파일 시스템 (File System)

파일 시스템(File System)은 운영체제가 디스크 같은 저장 장치 위에 파일과 디렉터리를 만들고 읽고 쓰는 방식을 정의한 체계다. 저장 장치는 본질적으로 번호가 붙은 블록의 나열일 뿐이므로, 파일 시스템이 그 위에 이름, 계층 구조, 권한, 메타데이터 같은 추상화를 얹어 준다. 어떤 블록에 데이터를 배치하고 어떻게 찾아가는지가 파일 시스템 설계의 핵심이다.

파일과 디렉터리라는 추상화

파일은 연속된 바이트의 논리적 묶음이고, 운영체제는 파일마다 이름 외에 크기, 소유자, 접근 권한, 생성과 수정 시각 같은 메타데이터(metadata)를 함께 관리한다. 디렉터리는 파일 이름과 그 파일의 메타데이터 위치를 잇는 일종의 표이며, 디렉터리가 디렉터리를 담을 수 있으므로 트리(tree) 형태의 계층 구조가 만들어진다. 유닉스(Unix) 계열에서는 하드 링크(hard link)로 한 파일이 여러 이름을 가질 수 있어 엄밀히는 비순환 그래프에 가깝다. 응용 프로그램은 open, read, write, close 같은 시스템 콜을 통해 이 추상화를 사용하며, 실제 블록 배치는 전혀 알 필요가 없다.

디스크 위의 구조: 슈퍼블록과 아이노드

유닉스 계열 파일 시스템의 파티션은 대체로 다음 요소로 구성된다. 부트 블록(boot block)은 부팅 코드를 담고, 슈퍼블록(superblock)은 전체 블록 수, 아이노드 수, 빈 공간 현황 같은 파일 시스템 전역 정보를 담는다. 아이노드(inode)는 파일 하나의 메타데이터와 데이터 블록 위치 정보를 담는 고정 크기 구조체이고, 나머지 영역이 실제 데이터 블록이다. 중요한 점은 아이노드에 파일 이름이 없다는 것이다. 이름은 디렉터리 항목이 갖고, 디렉터리 항목은 이름과 아이노드 번호의 쌍이다. 그래서 하드 링크는 같은 아이노드 번호를 가리키는 서로 다른 디렉터리 항목일 뿐이다.

경로 /home/dev/note.txt 를 여는 과정(개념)
1. 루트 디렉터리의 아이노드를 읽는다
2. 루트의 데이터 블록에서 "home" 항목을 찾아 아이노드 번호를 얻는다
3. home 디렉터리에서 "dev" 항목을 찾는다
4. dev 디렉터리에서 "note.txt" 항목을 찾는다
5. note.txt의 아이노드가 가리키는 데이터 블록을 읽는다

블록 할당 방식 비교

파일 데이터를 어느 블록에 두는지에 따라 세 가지 고전적 방식이 있다.

방식	동작	장점	단점
연속 할당(Contiguous)	파일을 이어진 블록에 저장	순차와 임의 접근 모두 빠르다	외부 단편화가 심하고 파일 확장이 어렵다
연결 할당(Linked)	각 블록이 다음 블록 번호를 가리킨다	단편화가 없고 확장이 자유롭다	임의 접근이 느리고 포인터 하나만 깨져도 뒷부분을 잃는다
색인 할당(Indexed)	블록 번호들을 색인 블록에 모아 둔다	임의 접근이 빠르고 확장이 쉽다	작은 파일에도 색인 블록 오버헤드가 든다

실제 ext4 계열은 색인 할당을 발전시킨 형태를 쓴다. 아이노드가 직접 블록 포인터 몇 개와 간접, 이중 간접, 삼중 간접 포인터를 가져 작은 파일은 빠르게, 큰 파일은 단계적으로 처리한다. 최신 파일 시스템은 개별 블록 대신 연속 구간을 통째로 기록하는 익스텐트(extent) 방식으로 메타데이터를 줄인다. FAT(File Allocation Table)는 연결 할당의 포인터를 별도 표에 모아 둔 변형으로, 표를 메모리에 올려 임의 접근 문제를 완화한다.