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리눅스 커널의 이해 중에서
12장. 가상 파일 시스템
김석훈
시스템 소프트웨어 실험실
리눅스 커널의 이해…
2
목차
Part I
: VFS의 역할
Part II : VFS 자료 구조
Part III : 파일 시스템 마운트하기
Part IV : 경로명 탐색
Part V :
VFS 시스템 콜 구현
Part Ⅵ : 파일 락킹
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Part I :
VFS의 역할
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VFS의 역할
가상 파일 시스템(VFS:Virtual File System)
표준 유닉스 파일시스템과 관련한 모든 시스템 콜을 처리하는
kernel software layer
실제 파일 시스템의 구현과 사용자 프로세스 사이에 존재하는 추상
화 계층
다른 여러 종류의 파일시스템에 일반적인 공통 인터페이스를 제공
MS_DOS 디스켓
마운트 포인트
cp
일반 Ext2
디렉토리
$ cp /floppy /TEST / tmp /test
VFS
Ext2
MS-DOS
/tmp/test
/floppy/TEST
int = open(“/floppy/TEST”, O_RDONLY, 0);
outf = open(“/tmp/test”,
O_WRONLY|O_CREATE|O_TRUNC, 0600);
do {
l = read(inf, buf, 4096);
write(outf, buf, l);
} while (l);
close(outf);
close(inf);
P.468 단순한
프로세스와
파일 복사
VFS
작업을
객체의
위한
상호
VFS의
작용 역할
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VFS의 역할
VFS 전체구조
tasks
System call interface
Virture File system
proc
ext2
vfat
proc
Disk Driver
machine
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VFS의 역할
VFS에 지원되는 파일시스템 3가지 그룹
디스크 기반 파일시스템
로컬 디스크 파티션의 기억 장소를 관리
하드디스크, 플로피, 씨디롬 같은 블록 디바이스에 저장
리눅스는 /dev/loop0와 같은 가상 블록 장치도 핸들 할 수도 있다
ext, ext2, msdos, vfat, ntfs, iso9660, hpfs, hfs, fffs, adfs등의
filesystem 지원
네트워크 파일시스템
다른 네트워크의 컴퓨터에 속한 파일 시스템에 쉽게 접근할 수 있음
VFS 지원 네트워크 파일 시스템 : NFS, Coda, AFS, SMB, NCP
특수 파일시스템
/proc filesystem은 사용자가 커널 데이터 구조의 내용에 접근할 수
있는 간단한 interface를 제공
/dev/pts filesystem은 Open Group’s Unix98표준에 기술된 가상
터미널을 지원하는데 사용
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VFS의 역할
공통 파일 모델(The common File Model)
VFS의 핵심 개념으로서 모든 파일시스템 표현
전형적인 유닉스 파일 시스템에서 제공하는 파일 모델을 반영
Specific filesystem은 자신의 물리적인 구조를 VFS의 공통 파일 모
델로 변환시켜 구현
공통 파일 모델에서 각 디렉토리는 파일 리스트와 기타 디렉토리를
포함한 일반 파일로 간주
몇몇 비 유닉스 계열의 디스크 기반 파일시스템
디렉토리 트리에 각 파일이 있는 파일 할당 테이블(FAT)를 사용
이 디렉토리들은 파일이 아닌데, 리눅스에서는 FAT-based
filesystem을
필요할 때 디렉토리와 유사한 파일을 즉석으로 구현
이러한 파일은 커널 메모리에 객체로만 존재
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VFS의 역할
공통 파일 모델
read ()
어플리케이션 read() 호출 커널이 sys_read() 호출
MS DOS file f_op read(…)
write()
출력 파일에 대응하는 적당한 Ext2 쓰기 함수 실행
함수 포인터 할당f_op 필드가 가리키는 각 파일시스템별 호출 실
행
File은 Object-oriented(data structure+method)
효율성 문제로 객체지향을 쓰지 않음
객체의 methods와 비슷한 function을 가리키는 Data structure로
써
객체를 구현
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VFS의 역할
공통 파일 모델
공통 파일 모델 구성하는 객체 유형
The superblock object : 마운트시킨 파일 시스템 정보를 저장
○
The inode object : 특정 파일에 대한 일반 정보를 저장
○
○
disk-based filesystem을 위해서 이 object는 보통 disk에 저장된 filesystem control
block에 해당
각 object는 inode number를 가짐
The file object : 열린 파일과 프로세스 사이의 상호 작용과 관련한 정
보 저장
○
disk-based filesystem을 위해서 이 object는 보통 disk에 저장된 filesystem control
block에 해당
이 정보는 단지 각 프로세스가 파일을 접근한 동안만 kernel memory에 존재
The dentry object : 디렉토리 항목과 대응하는 파일간 연결에 대한
정보 저장
○
각 디스크 기반 파일 시스템에서는 독특한 방법으로 정보를 디스크에 저장
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VFS의 역할
디스크
파일
수퍼블록 객체
아이노드 객체
Dentry cache
프로세스 1
파일 객체
프로세스 2
파일 객체
프로세스 3
파일 객체
디엔드리
객체
디엔드리
객체
fd
f_dentry
d_inode
i_sb
P.472 프로세스와 VFS 객체의 상호 작용
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VFS의 역할
VFS가 처리하는 시스템 콜
파일 시스템, 일반 파일, 디렉토리, 심볼릭 링크를 대상
시스템 콜 이름
mount ( ) umount ( )
sysfs ( )
stafs ( ) fstatfs ( ) ustat ( )
chroot ( )
chdir ( ) fchdir ( ) getcwd ( )
mkdir ( ) rmdir ( )
getdents( ) readdir( ) link( ) unlink( ) rename ( )
readlink( ) symlink( )
chown ( ) fchown ( ) lchown ( )
chmod ( ) fchmod ( ) utime ( )
