타데이터 라고 부른다.
여기에는, 파일의 형식, 위치, 크기등 이 포함된다.
이러한 파일을 다루는 모든 작업은 운영체제에 의해서 이뤄진다.
즉, 응용 프로그램은 임의로 파일을 할당받아 조작하고 저장할 수 없고, 파일을 다루는 시스템 콜을 이용해야 한다.

프로세스가 시스템 콜을 통해 읽고 쓸 수 있는 10개의 파일을 할당 받았다면, 프로세스는 할당을 받아 사용중인 파일을 구분할 수 있어야 한다.
이를 위해 프로세스는 파일 디스크립터 (윈도우는 파일 핸들) 정보를 사용합니다.
운영체제는 프로세스가 새로 파일을 열거나 생성할 때, 해당 파일에 대한 파일 디스크립터를 프로세스에 할당합니다

파일 디스크립터 관련 글
정리가 잘되어 있는 포스팅이 있어, 링크를 통해 소개 드립니다.
파일 디스크립터는 파일만 식별하지 않는다
파일 디스크립터는, 파일 뿐만 아니라, 입출력 장치, 파이프, 소켓 또한 식별합니다.

📌 디렉터리

리눅스 기준으로 설명됩니다.

운영체제는 파일을 일목요연하게 관리하기 위해 디렉터리를 이용합니다.
윈도우는 폴더라고 부릅니다.
디렉터리는 트리 구조로 관리됩니다.

여기서 최상위 노드에 있는 디렉터리를 루트 디렉터리 라고 한다.
- 흔히, 슬래시(/) 로 표현
슬래시는 디렉터리를 구분하는 구분자로도 사용된다.
위 사진에서, bin 폴더와 pi 폴더는, /bin, /home/pi 로 표현할 수 있다.
이렇게 디렉터리 정보를 활용해 파일 위치를 특정하는 정보를 경로라고 한다.

파일과 디렉터리는 별개인가?
그렇지 않고, 디렉터리를 조금 특별한 파일로 간주합니다.
디럭터리에 속한 요소의 관련 정보가 테이블의 형태로 표현되고, 테이블 형태로 표현된 정보의 행 하나 하나를 디렉터리 엔트리라고 한다.
디렉터리 엔트리에는 파일의 이름과 파일이 저장된 위치를 유추할 수 있는 정보가 반드시 포함되어 있어야 한다.

✅ 파일 할당

파일과 디렉터리는 어떻게 보조기억장치에 저장되는지 확인해보자.

📌 읽고 쓰는 단위

운영체네는 파일과 디렉터리를 블록이라는 단위로 읽고 쓴다.
하나의 파일이 보조기억장치에 저장될 때는 하나 이상의 블록을 할당받아 저장된다.
보통 블럭은 4096바이트 정도이다.

파일 시스템에 따라, 파일 및 디렉터리를 어떤 번호의 블록에 어떻게 할당하는지 다를 수 있다.
연결 할당, 색인 할당 등이 있다.

📌 연결 할당

연결 할당 방법은, 각 블록의 일부에 다음 블록의 주소를 저장하여 각각의 블록이 다름 블록을 가르키는 형태로 할당하는 방법이다.
Linked List 자료구조를 생각하면 된다.

📌 색인 할당

색인 할당 방식은, 파일을 이루는 모든 블록의 주소를 색인 블록이라는 특별한 블록에 모아 관리하는 할당 방식이다.
색인 할당을 사용하는 파일 시스템에서는 디렉터리 엔트리에 파일 이름과 함께 색인 블록 주소를 명시한다.

✅ 파일 시스템

파일 시스템은 다양하고, 운영체제마다 각기 다른 파일 시스템을 지원한다.
같은 운영체제라도 다른 파일 시스템을 사용하거나 하나의 컴퓨터에서 여러 파일 시스템을 사용할 수 있습니다.

파티셔닝
하나의 보조기억 장치 내에는 다양한 종류의 파일 시스템이 사용될 수 있다.
그렇게 되려면 보조기억장치 내에 파일 시스템을 적용할 영역이 구분되어야 한다.
이때, 영역을 구획하는 작업을 파티셔닝이라고 한다.
다양한 파일 시스템 중 어떤 파일 시스템을 사용할지는 보조 기억 장치를 포매팅 할때 결정합니다.
포매팅
포매팅은, 파일 시스템을 설정하여 어떤 방식으로 파일을 저장하고 관리할 것인지를 결정하고, 새로운 데이터를 쓸 준비를 하는 작업
흔히 말하는 포멧 작업 - USB 메모리를 포멧할때, 리눅스 운영체제를 설치하는 과정에서, 각각 어떤 파일 시스템을 고를것인지 선택할 수 있다.
파일 시스템의 종류
각 운영체제별로 지원하는 파일 시스템의 종류는 정말 다양하다.
대표적으로 아래와 같은 종류가 있다.
윈도우 : NT 파일 시스템(NTFS), Resilient File System(ReFS)
리눅스 : EXT, EXT2, EXT3, EXT4, XFS, ZFS 등
맥OS : APFS
이중 리눅스 계열의 파일 시스템(EXT, XFS 등)은 개발자가 자주 접하게 될 텐데, 아이노드라는 색인 블록을 기반으로 파일을 할당합니다.

