리눅스 커널 - 파일 시스템

파일 시스템 개요

파일 시스템이란?
- 파일시스템은 컴퓨터에서 파일이나 자료를 쉽게 발견 및 접근할 수 있또록 보관 또는 조직하는 체제를 가르키는 말이다.
리눅스의 주요 파일 시스템
- 확장 파일 시스템 (ext, ext2, ext3, ext4)
- ZFS
- ResierFS
- XFS
디스크 블록
- 파일시스템은 전체 디스크 저장 공간을 디스크 블록 단위(ex. 4KB) 단위로 나누어 관리한다.
- 디스크 블록 사이즈가 크면 한번에 읽어 들이거나 쓰는 단위가 커지므로, 실제 물리적인 I/O 접근 횟수가 줄어들어 I/O 병목현상을 줄일 수 있다.
- 속도가 빠르기 위한 단점으로 외부단편화 현상으로 낭비되는 공간이 많아진다.
- 파일시스템은 디스크 저장 공간을 논리적인 디스크 블록들의 집합으로 본다.
- 디스크 블록은 0, 1, 2 등의 논리적인 번호를 가진다.
- 이 논리적인 디스크 블록의 번호를 통해 디스크 저장 공간에 접근한다.

Ext 파일시스템

아이노드 (inode)

모든 파일이나 디렉토리는 아이노드로 표현된다.

아이노드는 크기, 권한, 소유권, 그리고 파일이나 디렉토리의 디스크의 위치에 대한 데이터를 포함한다.

struct inode { 
umode_t                                          i_mode; 
unsigned short                                i_opflags;
kuid_t                                               i_uid;
kgid_t                                               i_gid;
unsigned int                                     i_flags;
const struct inode_operations     *i_op;
...                                
unsigned long                                  i_ino;
...
dev_t                                                 i_rdev;
loff_t                                                 i_size; 
struct timespec64            i_atime;
struct timespec64            i_mtime; 
struct timespec64            i_ctime;
spinlock_t                          i_lock;
unsigned short                  i_bytes; 
blkcnt_t                              i_blocks;
...

디렉토리 엔트리
- inode를 통해 파일의 속성 정보들과 파일에 속한 디스크 블록의 위치를 찾을 수 있다.
- 디렉토리 엔트리를 통하여 파일의 이름과 inode를 연결할 수 있다.
- /fs/ext4/ext4.h

가상 파일 시스템 (VFS)

리눅스 운영체제는 여러 파일시스템을 지원한다. (ext2, ext3, ext4, ZFS, RasierFS, XFS, msdos, ntfs, ... )
시스템 내에 파티션 별로 각기 다른 파일시스템을 사용할 때 사용자 태스크에서 파일 열기, 읽기, 쓰기, 닫기 와 같은 행동을 수행한다고 가정하면, 사용자 프로세스, 즉 태스크들은 해당 파일이 어느 파티션에 위치하는지 식별하고, 각 파일시스템에 맞는 시스템 콜을 이용하여 파일시스템에 접근해야 한다.
각 파일시스템 별 호출 함수를 직접 호출해서 사용한다는 것은 불편한다.(ext2_create(), ext2_link(), ext2_redpage(), ...., msdos_create(), msdos_readpage(), ....)
그래서 리눅스는 파일시스템과 사용자 태스크 사이에 가상적인(Virtual) 계층을 도입하였다.
사용자 계층에서는 일반화된 open(), read(), write(), close() 등의 단일화된 함수를 통해 파일시스템에 접근할 수 있다.
중간 계층에서는 파일 이름을 확인하고 파일시스템이 어떤 것인지 식별한 후 해당 파일 시스템의 적절한 함수를 호출하여 결과값을 반환해준다.
이것이 VFS(Virtual File System) 개념이다.
VFS는 open(), read(), write(), close()와 같은 시스템 호출이 파일시스템이나 물리적 매체의 종류와 상관없이 동작하게 해주는 역할을 한다.

VFS 주요 객체
- 슈퍼블록(superblock) 객체 - 마운트된 파일 시스템을 표현
- 아이노드(inode) 객체 - 파일을 표현
- 덴트리(dentry) 객체 - 경로를 구성하는 요소인 디렉토리 항목을 표현
- 파일(file) 객체 - 프로세스가 사용하는 열린 파일을 표현
위 객체들에는 동작 객체가 들어있다. (커널이 객체에 대해 호출하는 함수)
- super_opertaions - write_inode(), synsnc_fs() 등과 같이 특정 파일 시스템에 대해 커널이 호출하는 함수
- inode_operations - create(), link() 등과 같이 특정 파일에 대해 커널이 호출하는 함수
- dentry_operations - d_compare(), d_delete() 등과 같이 특정 디렉토리 항목에 대해 커널이 호출하는 함수
- file_operations - read(), write() 등과 같이 열린 파일에 대해 프로세스가 호출하는 함수

사용자 프로세스에서 특정 파일을 open() 하는 상황을 가정해보자.
- 사용자는 파일 이름을 인자로 open() 호출 시 내부적으로 sys_open() 시스템 호출을 요청한다.
- VFS는 파일시스템 내부(ex. ext4)의 open 함수를 호출하고 파일시스템은 내부 함수를 이용해, 필요한 정보를 아이노드 객체에 채워서 반환한다.
- VFS는 아이노드 객체를 덴트리 객체에 연결시켜서 사용자의 태스크 구조와 연결해준다.

그렇다면 open() 함수를 호출하는 경우 operation은 어떻게 흘러가는지 알아보자.
- 사용자 레이어에서 open() 함수 호출 시 시스템 콜 sys_open()이 호출되고
- VFS 레이어의 file 구조체의 f_op는 open을 가리킨다. (file->f_op->open)
- 실제 열려는 파일의 유형에 따라 적합한 파일 연산으로 등록된다.
  - fifo_open(), blkdev_open(), chrdev_open(), sock_no_open(), 등
- 파일 유형에 맞는 파일 연산을 f_op 변수에 등록하고 나면, file->f_op->open() 함수를 호출한다.
- open()외 read(), write(), close() 등과 같은 연산도 동일한 흐름으로 동작.

tonykang22 / study

[리눅스 개발환경] 25. 리눅스 커널 - 파일 시스템 #96

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가상 파일 시스템 (VFS)