stat ( ) fstat ( ) lstat ( ) access ( )
open( ) close ( ) creat ( ) umask ( )
dup ( ) dup2 ( ) fcnt ( )
Select ( ) poll ( )
truncate ( ) fruncate ( )
lseek ( ) _llseek ( )
read ( ) write ( ) readv ( ) writev ( ) sendfile ( )
pread ( ) pwrite ( )
nmap ( ) munmap ( )
fdatasync( ) fsync ( ) sync ( ) msync ( )
flock ( )
설 명
파일 시스템의 마운트/언마운트
파일 시스템 정보 얻음
파일 시스템 통계를 얻음
루트 디렉토리 변경
현재 디렉토리 변경
디렉토리 생성과 삭제
디렉토리 항목 처리
소프트 링크 처리
파일 소유자 변경
파일 속성 변경
파일 상태 읽음
파일을 열고 닫음
파일 디스크립터 처리
비동기적 입출력 알림
파일 크기 변경
파일 포인터 변경
파일 입출력 연산
파일 탐색과 접근
파일 메모리 매핑
파일 데이터 동기화
파일 락 처리
P.473 VFS가 처리하는 시스템 콜
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Part II :
VFS 자료구조
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VFS 자료구조
수퍼블록 객체
수퍼블록 객체는 super_block 구조체 유형으로 구성
유형
필드
설 명
struct list_head
s_list
수퍼블록 리스트 포인터
kdev_t
s_dev
장치 식별자
unsigned long
s_blocksize
블록 크기 (바이트 단위)
unsigned char
s_blocksize_bits
블록 크기 (비트 단위)
unsigned char
s_lock
락 플레그
unsigned char
s_rd_only
읽기 전용 플래그
unsigned char
s_dirt
변경된 플래그
struct file_system_type *
s_type
파일 시스템 유형
struct super_operations *
s_op
수퍼블록 메소드
struct dquot_operations *
dq_op
디스크 할당 메소드
unsigned long
s_flags
마운트 플래그
unsigned long
s_magic
파일시스템 매직 넘버
unsigned long
s_time
마지막 수퍼블록 변경시간
struct dentry *
s_root
마운트 디렉토리 디엔트리 객체
struct wait_queue *
s_wait
마운트 대기 큐
struct inode *
s_ibasket
향후 개발
short int
s_ibasket_count
향후 개발
short int
s_ibasket_max
향후 개발
struct list_head
s_dirty
변경된 아이노드 리스트
union
u
특정 파일시스템 정보
P. 475 수퍼블록 객체 항목
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VFS 자료구조
수퍼 블록 객체
마운트된 파일시스템마다 하나씩 superblock object가 존재
모든 superblock object는 circular doubly linked list로 연결
List field
처음과 끝은 super_blocks 변수의 s_list의 next와 prev에 저장
super_blocks
next
슈퍼 블록
슈퍼 블록
슈퍼 블록
s_list
s_list
s_list
next
next
next
prev
prev
prev
prev
P.476 수퍼블록 리스트
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VFS 자료구조
U field
각 파일시스템에 포함된 superblock 정보를 포함
일반적으로 u field에 있는 data는 memory에 복사
VFS는 이들 파일시스템이 disk 접속 없이 바로 메모리에 있는
superblock의 u field에서 수행가능 하도록 함
문제점
○
○
disk의 superblock과 memory에 있는 superblock을 동기화 시켜야 하는 새로운
문제가 발생
이를 위해 superblock이 dirty한지를 나타내는 s_dirt flag가 필요
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VFS 자료구조
수퍼블록 연산(superblock operations)
superblock에 관련된 method
super_operations 구조체로 표현
구조체 주소를 s_op 필드에 저장
수퍼블록 연산 테이블
read_inode(inode)
○
write_inode(inode)
○
○
parameter로 넘겨준 inode object의 내용을 가지고 filesystem inode를 갱신
inode object의 i_ino field는 관련된 disk에 있는 inode를 명시
put_inode(inode)
○
inode object의 field를 채움
inode object를 해제
delete_inode(inode)
○
data block과 disk inode, VFS inode를 제거
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VFS 자료구조
notify_change(dentry, iattr)
○
put_super(super)
○
새로운 옵션을 가지고 filesystem을 다시 마운트
clear_inode(inode)
○
buf buffer를 채우고 filesystem의 통계정보를 리턴
remount_fs(super, flags, data)
○
지정한 객체내용으로 superblock object를 갱신
statfs(super, buf, bufsize)
○
매개변수로 넘겨준 주소의 superblock object를 해제
write_super(super)
○
iattr 매개변수에 따라 inode의 속성 변경
put_inode과 같다. 또한 file에 관련된 data의 내용을 해제
umount_begin(super)
○
mount operation을 interrupt한다. 이는 단지 network filesystem에서 사용
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VFS 자료구조
인덱스노드 객체
파일을 처리하기 위해 filesystem에 필요한 모든 정보는 inode에 포함
memory에 있는 inode object는 inode 구조체로 구성
inode는 유일하며 파일이 존재하는 만큼 오래 남음
circular doubly linked list로 구성
unused inode의 list : 이 list의 처음과 마지막은 inode_unused변수의 next와
priv에 저장되고, 이 list는 memory cache처럼 수행
in-use inode의 list : 이 list의 처음과 마지막은 inode_in_use변수에 의해 참
조
