[Computer Science] [시스템 프로그래밍] 파일 다루기

시스템 프로그래밍

• 운영체제, 하드웨어와의 상호작용을 프로그래밍 하는 것
• 커널이 제공하는 기능을 직접 제공받으며 low-level에서 동작하는 프로그램을 작성하는 것
• 커널이 제공하는 기능: 시스템 콜 주로 활용
• 운영체제, 네트워크 파트에서 학습한 내용을 소스코드 레벨에서 관측해보자.
• 타 프로그래밍 언어를 이용하더라도 공통적으로 사용될 시스템 프로그래밍 개념
  • 파일 입출력
  • 프로세스간 통신
  • 소켓 프로그래밍

파일 디스크립터

• 프로세스는 운영체제로부터 파일을 할당받는다. 이걸 어떻게 구분할 수 있을까?
• 파일을 식별하기 위해 운영체제로부터 할당 받은 정보
  • 입출력장치, 파이프, 소켓도 파일 디스크립터로 식별
  • 마치 위에 장치들을 파일로 다룬다.
• 일반적으로 0이상의 정수 형태
• 프로세스가 파일을 열거나 생성할 때 운영체제는 해당 파일에 대한 파일 디스크립터 할당
• 저수준에서 파일을 식별하는 정보
• 고정된 파일 디스크립터 값
  • 0번: 표준 입력
  • 1번: 표준 출력
  • 2번: 표준 에러

파일 디스크립터 반환받기(파일 열기)

open 메서드의 인자와 반환값이 유의미하다.

• Paramteter
  • pathname: 파일 경로
    • 절대 경로(root 기준)와 상대 경로(현재 기준)
  • flag: 접근 플래그
    • 어떻게 열지 결정하는 값
    • 읽기 전용, 쓰기 전용, 읽기 쓰기 전용, 파일 생성,파일 내용 삭제 등등
  • mode: 파일 생성시 모드
    • 권한이 들어간다.
    • 소유자에 대한 읽기 쓰기 등, 그룹에 대한 읽기 쓰기, 제 3자에 대한 권한 등
  • Owner, Group, Other
  • 읽기 4, 쓰기 2, 실행 1
  • Owner 권한 4 + 2(읽고 쓰기)
  • Group 권한 4 + 1(읽기 실행)
  • Other 권한 4(읽기)
• Return
  • 성공시 파일 디스크립터
  • 실패시 -1

파일 디스크립터 (파일 닫기)

Paramter

• fd: 닫고자 하는 파일 디스크립터

Return

• 성공시 0
• 실패시 -1

open - close 예제 코드

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.FileDescriptor;
import java.io.IOException;

public class File_2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            String filePath = "example.txt";

            // 파일 디스크립터로 파일 열기
            FileInputStream fis = new FileInputStream(filePath);
            FileDescriptor fd = fis.getFD();

            // 파일 디스크립터 값 출력
            System.out.println("파일 디스크립터 값: " + fd.toString());

            // 파일 디스크립터를 이용한 파일 읽기
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead = fis.read(buffer);
            System.out.println("파일 내용: " + new String(buffer, 0, bytesRead));

            // 파일 닫기
            fis.close();

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

파일 포인터

• 파일을 스트림처럼 읽고 쓰기 위한 자료형 → 편리한 함수 기능 많음
• 파일 디스크립트가 저수준에서 파일을 식별하는 정보라면 파일을 고수준에서 파일 식별 정보

https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Streams-and-File-Descriptors.html

파일 열기

Parameter

• pathname: 파일 경로
• mode: 파일 열기 모드
  • r, w, a, r+, w+, a+ 등 여러가지 기능이 있음
   

Return

• 성공시 0
• 실패시 NULL

파일 닫기

Parameter

• stream: 파일 포인터

Return

• 성공시 0
• 실패시 EOF

파일 읽기

Parameter

• stream: 파일 포인터
• format: 입력 포맷

Return

• 성공시 입력받은 item 개수
• 실패시 EOF

파일에서 문자/문자열 읽기

문자 하나 읽기

Parameter

• stream: 파일 포인터

Return

• 성공시 읽은 문자
• 실패시 EOF

문자열 읽기

Parameter

• s: 문자열 버퍼
• size: 버퍼 크기
• stream: 파일 포인터

Return

• 성공시 문자열을 가리키는 포인터
• 실패시 NULL

파일 쓰기

Parameter

• stream: 파일 포인터
• format: 출력 형식

Return

• 성공시 쓰여진 바이트 값
• 실패시 음수 정수값

문자/문자열 읽기

Parameter

• c: 출력할 문자
• stream: 파일 포인터

Return

• 성공시 쓰인 문자
• 실패시 EOF

Parameter

• s: 출력할 문자열
• stream: 파일 포인터

Return

• 성공시 0이상의 정수
• 실패시 EOF

파일 쓰기

Parameter

• ptr: 출력할 바이트 포인터
• size: 출력 item 크기
• nmemb: 출력 item 개수
• stream: 파일 포인터

Return

• 출력된 item 개수

디렉터리 다루기

디렉터리 생성

Parameter

• pathname: 생성하려는 디렉터리의 경로
• mode: 생성하려는 디렉터리의 초기 접근 권한
  • Owner, Group, Other로 분리된다.

