Operating System Concepts - (12)

File System (2)

File System Implementations

Allocation of File Data in Disk

• Contiguous Allocation
• Linked Allocation
• Indexed Allocation

Contiguous Allocation

• 하나의 파일이 디스크 상에서 연속해서 할당되는 방법
• 단점
  • External fragmentation 발생 가능
    • 파일 크기가 균일하지 않아 빈 조각들이 있을것이다. 새로운 파일을 넣을 때 비어있는 블럭의 크기에 따라 들어갈 수 없는 경우 활용될 수 없는 외부 조각이 생기게 된다.
  • File grow가 어려움
    • file 생성 시 얼마나 큰 hole을 배당할 것인가? (미리 빈공간을 할당하는 방법)
    • grow 가능 vs 낭비 (Internal fragmentation)
• 장점
  • Fast I/O
    • 한번의 seek/rotation으로 많은 바이트 transfer
    • Realtime file용으로, 또는 이미 run 중이던 process의 swapping용
  • Direct access(=random access)가능

Linked Allocation

• 빈 자리가 있으면 아무 곳이나 할당함.
• 블록의 마지막 부분에 다음 블록이 어디에 위치해 있는지 저장해 두는 것 (연결해 두는 것)
• 파일의 시작 위치만을 디렉토리가 가지고 있게 되는 것.
• 장점
  • External Fragmentation이 발생되지 않음.
• 단점
  • Direct Access (Random Access) 불가능. 첫번째 위치만 저장해 두기 때문에 순차 접근만 가능하게 됨.
  • Reliability 문제
    • 한 Sector가 고장나 pointer가 유실되면 많은 부분을 잃을 위험이 있음.
  • Pointer를 위한 공간이 block의 일부가 되어 공간 효율성을 떨어뜨림.
    • 512 bytes/sector, 4bytes/pointer
  • 변형
    • File-allocation table(FAT) 파일 시스템
      • 포인터를 별도의 위치에 보관하여 reliability와 공간 효율성 문제 해결

Indexed Allocation

• 장점
  • External Fragmentation이 발생하지 않음
  • Direct Access (= Random Access) 가능
• 단점
  • Small file의 경우 공간 낭비 (실제로 많은 file들이 small)
  • Too Large File의 경우 하나의 block으로 Index를 저장하기에 부족
  • 해결 방안
    • linked scheme ( 큰 파일은 링크드 블럭의 마지막 인덱스를 다음 인덱스 블럭의 위치값을넣음 )
    • multi-level index ( 2단계 페이지 테이블처럼 인덱스가 다른 인덱스를 가리키도록)
    • 공간 낭비는 늘어남

UNIX File System Structure

• 유닉스 파일 시스템의 중요 개념
  1. Boot Block
     • 부팅에 필요한 정보 (bootstrap loader)
  2. Super Block
     • 파일 시스템에 관한 총체적인 정보를 담고 있다.
  3. Inode
     • 파일 이름을 제외한 파일의 모든 메타 데이터를 저장
  4. Data Block
     • 파일의 실제 내용을 보관
     • Directory file에는 각 file 이름과 inode 번호가 저장되어 있음.
     • 나머지 정보들은 inode에 저장되어 있지만 file name은 directory에 저장됨.
• index allocation을 변형하여 사용하는 파일 시스템 구조
• Direct blocks/single indirect/double indirect/triple indirect 로 나누어 inode를 구성함.

FAT file System

• file의 metadata 정보를 FAT에 저장함
• 나머지 정보는 directory가 가지고 있음. 파일의 이름, 접근 권한, 소유주 등등.
• FAT 파일 테이블은 여러번 copy되어 저장하고 있기 때문에 reliability 문제는 해결 가능함.

Free-Space Management

1. Bit map or bit vector

2. Linked List
   • 모든 free block들을 링크로 연결 (free list)
   • 연속적인 가용 공간을 찾는 것은 쉽지 않다.
   • 공간의 낭비가 없다.
   • 실제로 사용하기는 쉽지 않은 방법
3. 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
4. Counting
   • 프로그램들이 종종 여러 개의 연속적인 block을 할당하고 반납한다는 성질에 착안한 방법
   • 빈 블럭 위치와 몇개가 빈 블럭인지
   • First free block, # of contiguous free blocks를 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 고정 크기
  • 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 NFS

• 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 mapping 시킴
  • 매핑시킨 영역에 대한 메모리 접근 연산은 파일의 입출력을 수행하게 함.
• Buffer Cache
  • 파일 시스템을 통한 I/O 연산은 메모리의 특정 영역인 buffer cache 사용
  • File 사용의 locality 활용
    • 한번 읽어온 block에 대한 후속 요청 시 buffer cache에서 즉시 전달
  • 모든 프로세스가 공용으로 사용
  • Replacement algorithm 필요 (LRU, LFU 등)
• Unified Buffer Cache
  • 최근의 OS에서는 기존의 buffer cache가 page cache에 통합됨.

• 페이지 프레임에는 당장 사용하는 데이터를 올려놓고, 나머지는 디스크에 저장해두는 것.
• 디스크에서 읽어온 내용을 자신의 buffer cache에 올려놓고, 그것을 copy해 사용자에게 전달.
• 보통 4kbyte 단위의 page 사용 / Disk I/O 단위는 512Byte
• Unified Buffer Cache 를 사용하게 되면 단위가 통합되어 4Kbyte 단위의 buffer cache, page cache 사용
• 별도의 공간 구분을 하지 않고 똑같이 page 단위로 사용하면서 필요할 때마다 buffer cache/page cache로 사용하는 것 (필요시마다 할당)