dirty inode의 list : 이 list의 처음과 끝은 superblock object의 s_dirty에 의해
참조
“in use”혹은 “dirty” list에 속하는 Inode 객체는 hash table에 포함
Hash table은 커널이 inode number와 superblock의 주소를 알때 inode 객체
를 검색하는 속도가 향상
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VFS 자료구조
인덱스노드 객체
유형
필드
설 명
유형
필드
설 명
struct list_head
i_hash
해시 리스트 포인터
struct inode_operations*
i_op
아이노드 연산
struct list_head
i_list
아이노드 리스트 포인터
struct super_block*
i_sb
수퍼블록의 객체포인터
struct list_head
i_dentry
디엔트리 리스트 포인터
struct wait_queue*
i_wait
아이노드 대기 큐
unsigned long
i_ino
아이노드 번호
struct file_lock*
i_flock
파일 락 리스트 포인터
unsigned int
i_count
사용 카운터
struct vm_area_struct*
i_mmap
파일 맵을 위해 사용하는 메모리 영역 포인터
kdev_t
i_dev
장치 식별자
struct page*
i_pages
umode_t
i_mode
파일 유형과 접근 권한
struct dquot**
i_dquot
nlink_t
i_nlink
하드 링크 개수
unsigned long
i_state
uid_t
i_uid
소유자 식별자
unsigned int
i_flags
gid_t
i_gid
그룹 식별자
unsigned char
i_pipe
kdev_t
i_rdev
실제 장치 식별자
unsigned char
i_sock
파일이 파이프이면 참
off_t
i_size
파일 길이(바이트 단위)
int
i_writecount
쓰기 중인 프로세스 사용 카운터
time_t
i_atime
최종 파일 접근 시간
unsigned int
i_attr_flags
파일 생성 플래그
time_t
i_mtime
최종 파일 기록 시간
_ _u32
i_generation
향후 개발을 위해 예약
time_t
i_ctime
최종 아이노드 변경 시간
union
u
특정 파일시스템 정보
unsigned long
i_blksize
블록 크기(바이트 단위)
unsigned long
i_blocks
파일 블록 수
unsigned long
i_version
버전 번호
unsigned long
i_nrpages
파일 자료 포함하는 페이지수
struct semaphore
i_sem
아이노드 세마포어
struct semaphore
i_automic_write 아이노드 세마포어
페이지 디스크립터 포인터
아이노드 디스크 할당량
아이노드 상태 플래그
파일시스템 마운트 플래그
P.479 인덱스노드 객체 필드
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VFS 자료구조
인덱스노드 연산(inode_operations)
inode에 관련된 method
인덱스노드 연산 테이블
create(dir, dentry, mode)
○
lookup(dir, dentry)
○
○
새로운 inode를 생성
rmdir(dir, dentry)
○
같은 directory에 있는 dentry object를 가지는 symbolic link를 위한 새로운 inode를 생성
mkdir(dir, dentry, moder)
○
dir로부터 dentry object에 의해 지정된 file의 hard link를 삭제
symlink(dir, dentry, symname)
○
dir에서 old_dentry에 의해 지정된 file을 참조하는 새로운 hard link를 생성
새 hard link는 new_dentry라는 이름을 사용
unlink(dir, dentry)
○
dentry object에 포함된 filename에 대응하는 inode를 위해 directory를 탐색
link(old_dentry, dir, new_dentry)
○
새로운 disk inode를 생성
dentry object에 포함된 이름의 subdirectory를 삭제
mknod(dir, dentry, mode, rdev)
○
새로운 disk inode를 생성, mode와 rdev는 file type과 device의 major number 지정
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VFS 자료구조
rename(old_dir, old_dentry, new_dir, new_dentry)
○
readlink(dentry, buffer, buflen)
○
디스크 섹터 번호 결정
updatepage(inode, pg, buf, offset, count, sync)
○
file에 특정 access mode가 허용되는지 check.
smap(inode, sector)
○
inode에 있는 file의 크기를 수정
permission(inode, mask)
○
inode와 관련된 파일의 file block number에 대응하는 logical block number를 return.
truncate(inode)
○
자료 한 페이지를 열린 파일에 기록한다.
bmap(inode, block)
○
열린 파일에서 자료를 한 페이지 읽어온다.
writepage(file, pg)
○
inode object에 지정된 symbolic link를 변환
readpage(file, pg)
○
buffer에 dentry에 명시된 symbolic link에 대응하는 file pathname을 복사
follow_link(inode, dir)
○
디렉토리 내부에서 디엔트리 객체가 나타내는 심볼릭 링크를 위해 새로운 아이노드 생성
아이노드가 나타내는 파일 자료 한 페이지를 갱신
revalidate(dentry)
○
dentry object에 의해 지정된 파일의 cache attribute를 갱신
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VFS 자료구조
파일 객체(File object)
process가 opened file과 어떻게 상호작용을 하는지를 나타냄
파일이 열릴 때 생성되고, file structure로 구성
disk의 image와 관련이 없기 때문에 dirty field가 없음
몇몇 프로세스들이 같은 파일을 동시에 access할 수 있음
각 file 객체는 다음의 Circular doubly linked list중 하나를 포함
“unused” 파일 객체의 리스트
○
○
○
파일 객체를 위한 메모리 캐쉬와 superuser를 위한 예약에 작용하는 list
object가 unused이면 f_count는 null, 이 list의 처음은 free_filps 변수에 저장
superuser가 시스템에 있는 동적메모리를 모두 썼다 하더라도 파일을 오픈 하도록 해 준다.
