Study · 운영체제 · 파일 만들기 · 파일과 디렉터리

파일 하나를 만들면 두 곳이 바뀐다

장면

touch a.txt 한 번에 디스크에서 바뀌는 곳은 몇 군데일까? 이름과 내용은 같은 자리에 있을까?

$ touch a.txt
$ ls -i a.txt
1441801 a.txt
$ stat -c 'Inode: %i  Links: %h' a.txt   # 알맹이 번호와 이름 개수만 뽑아 본다
Inode: 1441801  Links: 1
# 번호는 만들 때마다 달라진다 — 아래 「어떻게 확인했나」의 344736 은 따로 잰 값이다

먼저 알아야 할 말

디스크: 전원을 꺼도 내용이 남는 저장 장치다. 대신 메모리보다 훨씬 느리다.
inode: 파일 하나의 정보를 모아 둔 커널 안의 기록이다. 크기 · 주인 · 권한 비트가 여기 있고, 파일 이름은 여기 없다(이름은 디렉터리가 들고 있다). 파일 항목들에서 「알맹이」라고 부르는 것이 이것이다.
구조체: 값 여러 개를 한 덩어리로 묶어 둔 것이다. C 에는 클래스가 없어서 이렇게 쓴다 — 메서드 없이 필드만 있는 자바 클래스라고 보면 된다. C 에서 a->b 는 자바의 a.b 와 같다(안에 든 것을 꺼낸다).
파일 시스템: 디스크에 파일을 어떤 모양으로 늘어놓을지 정한 방식이다. 우분투 기본은 ext4 다. VFS 덕에 어느 것을 쓰든 ls · rm 같은 명령은 똑같이 통한다.
디렉터리 엔트리: 디렉터리 안에 든 「이름 → inode 번호」 한 줄이다. 파일 이름은 파일 자신이 아니라 디렉터리가 들고 있다.
커널: 컴퓨터가 켜져 있는 동안 늘 돌고 있는 프로그램 하나다. 파일을 만들고 지우는 일, 프로그램을 띄우는 일은 내 프로그램이 직접 못 하고 전부 커널에 부탁한다. 터미널에 친 명령이 실제로 무언가를 하는 순간은 늘 커널 안이다.
VFS: Virtual File System. 디스크가 무엇이든 · USB 든, 종류가 달라도 똑같은 open · read 로 다루게 해 주는 층이다. 자바의 인터페이스와 같은 자리다.
계층: 받은 바이트를 순서대로 처리하는 단계들이다. 아래층이 자기 머리말을 떼고 나서야 위층이 본다 — 랜 카드 → IP → TCP → 소켓 차례로 넷이다.
rwx: 읽기(r) · 쓰기(w) · 실행(x) 권한이다. 주인 · 그룹 · 나머지 셋으로 나뉘어 아홉 자리가 된다 — ls -l 의 rw-r--r-- 가 그것이다.
umask: 새로 만드는 파일에서 미리 빼 둘 권한이다. 프로그램이 0666 으로 달라고 해도 실제로는 rw-r--r-- 가 되는 것이 이것 때문이다.
파일 디스크립터: 프로세스가 무언가를 열고 받는 번호표다. 프로세스마다 따로 있는 표의 몇 번째 칸인지를 뜻한다 — ls -l /proc/self/fd 로 그 표가 보인다. 파일만의 것이 아니다. 소켓도 파이프도 같은 표에 걸리고, 그래서 read · write 가 셋 모두에 똑같이 통한다.
프로세스: 돌고 있는 프로그램 하나다. ps 가 줄마다 보여 주는 것이 프로세스이고, 각각 번호(PID)가 있다.
바이트: 컴퓨터가 다루는 가장 작은 덩어리 단위로, 0부터 255 사이의 숫자 하나다. 파일도, 네트워크로 오가는 글자도 결국 바이트의 나열이다. B는 바이트, KB는 약 1,000바이트, MB는 약 100만 바이트다. 「바이트가 도착했다」는 아직 글자로 읽기 전, 숫자 덩어리 상태로 도착했다는 뜻이다.