Return

• 성공시 0
• 실패시 -1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    const char *dirname = "example_dir";

    // 디렉터리 생성
    if (mkdir(dirname, 0755) == 0) {
        printf("디렉터리 생성 성공: %s\\n", dirname);
    } else {
        perror("디렉터리 생성 실패");
        return 1;
    }

    return 0;
}

비어있는 디렉터리 삭제하기

Parameter

• pathname: 삭제하려는 디렉터리의 경로명

Return

• 성공시 0
• 실패시 -1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char *dirname = "example_dir";

    // 디렉터리 삭제
    if (rmdir(dirname) == 0) {
        printf("디렉터리 삭제 성공: %s\\n", dirname);
    } else {
        perror("디렉터리 삭제 실패");
        return 1;
    }

    return 0;
}

디렉터리 열기

Parameter

• name: 개방하려는 디렉터리의 경로명

Return

• 성공시 DIR 형 포인터 반환
• 실패시 NULL 반환

디렉터리 읽기

Parameter

• dirp: opendir로 개방한 디렉터리에 대한 포인터

Return

• 성공시 struct dirent 포인터 반환
  • *DIR 는 디렉터리를 다루기 위한 핸들러
  • struct dirent: 그를 통해 접근 가능한 디렉터리 엔트리
• 실패시 혹은 더 이상 읽을 디렉터리 항이 없을 경우 NULL 반환

하드링크와 심볼릭링크

아이노드

아이노드(i-node)라는 색인 블록을 활용한 파일 시스템

아이노드는 사실상 파일의 모든 것을 담고 있다

파티션 내 아이노드 영역

하드링크

• 하드링크 생성시 같은 아이노드를 공유하는 하드링크파일이 생성됨.

• 하드파일과 원본 파일은 이름만 다르지만 사실상 똑같다.
• 원본파일이 지워지면 하드파일을 조작할 수 있다.
• 하드링크는 같은 아이노드 번호를 가지는 파일 생성
• 하드 링크 파일은 원본 파일과 같은 데이터 공유원본 파일이 삭제/이동해도 하드 링크 파일은 남아 있음
• 하드링크는 같은 아이노드 번호를 가지는 파일 생성
  • 여러 이름으로 파일을 참조하고 싶을 때

심볼릭 링크 파일 (= 소프트링크, 윈도우의 바로가기!)

• 심볼릭 링크 생성시 원본 파일을 가리키는 새로운 아이노드를 만든다
• 원본파일을 바라 보고 있는 파일이다.
• 원본파일이 지워지면 심볼릭 링크 파일을 조회 할 수 없다.
• 원본 파일과 같은 데이터를 공유하지 않음 (원본 파일의 위치만 알 뿐)
• 원본 파일이 삭제/이동하면 심볼릭 링크 파일은 사용 불가
• 심볼릭 링크는 원본 파일을 가리키는 파일 생성
  • 하드 링크 파일에 비해 조작이 간편
  • 복잡한 경로에 있는 파일을 참조하고자 할 때

하드링크 생성하기

Parameter

• oldpath: 생성하려는 디렉터리의 경로
• newpath: 생성할 하드 링크 파일 경로

Return

• 성공시 0
• 실패시 -1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char *originf = "original.txt";
    const char *linkf = "linked.txt";

    // 원본 파일 생성
    FILE *file = fopen(originf, "w");
    if (file == NULL) {
        perror("원본 파일 생성 오류");
        return 1;
    }
    fprintf(file, "원본 파일\\n");
    fclose(file);

    // 링크 생성
    if (link(originf, linkf) == 0) {
        printf("링크 생성 성공: %s -> %s\\n", linkf, originf);
    } else {
        perror("링크 생성 실패");
        return 1;
    }

    return 0;
}

심볼릭링크 생성하기

Parameter

• target: 원본 파일 경로
• linkpath: 생성하려는 심볼릭링크 파일 경로

Return

• 성공시 0
• 실패시 -1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char *originalf = "original.txt";
    const char *symlinkf = "symlink.txt";

    // 원본 파일 생성
    FILE *file = fopen(originalf, "w");
    if (file == NULL) {
        perror("원본 파일 생성 오류");
        return 1;
    }
    fprintf(file, "원본 파일\\n");
    fclose(file);

    // 심볼릭 링크 생성
    if (symlink(originalf, symlinkf) == 0) {
        printf("심볼릭 링크 생성 성공: %s -> %s\\n", symlinkf, originalf);
    } else {
        perror("심볼릭 링크 생성 실패");
        return 1;
    }

    return 0;
}

파일 속성 다루기

파일 (file)

• 보조기억장치의 의미있는 정보의 집합
• 구성요소
  • 이름
  • 실행하기 위한 정보
  • 부가정보

파일(+ 디렉터리) 접근 단위: 블록(block)

• 섹터 단위로 접근하지 않음