“in use” 파일 객체 리스트
○
○
리스트의 각 element는 프로세스에 의해 적어도 한번은 사용
f_count는 null이 아니다. list의 처음은 inuse_filps변수에 저장
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VFS 자료구조
파일 객체
유형
필드
설 명
struct file*
f_next
다음 파일 객체 포인터
struct file*
f_pprev
이전 파일 객체 포인터
struct dentry*
f_dentry
디엔트리 객체와 관련한 포인터
struct file_operations*
f_op
파일 연산 테이블의 포인터
mode_t
f_mode
프로세스 접근 모드
loff_t
f_pos
현재 파일 오프셋(파일 포인터)
unsigned int
f_count
파일 객체의 사용 카운터
unsigned int
f_flags
파일을 열때 지정된 플래그
unsigned long
f_reada
미리 읽기 플래그
unsigned long
f_ramax
미리 읽기 페이지의 최대 수
unsigned long
f_raend
마지막 미리 읽기 후 파일 포인터
unsigned long
f_ralen
미리 읽기 바이트 수
unsigned long
f_rawin
미리 읽기 페이지 수
struct fown_struct
f_owner
시그널을 통한 비동기적 입출력을 위한 데이터
unsigned int
f_uid
사용자 UID
unsigned int
f_gid
사용자 GID
int
f_error
네트워크 쓰기 연산을 위한 에러 코드
unsigned long
f_version
버전 번호, 매번 사용 후마다 자동 증가
void*
private_data
tty 드라이버용으로 필요
P.483 파일 객체 필드
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VFS 자료구조
파일 연산(file_operations)
파일에 관련된 method
파일 연산 테이블
llseek(file, offset, whence)
○
read(file, buf, count, offset)
○
dirent의 다음 diretory를 리턴
poll(file, poll_table)
○
*offset 위치부터 count 바이트만큼 파일에 쓴다.
readdir(dir, dirent, filldir)
○
file에서 *offset 위치부터 count 바이트만큼 읽는다.
write(file, buf, count, offset)
○
file pointer를 갱신
어떤 일이 발생할 때까지 file이 activity인지, sleep인지 검사
ioctl(inode, file, cmd, arg)
○
하드웨어 장치에 명령을 전송
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VFS 자료구조
mmap(file, vma)
○
open(inode, file)
○
media의 변화가 있는지 검사
revalidate(dev)
○
비동기 적인 입출력 공지 기능(asynchronous I/O notification)을 활성화 또는 비활성화
check_media_change(dev)
○
모든 cached data를 disk에 기록하고 저장
fasync(file, on)
○
file object를 해제, open file의 마지막 참조를 닫을때, 파일 객체의 f_count가 0일때 호출
fsync(file, dentry)
○
open file이 close될 때, f_count 필드 값이 감소할때 호출
release(inode, file)
○
새로운 파일 객체를 생성하고 이를 대응하는 아이노드 객체에 연결하여 파일을 open
flush(file)
○
프로세스의 주소 공간에 파일 메모리 매핑을 수행
device의 일관성(consistency)을 복구
lock(file, cmd, file_lock)
○
file에 lock을 적용
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VFS 자료구조
디렉토리 파일 객체에 대한 특수 처리
각 프로세스가 자신의 내용을 동시에 변경하려 할 때 문제 발생
일반적인 파일에서 자주 수행하는 명시적 locking은 locked된 디렉토
리의 subtree 전체에 다른 프로세스들의 접근을 막기때문에 디렉토리
에서는 적당하지 않다.
따라서 파일 객체의 f_version 필드는 각 디렉토리 파일을 일관성 있
게 관리하기 위하여 inode객체의 i_version 필드와 함께 사용
readdir() system call
이것을 호출하면 디렉토리 요소가 리턴
디렉토리 파일 포인터를 갱신허여 다음 시스템 콜에 대한 디렉토리 엔
트리를 반환
동시에 접근하려는 다른 프로세스에 의해 디렉토리는 수정 가능
○
○
○
무결성 검사를 하지 않으면 readdir() 시스템 call은 잘못된 디렉토리 entry 를 리턴
프로세스는 readdir()을 여러 번 호출, 긴시간 간격으로 호출
언제든지 프로세스가 호출을 멈출 수도 있으모로 디렉토리 잠금 불가
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VFS 자료구조
readdir()를 변화에 적응하도록 수정
이 문제를 해결하기 위해서 version stamp역할을 하는
global_event 변수를 이용
디렉토리 파일의 inode객체가 변경될때마다, global_event는 1이
증가하고, 새로운 version stamp는 객체의 i_version field에 저장
파일 객체가 생성되거나 파일 포인터가 변경될 때마다
global_event는 1이 증가하고, new version stamp는 객체의
f_version field에 저장된다.