📌 아이노드 기반 파일 시스템

아이노드 기반 파일 시스템에서는 파일마다 각각의 아이노드를 가지고 있다.
아이노드는, 파일이 저장된 위치와 속성 등 사실상 파일의 모든 것이 담겨 있다. (파일의 이름 제외)
아이노드 기반 파일시스템을 사용하는 맥OS 나 리눅스 운영체제의 경우, ls -li 명령어를 통해 확인할 수 있다.

ubuntu@ip-10-0-1-85:~$ ls -li total 8 263266 drwxr-xr-x 7 root root 4096 Jul 3 00:32 server 262601 drwxr-xr-x 2 999 ubuntu 4096 Jul 3 00:32 slowlogs

EXT4 파일 시스템을 통해, 아이노드 기반 파일 시스템의 구성을 살펴보자.

📌 `EXT4` 파일 시스템

EXT4는 아이노드 기반의 색인 할당 방식으로, 위에 소개한 것 처럼, 블록으로 나눠 구성한다.

부트 블록 하나와, 블록 그룹들로 나눠져 있다.
부트 블록에는, 부팅과 파티션 관리를 위한 특별한 정보가 모여있는 영역이다
각 블록 그룹은, 슈퍼 블록, 그룹 식별자, 블록 비트맵, 아이노드 비트맵, 아이노드 테이블, 데이터 블록 으로 구성되어있다

아이노드는 보는 것 처럼, 파티션 내, 특정 영역에 모여 있게 된다.
즉, 아이노드 기반 파일 시스템에서는 데이터 영역에 공간이 남아 있더라도, 아이노드 영역이 가득 차 더 이상의 아이노드를 할당할 수 없다면 운영체제는 새로운 파일을 생성할 수 없게 된다.

블록 하나에는 하나의 파일만 들어가나요?
정확하게는 블록의 데이터 블록에는 하나의 파일의 일부만 저장되게 됩니다.
쪼개진 데이터는 아이노드 테이블의 블록 포인터 정보를 통해 확인할 수 있다.

📌 하드 링크와 심볼릭 링크

이 아이노드 시스템을 잘 이용하면 다음과 같은 링크 파일을 만들 수 있다.
하드 링크 파일: 원본 파일과 같은 아이노드를 공유하는 파일
심볼릭 링크 파일 : 원본 파일을 가르키는 파일
하드 링크 파일은, 같은 아이노드 번호를 갖는 파일을 생성하는 작업이므로, 하드 링크 파일과 원본 파일은 같은 파일 데이터를 공유하며, 하드 링크 파일 수정 시 원본 파일도 변경된다.
심볼릭 링크 파일은, 파일 데이터를 공유하지 않고, 원본 파일의 위치만을 저장하기 때문에, 원본 파일에 영향을 끼치지는 않는다.
윈도우의 바로가기 기능과 동일

📌 마운트

마운트는, 어떤 저장장치의 파일 시스템에서 다른 저장장치의 파일시스템으로 접근할 수 있도록 파일 시스템에 편입시키는 작업을 의미.
마운트 덕분에, USB 메모리를 테스크탑에 연결하면, 테스크톱에서 USB 메모리의 파일 시스템에 접근할 수 있게 된다.
아래와 같은 데스크톱과 USB 메모리가 있다.

USB 메모리의 파일 시스템을 컴퓨터의 '/mnt' 경로로 마운트 하면, 다음과 같은 형태의 경로를 가지게 된다.

유닉스나 리눅스 같은 운영체에서는 다음 명령어를 통해 파일 시스템을 마운트 할 수 있다.

$ mount -t ext4 -o ro /dev/sda /mnt/test
# /dev/sda 장치에 있는, EXT4 파일 시스템을, 읽기 전용으로(-o ro) /mnt/test 디렉토리에 마운트 해라

윈도우의 마운트(드라이브 연결) 방식
윈도우에서는 "드라이브 문자(C:, D:, E: ...)"가 마운트 지점(Mount Point) 역할을 한다.
USB나 새 하드디스크, 파티션 등 저장장치를 연결하면 자동으로 드라이브 문자가 할당되고, 바로 접근 가능해진다.
예: USB 연결 → "E:", 외장하드 연결 → "F:"
이 과정을 윈도우에서는 "자동 마운트(Automount)"라고 부른다.
리눅스/유닉스 vs 윈도우

[운영체제] 운영체제의 파일 시스템

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