운영체제 기본/Linux의 파일 읽기

응용 프로그램이 read(fd, buf, count)를 호출하면 커널은 fd로 열린 파일 객체를 찾고, 그 객체에 연결된 읽기 구현을 호출한다. 기준은 Linux v6.12다.

일반적인 read() 경로를 대상으로 한다. io_uring은 별도 경로이며, mmap을 통한 접근은 주소 공간 설정과 페이지 폴트로 이어진다.

fd에서 struct file까지

fd = 3
  |
  +--> current->files     (files_struct)
             |
             +--> fdt     (fdtable)
                    |
                    +--> fd[3] --> struct file

current는 현재 실행 중인 태스크를 나타낸다. current->files로 접근하는 files_struct에 파일 디스크립터 테이블이 연결되어 있고, fdtable.fd는 struct file 포인터의 배열이다. 같은 fd 값도 어느 테이블에서 찾는지에 따라 다른 열린 파일을 가리킬 수 있다.

파일 디스크립터 테이블의 참조 관계:

files = current->files;
table = files->fdt;
opened_file = table->fd[fd];

실제 ksys_read()는 fdget_pos()를 통해 객체를 얻는다. 그 아래의 fdget(), __fget_light()와 조회 함수들은 참조와 동시 접근을 처리한다. 위 그림에서는 이 부분을 생략했다. 직접 배열을 조회하는 코드에는 이러한 보호가 없으므로 실제 조회 함수를 대신할 수 없다.

소스:

include/linux/fdtable.h의 fdtable, files_struct, files_lookup_fd_raw()^[1].
fs/file.c의 __fget_light(), fdget_pos()^[2].

struct file에서 읽기 연산까지

struct file의 f_op는 연산 함수들을 모은 file_operations를 가리킨다. 파일마다 응용 프로그램의 호출 형태를 바꾸는 대신, 커널 안에서 해당 대상에 맞는 연산을 선택하는 구조다.

struct file
    |
    +--> f_op (file_operations)
              |
              +--> read
              |
              +--> read_iter

ksys_read()는 얻은 객체를 vfs_read()에 넘긴다. vfs_read()는 접근 모드, 사용자 버퍼 등에 관한 검사를 거쳐 읽기 구현을 선택한다.

if (opened_file->f_op->read)
    opened_file->f_op->read(...);
else if (opened_file->f_op->read_iter)
    new_sync_read(...);

new_sync_read()는 read_iter 호출에 필요한 요청과 버퍼 정보를 구성한다. 사용 가능한 함수 포인터에 따라 한 경로를 선택한다.

소스:

include/linux/fs.h의 struct file, struct file_operations^[3].
fs/read_write.c의 ksys_read(), vfs_read(), new_sync_read()^[4].

파일시스템으로 넘어가는 경계

vfs_read()는 VFS의 공통 파일 연산을 통해 실제 구현으로 연결된다. 열린 파일에 어떤 연산표가 설정되는지는 open()과 파일시스템의 객체 구성에서 결정된다.

응용 프로그램에는 fd와 읽기 인터페이스가 보인다. 커널 내부에서는 테이블 조회로 객체를 찾고, 연산 테이블로 구현을 선택한다.

다만 함수 포인터를 호출하는 것만으로 읽기가 끝나는 것은 아니다. 선택된 구현 아래에서 파일시스템, 캐시, 장치 드라이버 등의 처리가 이어질 수 있다.

ext4의 일반 파일 읽기는 공통 페이지 캐시로 이어진다. /proc/uptime 읽기는 커널 상태로 문자열을 만든다. 같은 read()를 호출해도 데이터를 얻는 경로가 달라지는 지점이다.

참고 문헌

[kernel-1-1] Linux v6.12, include/linux/fdtable.h.

[kernel-2-2] Linux v6.12, fs/file.c.

[kernel-3-3] Linux v6.12, include/linux/fs.h.

[kernel-4-4] Linux v6.12, fs/read_write.c.

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fd에서 struct file까지

struct file에서 읽기 연산까지

파일시스템으로 넘어가는 경계

관련 각론

참고 문헌