Readdir() system call이 수행될때, VFS는 i_version과
f_version field에 포함된 version stamp가 일치하는지를 체크
만약 그렇지 않다면 디렉토리는 readdir()의 수행이전의 명령을 수
행한 후에 다른 프로세스에 의해 변경되었을 수 있음
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VFS 자료구조
readdir()의 지속적인 문제 발생
전체 디렉토리를 다시 읽음으로써 디렉토리의 파일 포인터를 재계
산
system call은 프로세스의 마지막 readdir()에 의해 리턴된 entry
의 다음 값으로 즉시 디렉토리 entry를 리턴
f_version은 readdir()이 실제 디렉토리 상태로 동기화된 것을 가
리키기 위해 i_version으로 설정
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VFS 자료구조
디엔트리 객체
디렉토리 entry를 메모리에서 읽으면, VFS에 의해서 dentry structure의
dentry 객체가 바뀜
프로세스가 찾은 경로의 각각의 component로 구성된 Dentry 객체는 커
널에 의해 생성
Dentry 객체는 inode와 유사한 구성요소와 연결
/tmp/test 경로명을 찾을 때
커널은 /디렉토리를 위해 dentry 객체를 생성
두번째 /디렉토리의 tmp entry를 위한 dentry 객체를 생성
세번째 /tmp 디렉토리의 test entry를 위한 dentry 객체를 생성
Dentry 객체는 디스크에 대응하는 이미지가 없음
dentry구조체에는 변경된 객체를 나타내는 field가 없음
Dentry 객체는 dentry_cache라고 불리는 slab allocator cache에 저장
dentry 객체는 kmem_cache_alloc()와 kmem_cache_free()에 의해
생성과 소멸
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VFS 자료구조
디엔트리 객체
유형
필드
설 명
int
d_count
디엔트리 객체 사용 카운터
unsigned int
d_flags
디엔트리 플래그
struct inode*
d_inode
파일명과 관련한 아이노드
struct dentry*
d_parent
부모 디렉토리의 디엔트리 객체
struct dentry*
d_mounts
마운트 포인터의 경우, 마운트된 파일 시스템 루트의 디엔트리
struct dentry*
d_covers
파일시스템 루트의 경우, 마운트 포인트의 디엔트리
struct list_head
d_hash
해시 테이블 엔트리 내 리스트 포인터
struct list_head
d_lru
쓰지않는 리스트 포인터
struct list_head
d_child
부모 디렉토리에 포함된 디엔트리 디엔트리 객체 리스트의 포인터
struct list_head
d_subdirs
디렉토리의 경우, 서브 디렉토리의 디엔트리 객체 포인터
struct list_head
d_alias
관련 아이노드 리스트
struct qstr
d_name
파일명
unsigned long
d_time
d_revaliate 메소드에서 사용
structdentry_operations*
d_op
디엔트리 메소드
struct super_block*
d_sb
파일의 수퍼블록 객체
unsigned long
d_reftime
디엔트리가 제거된 시간
void*
d_fsdata
파일시스템에 따른 데이터
unsigned char
d_iname[16]
짧은 파일명(영문 15자까지) 공간
P.488 디엔트리 객체
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31
VFS 자료구조
Dentry object의 4가지 상태
해제(Free)
○
○
사용하지 않음(Unused)
○
○
○
현재 커널에서 사용되지 않음
d_count는 0이고, d_inode는 여전히 관련된 inode를 가리킴
유효한 정보를 유지하지만, 그 내용은 삭제될 수 있다.
사용중 (Inuse)
○
○
○
유효한 정보가 없고 VFS에 의해 사용되지 않음
해당 메모리 역역은 슬랩 할당자(slab allocator)에 의해 처리
현재 커널에 의해 사용
d_count 사용 카운터는 양수, d_inode 필드는 연관된 아이노드 객체를 가리킴
유효한 정보를 유지하지만 이를 제거할 수 없다.
음수 (Negative)
○
○
dentry와 관련된 inode가 더 이상 존재하지 않고 d_inode는 null로 설정
같은 file pathname에 대해 탐색 연산을 빨리 해결하기 위해 여전히 dentry cache에
남아있음
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VFS 자료구조
디엔트리 캐시
disk로부터 directory entry를 읽고, 대응하는 dentry object를 구성
Dentry object의 사용이 끝났다 할지라도 나중에 또 필요(반복적
인 접근)하게 되므로 메모리에 dentry object를 유지할 필요가 있
음
Dentry Cache의 효율을 위한 데이터 구조 2가지
In-use, unused, negative state에 대한 dentry객체의 집합
○
○
○
Unused : double linked list – LRU (Least Recently Used)
In use : double linked list – hard links도 포함됨
Negative : 마지막 hard link가 지워지면 unused의 LRU로 옮겨짐
Hash table
○
○
파일이름과 디렉토리가 주어지면 연관된 dentry객체를 빨리 찾아줌
만약 요구한 object가 cache에 없다면, 해시 함수는 null을 리턴
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VFS 자료구조
디엔트리 연산
디엔트리 객체와 관련된 메소드
d_revalidate(dentry)
○
d_hash(dentry, hash)
○
dentry object의 마지막 참조를 delete할 때 call, d_count는 0이 된다.
d_release(dentry)
○
두 filename을 비교
d_delete(dentry)
○
hash value 생성
d_compare(dir, name1, name2)
○
dentry object가 여전히 유효한지 결정
dentry object가 free될 때 call
d_input(dentry, ino)
○
dentry object가 “negative”될 때 call. 즉, inode를 잃어버린다.
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VFS 자료구조
프로세스와 관련한 파일
프로세스
자신의 현재 working directory와 root directory를 가짐
fs_struct 커널 구조에서 이 정보를 저장
프로세스 디스크립터의 fs 필드에 저장
struct fs_struct {
atomic_t count; //fs_struct 테이블 공유하는 프로세스 개수
int umask; // 새로 만든 파일에 대한 초기 파일 접근 권한 설정
struct dentry * root, * pwd;
};
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VFS 자료구조
프로세스와 관련한 파일
유형
필드
설 명
int
count
이 테이블을 공유하고 있는 프로세스 개수
int
next_fds
현재 파일 객체의 최대 개수
int
max_fdset
현재 파일 디스크립터의 최대 개수
int
next_fd
지금까지 할당된 파일 디스크립터의 최대값+1
struct file**
fd
파일 객체 포인터의 배열 포인터
fd_set*
close_on_exec
exec( )에서 닫혀질 파일 디스크립터를 가리키는 포인터
fd_set*
open_on_exec_init
열린 파일 디스크립터의 포인터
fd_set
open_fds_init
파일 디스크립터의 초기 집합
truct file*
fd_array[32]
파일 객체 포인터의 초기 배열
P.493 files_struct 구조체 필드
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36
VFS 자료구조
프로세스와 관련한 파일
fd
파일 객체
stdin 0
파일 객체
stdout 1
파일 객체
stderr 2
3
4
.