아래 재생기의 ▶를 누르면 한 스텝씩 진행된다. 금색 테두리가 지금 이야기하는 곳이고, 캡션이 무슨 일이 일어났는지 말해 준다. 굵게 밑줄 친 말은 누르면 뜻이 나온다. 빨간 딱지는 그때 벌어지는 일의 이름이고, 캡션 바로 위 회색 글자는 지금 스텝이 속한 묶음의 이름이다.

카드 아래 회색 줄은 그 일이 실제로 적혀 있는 소스의 파일 이름 : 줄 번호와 함수 이름이다. 글 안에 (:669)처럼 줄 번호만 적힌 것은 바로 앞에 적은 파일의 그 줄이라는 뜻이다. 캡션 한가운데 박힌 긴 영어 이름과 괄호 속 파일 · 줄 번호도 같다 — 건너뛰고 한글만 읽어도 뜻이 통하게 써 두었다.

장면 · 파일 하나를 만들면 두 곳이 바뀐다 0 / 10

▶ 를 누르면 touch a.txt 한 번에 커널 안에서 무엇이 생기는지 따라간다. 여기서 알맹이라고 부르는 것은 inode 다 — 파일 하나의 크기와 주인과 권한을 모아 둔 커널 안의 기록이고, 파일 이름은 거기 없다. 이름과 알맹이가 서로 다른 자리에 따로 만들어진다는 것이 이 장면의 요지다. 이 장면은 우분투 기본 파일 시스템인 ext4 를 기준으로 한다 — XFS 나 Btrfs 면 VFS 아래 절반이 다르다.

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파일 하나를 만들면 알맹이(inode)와 이름(디렉터리 한 줄)이 각각 따로 만들어진다. 둘이 다른 곳에 있다는 것이 뒤의 세 항목을 푸는 열쇠다.

어떻게 확인했나

소스 어디를 보고 적었는지와 무엇을 돌려서 쟀는지를 남긴 자리다. 처음 읽을 때는 건너뛰어도 된다.

touch 가 지나는 길에 vfs_create 는 없다. openat(O_CREAT) → path_openat(fs/namei.c:4980) → open_last_lookups(:4734) → lookup_open(:4431) 이고, 실제로 만드는 줄은 lookup_open 안의 dir_inode->i_op->create(:4567)다. vfs_create(:4177)는 filename_mknodat(:5293)이 들어오는 다른 문이고, 둘 다 ext4 에서는 ext4_create(fs/ext4/namei.c:2815)로 간다. 소스에서 확인했다.
알맹이와 이름이 서로 다른 함수에서 만들어진다 — inode 번호는 __ext4_new_inode(fs/ext4/ialloc.c:933)가 inode->i_ino(:1260)에 매기고, 이름 한 줄은 ext4_add_nondir(fs/ext4/namei.c:2786)이 부른 ext4_add_entry(:2791)가 부모 디렉터리에 적는다. 둘을 잇는 것은 d_instantiate_new(:2796)다.
새 inode 의 i_nlink 는 inode_init_always_gfp(fs/inode.c:223)에서 1 로 초기화된다(:238). 권한 아홉 자리와 주인은 inode_init_owner(:2719)가 i_mode(:2731)와 i_uid 에 적는다 — 이름 쪽이 아니라 알맹이 쪽이다.
만들 권한은 만들려는 파일이 아니라 부모 디렉터리에 묻는다 — may_o_create(fs/namei.c:4315)의 inode_permission(idmap, dir->dentry->d_inode, MAY_WRITE | MAY_EXEC)(:4326).
touch new.txt 뒤 stat 은 Inode: 344736, Links: 1 이었다. 갓 만든 파일의 링크 수가 1 인 것은 그 알맹이를 가리키는 이름이 하나뿐이라는 뜻이다.

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