리눅스 파일시스템

파일이란?

컴퓨터에서 의미 있는 정보를 담은 논리적인 단위, 실행파일과 데이터파일로 나뉨
파일시스템 : 파일들을 관리하기 위한 시스템

파일의 할당

블록 : 하드디스크와 데이터를 주고받을 때 사용되는 논리적인 단위보통 4kb)
메타데이터(inod 블록으로 저장), 데이터
파일의 접근, 파일의 경로, 파일의 이름
디렉토리도 파일의 일종
링크 : 다른 디렉토리에서 같은 파일에 접근, 심볼릭 링크(원본파일 경로 저장, 윈도우 바로가기), 하드링크(원본과 구분이 어려움)
파일의 보호 : Access control List, 접근권한 비트(9비트로 관리)→소유자,그룹,기타, rwxr-xr—, 111101100, 754
파일의 일관성
fsck, file system checker- 복구가 불가능한 경우가 있으며 모든 디렉토리 탐색으로 느림
저널링 : inode나 비트맵 수정 시 로그로 남김, 로그를 기준으로 일관성을 유지

리눅스 메모리관리

메모리

가상메모리 : 프로세스는 0번지 부터 시작하는 자기 자신만의 메모리 주소 공간을 가정함. 이를 가상메모리라 하고 일부는 물리적 메모리에, 일부는 디스크의 스왑 영역에 존재한다.
운영체제, 프로세스 등 CPU를 점유하기 위해 대기중인, 주소로 인덱싱하는 커다란 배열
주로 메인메모리(RAM)을 뜻함, 프로세스는 메모리에 적재되어야 CPU에 의해 작업할 수 있음, 유일한 작업공간
Symbolic address(int a 등 프로그래머가 작성한 변수) → 컴파일러 → logical address(00 .. 19): 각 프로그램마다 같은 논리주소를 가지고 있음
가상주소(논리주소) → physical address(물리주소) : 하드웨어에 올라가는 위치
CPU가 논리주소만을 읽음
Memory management unit : 하드웨어, 프로그램의 시작주소를 가진 base register, 마지막 limit register, base register + 논리주소 → 물리주소를 알게 해줌, Limit register로 프로세스가 요청하는 논리주소가 물리주소 유효범위에 맞는지 확인함, 범위가 넘어가는 경우 운영체제에게 CPU를 넘김, 이후 운영체제에서 에러처리
Swapping: 메모리 관리를 위해 메모리에 적재된 프로세스를 하드디스크로 잠시 옮겨놓는 것

프로세스간 페이지 공유

프로세스들이 메모리를 공유하는 것을 가능하게 하고(시스템 라이브러리 등), 프로세스들은 공유 메모리를 통해 통신할 수 있음
각 프로세스들은 각자 자신의 주소 공간처럼 인식하지만, 실제 물리 메모리는 공유되고 있음
fork()를 통한 프로세스 생성 과정에서 페이지들이 공유되는 것을 가능하게 함

메모리 할당

단편화

프로세스들이 메모리에 적재, 제거되는 일이 반복되면, 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용 하지 못할 만큼의 작은 자유공간들이 늘어나게 되는것
내부단편화 : 프로세스가 사용하는 메모리 공간 에 포함된 남는 부분. 빈 공간이 50MB인데 프로세스 메모리가 30MB일 때 남은 빈 공간
외부단편화 : 물리 메모리(RAM)에서 사이사이 남는 공간들을 모두 합치면 충분한 공간이 되는 부분들이 분산되어 있을때 발생, 메모리 공간 50 + 50MB이지만 필요 메모리(프로세스)가 70MB일 때

페이징

외부단편화 문제는 해결하지만 페이징은 내부단편화문제는 해결하지 못 함
물리적인 메모리 공간을 동일한 크기로 나눔(frame) → 프로그램(프로세스 논리메모리)을 frame과 동일한 크기로 자름(page) → 최소한의 페이지만 메모리에 옮기고 나머지는 swap공간에 저장해둠(페이징기법), 별도의 페이지테이블을 사용함, 페이지테이블을 메모리에 저장함(메모리 낭비)
shared page를 사용함
TLB(캐시메모리, 하드웨어) : 테이블페이지를 위해 메모리에 2번 접근하지 않기 위해 캐시메모리로 이용(paging with tlb)
물리주소를 논리주소로 변환하기 위해 tlb, mmu 등의 지원을 받음
운영체제의 역할 : 가상 메모리(물리메모리 + 하드디스크 스왑공간)로 사용자 프로세스 속이기, IO 장치 관리
page fault : cpu가 요청하는 페이지가 tlb와 메모리에 없는 경우 프로세스 일시 정지 후 운영체제가 cpu 점유, 이유를 체크하고 스왑공간에서 페이지를 메모리로 가져오고 tlb에 주소 등록, 페이지테이블에도 등록 → 스왑공간에서 페이지를 가져오는 시간이 길기 떄문에 다른 프로세스로 cpu가 넘어갈 수 있고 이럴 경우 기존 프로세스는 대기큐에 들어감.
page replacement : 운영체제는 lru를 활용하기 어려움(참조시점 정보를 다 알기 어려움) → clock 알고리즘(페이지마다 한개의 reference bit을 갖게 해 프로세스로부터 참조되면 비트가 1로 올라감, 운영체제는 1비트를 0으로 내리고 0을 만나면 그 페이지를 교체시킴), 이 비트는 페이지 테이블에 저장됨(하드웨어의 도움을 받음), 페이지테이블의 dirty bit을 참조해 변경된 점이 있는지 살피고 반영한다.
페이지 교체 알고리즘 : FIFO 페이지 교체, 최적 페이지 교체(Optimal Page Replacement), LRU 페이지 교체(Least-Recently-Used Page Replacement), LFU 페이지 교체(Least Frequently Used Page Replacement), MFU 페이지 교체(Most Frequently Used Page Replacement)

Thrashing

(메모리 영역에 접근하게 될 때, 메모리에 페이지 부재(=페이지 폴트(Page fault)율이 높은 것을 의미하며, 심각한 성능 저하를 초래) →working set 알고리즘(프로세스마다 특정 시간동안 참조되는 페이지의 개수를 파악, 프레임이 확보되면 그 때 페이지를 메모리에 올림), page fault frequency 알고리즘 : Page-fault rate의 상한값과 하한값을 두고, Page fault rate 상한값을 넘으면 frame을 더 할당 Page fault rate 하한값 이하면 할당 frame 수를 줄인다
메모리가 고갈되면 프로세스들의 swap 현상이 늘어나면서 CPU 가동률 감소→ 운영체제가 프로세스 추가, 쓰레싱 발생 → 스레싱이 해소되지 않을 경우 out of memory로 판단 중요도가 낮은 프로세스 강제 종료

참고

Segmentation(세그멘테이션)

논리 메모리와 물리 메모리를 서로 다른 크기의 논리적 단위인 세그먼트(Segment)로 분할, 사용자가 두 개의 주소로 지정(세그먼트 번호 + 변위)
세그먼트 테이블에는 각 세그먼트의 기준(세그먼트의 시작 물리 주소)과 한계(세그먼트의 길이)를 저장
서로 다른 크기의 세그먼트들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다 보면 외부 단편화문제가 생김

Demand Paging(요구 페이징)

실행 시작 시에 프로그램 전체를 디스크에서 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략
프로세스 내의 개별 페이지들은 페이저(pager)에 의해 관리