.
.
인덱스 0 : 프로세스의 표준 입력과 관계
인덱스 1 : 표준 출력과 관계
인덱스 2 : 표준 에러와 관계
P.494 fd 배열
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Part III :
파일 시스템 마운트하기
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파일 시스템 마운트하기
파일시스템을 사용하기 전에 수행하는 2가지 작업
등록(Registration)
system boot 혹은 파일시스템을 구현하는 모듈을 load할때 이루
어짐
파일 시스템이 등록되면, 여러 종류의 파일 시스템이 시스템 디렉
토리 트리에 마운트 할 수 있게 됨
마운트(Mounting)
각 파일 시스템은 자신의 root directory가 있음
○
○
○
어떤 파일시스템의 루트 디렉토리가 시스템 디렉토리 트리의 root일때
root filesystem이라고 함
다른 파일 시스템을 시스템 루트 디렉토리에 속한 서브 트리에 마운트
마운트하여 삽입하는 디렉토리 : 마운트 포인트(mount point)
시스템이 boot할때
○
○
root filesystem의 major number를 찾는다.
커널 컴파일이나 boot strap loader가 초기화 될 때 /dev에 명시
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39
파일 시스템 마운트하기
파일 시스템 등록
유저는 kernel을 컴파일할 때 필요한 모든 파일시스템을 인식하
도록 설정
파일시스템을 위한 코드는 실제로 커널이미지에 포함되거나 모듈
로 로드
VFS는 모든 파일시스템의 트랙을 유지
filesystem registration을 수행함으로써 이뤄짐
struct file_system_type {
const char *name;
int fs_flags;
struct super_block *(*read_super) (struct super_block *, void *, int);
struct file_system_type * next;
file_system_type 객체
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파일 시스템 마운트하기
파일 시스템 등록
system을 초기화
filesystem_setup()은 compile time시 지정된 파일시스템을 등록
각 파일시스템을 위해 register_filesystem()은 file_system_type
object를 가리키는 매개변수를 가지고 호출하고
filesystem-type list에 들어가게 된다.
register_filesytem()은 filesystem을 실행하는 모듈이 로드될 때
도 호출
get_fs_type()은 filesystem name을 매개변수로 받아서 등록된
파일시스템을 탐색
대응하는 file_system_type object가 존재하는 경우 pointer를 리
턴
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파일 시스템 마운트하기
루트 파일시스템 마운트하기
시스템을 초기화하는 동안 filesystem_setup()후에 바로 mount_root()
함수를 실행
dummy(local file object filp)를 초기화, f_mode field는 root의 mount
flag에 의해 설정되고, 나머지 field는 0으로 설정
dummy inode object를 생성, i_rdev를 ROOT_DEV에 설정하여 초기화
dummy inode와 file object를 넘겨주고 blkdev_open()을 호출
dummy inode object를 해제
filesystem-type list를 scan, 각 file_system_type object에 대해서 일
치하는 superblock을 읽기 위해서 read_super()를 호출
read_super()는 root directory를 위한 inode object와 dentry object
를 생성
current의 fs_struct table의 root와 pwd field를 root directory의
dentry object로 초기화
마운트시킨 filesystem list에 첫번째 요소를 삽입하기 위해
add_vfsmnt()를 호출
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파일 시스템 마운트하기
일반 파일시스템 마운트하기
root filesystem을 초기화
추가적으로 다른 filesystem도 mount될 수 있고 이들 각각은 자
신의 mount point를 가지고 있어야 함
모든 mount된 filesystem들은 list에 포함되고
list의 첫번째 element는 vfsmntlist변수에 의해 참조
각 element는 vfsmount 유형의 구조체
struct vfsmount
{
kdev_t mnt_dev;
char *mnt_devname;
char *mnt_dirname;
unsigned int mnt_flags;
struct super_block *mnt_sb;
struct quota_mount_options mnt_dquot;
struct vfsmount *mnt_next;
};
/* Device this applies to */
/* Name of device e.g. /dev/dsk/hda1 */
/* Name of directory mounted on */
/* Flags of this device */
/* pointer to superblock */
/* Diskquota specific mount options */
/* pointer to next in linkedlist */
P.498 vfsmount 자료 구조
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파일 시스템 마운트하기
일반 파일시스템 마운트하기
add_vfsmnt()와 remove_vfsmnt()
lookup_vfsmnt()
list에서 element를 추가하고 삭제하기 위해 사용
mount된 filesystem을 찾고, 일치하는 vfsmount 자료구조 주소
를 반환
sys_mount() 매개변수
파일시스템 포함하는 device file의 경로명
파일시스템 마운트할 directory의 경로명
filesystem type
mount flags
filesystem-dependent 자료구조 pointer
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44
파일 시스템 마운트하기
일반 파일시스템 마운트하기
매크로
값
설 명
MS_MANDLOCK
0x040
강제적 락 허용
MS_NOATIME
0x400
파일 접근 시간을 갱신하지 않음
MS_NODEV
0x004
장치 파일에 대한 접근 금지
MS_NODIRATIME
0x800
디렉토리 접근 시간을 갱신하지 않음
MS_NOEXEC
0x008
프로그램 실행 금지
MS_NOSUID
0x002
setuid, setgid 플래그 금지
MS_RDONLY
0x001
파일을 읽을 수만 있음
MS_REMOUNT
0x020
파일시스템을 다시 마운트
MS_SYNCHRONOUS
0x010
쓰기 연산을 즉시 실행함
S_APPEND
0x100
파일 뒤에 추가만 허용
S_IMMUTABLE
0x200
파일 변경 허용하지 않음
S_QUOTA
0x080
디스크 할당량 초기화
P.498 파일시스템 마운트 옵션
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45
파일 시스템 마운트하기
일반 파일 시스템 마운트하기
sys_mount()
process가 filesystem을 mount하기위해 필요한 권한을 가지는지
검사
MS_REMOUNT이면, 종료하고 mount flag를 변경하기 위해
do_remount()를 수행
get_fs_type()을 호출하여 file_system_type object의 pointer를
얻음
filesystem이 /dev/hda1과 같은 device를 mount한다면, 그
device가 존재하고 운영가능한지를 검사
○
○
○
일치하는 device file의 dentry object를 얻기 위해 namei()를 호출
device와 관련된 inode가 유효한 block device를 참조하는지 검사
device file을 참조하는 dummy file object를 초기화 한후 device file을 open
mount된 파일시스템이 hardware device를 참조하지 않는다면
get_unnamed_dev()를 호출해서 주 번호 0인 가상 블록 장치를 얻
음
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파일시스템 마운트하기
일반 파일 시스템 마운트하기
Sys_mount()
Do_mount()…필요한 파일시스템을 마운트 하기위해 실행
○
○
○
○
○
○
○
○
○
dir_name과 유사한 dir_d dentry object가 위치한 namei() 호출 (a)
연속된 마운트와 언마운트를 위한 mount_sem 세마포어가 실행
dir_dd_inode가 디렉토리의 inode인지 검사하고, 이미 마운트 된 디렉토리는 파일시스템의 루
트가 아닌지 검사
새로운 파일시스템의 superblock object sb를 얻기 위해 read_super() 호출
superblock object의 s_root 필드는 마운트된 파일시스템의 루트 디렉토리의 dentry object를 가
리킨다.(b)
다른 프로세스가 superblock를 사용하지 않는지, 프로세스가 이미 같은 파일시스템에 마운트 되
지 않았는지 검사
마운트 파일시스템의 list에 새로운 element를 삽입하기 위해 Add_vfsmnt() 호출
root 디렉토리에 파일시스템을 마운트하기 위해, superblock의 s_root field에 dir_d의 d_mounts
field를 설정
dir_d에 마운트된 파일시스템의 root디렉토리의 dentry 객체의 d_covers field를 설정(c)
mount_sem 세마포어를 해제
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47
파일시스템 마운트하기
마운트 직전 시스템 디렉토리 트리
“/”
마운트될 파일시스템
d_mounts
sb
s_root
d_mounts
dir_d
dir_name
(a)
d_covers
d_covers
(b)
마운트 직후 시스템 디렉토리 트리
d_covers
“/”
dir_d
dir_name
d_covers
수퍼블록 객체
d_mounts
디엔드리 객체
sb
디엔드리
서브트리
s_root
d_mounts
(c)
P.501 파일시스템 마운트하기
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파일시스템 마운트하기
파일시스템 언마운트하기
sys_umount()
프로세스가 filesystem을 언마운트 할 수 있는지 검사
Dentry 객체에 연관된 dentry pointer를 얻기위해 filename에 Namei()를
호출
filename이 mount point를 참조하면, dentryd_inodei_sbs_dev에서
부터 장치 식별자를 얻음
filename이 device file을 참조하면, dentryd_inodei_rdev에서부터 장
치 식별자를 얻음
Dentry object를 해제하기 위해 dput()을 호출
장치의 버퍼를 flush한다.
mount_sem 세마포어를 획득
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49
파일시스템 마운트하기
파일시스템 언마운트하기
Sys_umount()
Do_umount()
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
마운트 된 파일시스템 Superblock의 sb pointer를 얻기 위해 Get_super()를 호출
dev 장치를 참조한 Dentry object를 제거하기 위하여 Shrink_dcache_sb()를 호출
dev장치를 참조한 모든 “dirty” 버퍼를 Disk에 쓰기 위한 Fsync_dev()를 호출
만약 dev가 root device이면 unmount 할 수 없음
언마운트 된 파일시스템의 root 디렉토리와 일치하는 Dentry object의 counter가 1보다 큰지 아닌
지 검사
sbs_rootd_covers의 카운터를 감소시킨다.
sbs_rootd_coversd_mounts를 sbs_rootd_covers로 설정. 파일시스템의 root디렉토리
inode를 가리키는 inode link를 삭제
sbs_root point와 sbs_root를 NULL로 설정하기 위해, Dentry object를 해제
만약 superblock가 변경되었고 write_super superblock의 method가 정의 된다면 superblock의
put_super() method를 수행
sbs_dev를 0으로 설정
마운트된 파일시스템의 list로부터 해당 항목을제거시키는 remove_vfsmnt() 호출
dev장치에 참조하기 위해 모든 “dirty” buffer에 남아 있는 디스크에 쓰기
위해, F_fsync_dev() 호출
mount_sem세마포어를 해제
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Part IV :
경로명 탐색
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경로명 탐색
프로세스는 open(), mkdir(), rename(), stat()와 같은 VFS시스템 콜을 수행하려면
파일을 확인
만약 pathname이 절대경로인 /이면, currentfsroot로부터 디렉토리를 찾기 시작
상대경로이면 currentfspwd로부터 디렉토리를 찾기 시작
초기 디렉토리의 inode를 가지고 있으면 code는 일치하는 inode의 첫번째 이름과
맞는지 entry를 조사
디렉토리 파일은 inode를 disk로 부터 읽고, 일치하는 inode를 조사하여 두번째 이름과 일치
하는 entry를 가짐
이 절차는 path에 포함된 각각의 이름에 대하여 반복
dentry cache는 최근에 사용한 dentry object 메모리에 보관되어 있기 때문에 수행
속도가 향상
Lookup_flags 비트열
LOOKUP_FOLLOW
LOOKUP_DIRECTORY
LOOKUP_SLASHOK
LOOK_CONTINUE
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Part V :
VFS 시스템 콜 구현
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VFS 시스템 콜 구현
open() System Call
Sys_open()
Open할 Pathname : Filename
접근 flag : flags
퍼미션 bit mask : mode
성공 : 파일 discriptor, 실패 : -1
read() and write() System Call
Read(), Write()
File descriptor : fd
메모리 영역의 Address : buf
한번에 전송할 byte수 : number
성공 : byte의 number, 실패 : -1
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Part VI :
파일 락킹
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55
파일 락킹
동기화의 문제 - lock
Advisory lock(POSIX : fcntl(), BSD : flock())
OS가 특정 프로세스에 의해 Locking된 파일에 대하여 정확한 자
료를 유지하되, 다른 프로세스에 의해 Locking된 파일에 대하여 쓰
기를 막지 않는 것을 말함
프로세스는 advisory lock을 무시하고 적절한 권한이 있다면 Lock
된 파일에 쓰기를 할 수 있음
Mandatory lock(System V Release 3 : lockf())
호출 프로세스가 접근하려는 파일에 대해 lock을 위반하지 않는가
를 검사하기 위해 kernel로 하여금 open, read, write를 검사하는
방식
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56
파일 락킹
Read lock, write lock
어떤 lock이든 read locks는 공유되고 여러 프로세스가 lock을 걸
수 있음
write locks는 exclusive이며 단지 하나의 프로세스만이 lock을
걸 수 있음
같은 file region에 다른 프로세스들이 read lock을 걸었을 때,
write lock을 걸 수 없음
요청한 락
현재 락
읽기
쓰기
락이 없음
yes
yes
읽기 락
yes
no
쓰기 락
no
no
P.516 락 허용 여부
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파일 락킹
리눅스 파일 락킹
Linux에서 locking
Advisory locks
○
○
fcntl() - FL_POSIX 타입
flock() - FL_LOCK 타입
mandatory locks
○
Lockf() – System V
mount() 시스템 콜의 MS_MANDLOCK flag를 사용하여 파일시스
템 당 enable와 disable할 수 있음
디폴트 값은 mandatory locking switch off
두 가지 lock은 공존하며 서로에게 영향을 주지 않음
fcntl()이 file에 lock을 걸면 flock()는 나타나지 않음
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58
파일 락킹
파일 락킹 자료구조
struct file_lock {
struct file_lock *fl_next;
/* singly linked list for this inode */
struct file_lock *fl_nextlink;
/* doubly linked list of all locks */
struct file_lock *fl_prevlink;
/* used to simplify lock removal */
struct file_lock *fl_nextblock; /* circular list of blocked processes */
struct file_lock *fl_prevblock;
fl_owner_t fl_owner;
unsigned int fl_pid;
struct wait_queue *fl_wait;
struct file *fl_file;
unsigned char fl_flags;
unsigned char fl_type;
off_t fl_start;
off_t fl_end;
void (*fl_notify)(struct file_lock *);/* unblock callback */
union {
struct nfs_lock_info
nfs_fl;
} fl_u;
};
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59
파일 락킹
FL_LOCK lock(File object에 관련)
Lock이 요구될 때 커널은 같은 파일 객체를 참조하는 다른 lock으로 변
환
파일 객체가 fput()에 의해 free될때 파일객체를 참조하는 모든
FL_LOCK locks은 destoryed된다.
다른 FL_LOCK은 같은 파일(inode)의 다른 프로세스에 의해 설정된
locks를 읽고, 여전히 active상태로 남음
sys_flock()
주어진 fd가 유효한 file descriptor인지 검사.
fl_flags에 의해서 file_lock 구조체를 초기화하기 위해
flock_make_lock()을 수행.
lock이 요구된다면, open file에 대해서 read, write permission
이 있는지 검사
flock_lock_file() 수행
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60
파일 락킹
FL_POSIX lock(프로세스와 inode에 관련)
프로세서가 죽거나 파일 디스크립터가 closed될 때 Lock는 자동으로
release된다.
절대 fork()를 통해 child에게 상속되지 않음
sys_fcntl()
user space로부터 flock 구조체를 읽음
fd와 관련된 file object를 얻음
lock이 mandatory인지 검사
새로운 file_lock을 초기화하기 위해서 posix_make_lock()을 수행
access mode를 허용하지 않으면 error return.
file operation의 lock method를 수행
posix_lock_conflict() 수행
○
○
○
○
inode의 lock list에 있는 각 FL_POSIX lock을 위해 posix_locks_conflict() 수행
상반된 lock이 있고 fcnti()이 F_SETLK flag를 가지고 수행되었으면 error 리턴
inode의 lock list가 포함되면, 모든 현재 프로세스의 FL_POSIX lock를 검사
새로운 file_lock 구조체를 global lock list와 inode list에 넣는다
0을 리턴
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61
Part VII :
리눅스 2.4 예상
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62
리눅스 2.4 예상
리눅스 2.4 VFS
새로운 파일 시스템 8개 지원
Udf
DVD 장치 지원
최대 파일 크기 늘었음
Inode의 i_size 필드를 32bit에서 64bit로 확장
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