inode 구조 심화 (inode Structure)

Linux 커널 inode 자료구조, inode_operations, inode 캐시, 파일시스템별 구현 심층 분석.

inode 개요

struct inode는 파일시스템의 파일(또는 디렉터리, 심볼릭 링크 등)을 나타내는 메타데이터 객체입니다. 파일명이 아닌 파일 자체의 속성을 저장합니다 — 파일명은 dentry가 담당합니다.

inode 추상화 원리

Unix/Linux 파일시스템의 핵심 설계 원리는 "이름(name)과 메타데이터(metadata)의 분리"입니다:

• dentry (디렉터리 엔트리): 파일의 이름과 부모-자식 관계(경로 구조)를 관리합니다. 하나의 inode에 여러 dentry가 연결될 수 있습니다(하드 링크).
• inode: 파일의 실체 — 크기, 권한, 타임스탬프, 데이터 위치 등 파일 자체의 속성을 저장합니다. 고유한 inode 번호(i_ino)로 식별됩니다.

이 분리 덕분에 하드 링크(같은 inode에 여러 이름), 파일 이동(dentry만 변경, inode 불변), 삭제된 파일의 계속 접근(열린 파일 디스크립터가 inode 참조 유지) 등이 가능합니다.

VFS inode vs 파일시스템별 inode

커널은 2단계 inode 구조를 사용합니다:

• VFS inode (struct inode): 모든 파일시스템에 공통인 메타데이터(크기, 권한, 타임스탬프, 참조 카운트 등). VFS 계층이 직접 접근합니다.
• FS-specific inode (예: struct ext4_inode_info): 파일시스템 고유의 데이터(extent 트리, 저널링 정보 등). container_of() 매크로로 VFS inode에서 역추적합니다.

각 파일시스템은 자체 inode 구조체에 VFS inode를 임베드합니다. 이 패턴은 상속 없이 다형성을 달성하는 커널의 전형적인 객체 지향 기법입니다.

inode 캐시 동작 원리

VFS는 inode 캐시(icache)를 유지하여 디스크 I/O를 최소화합니다. 동작 원리는 다음과 같습니다:

1. 해시 테이블 조회: 파일 접근 시 (superblock, inode 번호) 쌍으로 해시 테이블을 검색합니다. 히트하면 디스크 읽기 없이 즉시 반환합니다.
2. LRU 관리: 참조 카운트(i_count)가 0이 된 inode는 LRU 리스트에 들어갑니다. 즉시 삭제하지 않고 캐시에 유지하여, 재접근 시 빠르게 활용합니다.
3. 메모리 회수: 메모리 압력 시 커널의 shrinker가 LRU 끝에서부터 inode를 회수합니다. vm.vfs_cache_pressure sysctl로 회수 적극성을 조절합니다 (기본값 100, 높으면 더 적극적 회수).

struct inode 주요 필드

struct inode {
    umode_t             i_mode;      /* 파일 유형 + 권한 */
    unsigned short      i_opflags;
    kuid_t              i_uid;       /* 소유자 UID */
    kgid_t              i_gid;       /* 소유자 GID */
    unsigned int        i_flags;

    const struct inode_operations *i_op;   /* inode 연산 */
    struct super_block  *i_sb;        /* 소속 superblock */
    struct address_space *i_mapping;  /* 페이지 캐시 매핑 */

    unsigned long       i_ino;       /* inode 번호 */
    atomic_t            i_count;     /* 참조 카운트 */
    unsigned int        i_nlink;     /* 하드 링크 수 */
    loff_t              i_size;      /* 파일 크기 (바이트) */
    struct timespec64   __i_atime;   /* 최종 접근 시간 */
    struct timespec64   __i_mtime;   /* 최종 수정 시간 */
    struct timespec64   __i_ctime;   /* 최종 변경 시간 */
    blkcnt_t            i_blocks;    /* 할당된 블록 수 */

    const struct file_operations *i_fop; /* file 연산 */
    struct list_head    i_devices;
    union {
        struct pipe_inode_info *i_pipe;
        struct cdev  *i_cdev;
        char         *i_link;    /* symlink target */
    };
    void                *i_private;  /* fs-specific data */
};

inode_operations

struct inode_operations {
    struct dentry *(*lookup)(struct inode *, struct dentry *, unsigned int);
    int (*create)(struct mnt_idmap *, struct inode *, struct dentry *, umode_t, bool);
    int (*link)(struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
    int (*unlink)(struct inode *, struct dentry *);
    int (*mkdir)(struct mnt_idmap *, struct inode *, struct dentry *, umode_t);
    int (*rmdir)(struct inode *, struct dentry *);
    int (*rename)(struct mnt_idmap *, struct inode *, struct dentry *,
                  struct inode *, struct dentry *, unsigned int);
    int (*setattr)(struct mnt_idmap *, struct dentry *, struct iattr *);
    int (*getattr)(struct mnt_idmap *, const struct path *, struct kstat *, u32, unsigned int);
};

inode 캐시

VFS는 inode 캐시(icache)를 유지하여 디스크 접근을 최소화합니다. 사용 중이지 않은 inode는 LRU 리스트에 들어가며, 메모리 압력 시 회수됩니다.

inode 파일 유형

ext4 inode 확장

각 파일시스템은 VFS inode를 자체 구조체에 임베드합니다. ext4의 경우:

struct ext4_inode_info {
    __le32  i_data[15];     /* block pointers or extent tree */
    __u32   i_flags;
    ext4_fsblk_t i_file_acl;
    /* ... ext4 specific fields ... */
    struct inode vfs_inode;  /* VFS inode 임베드 */
};

/* VFS inode에서 ext4 inode로 변환 */
static inline struct ext4_inode_info *EXT4_I(struct inode *inode)
{
    return container_of(inode, struct ext4_inode_info, vfs_inode);
}

inode 생명주기

inode는 할당 → 초기화 → 사용 → 해제의 생명주기를 가집니다. 참조 카운트(i_count)와 하드 링크 수(i_nlink)가 모두 0이 되면 삭제됩니다.

/* 새 inode 할당 (파일시스템별 alloc_inode 호출) */
struct inode *inode = new_inode(sb);

/* inode 번호 할당 및 해시 테이블에 삽입 */
inode->i_ino = get_next_ino();
insert_inode_hash(inode);

/* 초기 속성 설정 */
inode->i_mode = S_IFREG | 0644;
inode_init_owner(idmap, inode, dir, mode);
inode->i_op = &myfs_inode_ops;
inode->i_fop = &myfs_file_ops;
inode->i_mapping->a_ops = &myfs_aops;

/* 참조 카운트 관리 */
ihold(inode);     /* i_count++ (참조 획득) */
iput(inode);      /* i_count-- (참조 해제, 0이면 evict) */

/* inode 삭제 경로 */
/* i_nlink == 0 && i_count == 0 → evict_inode() 호출 */

파일시스템별 inode 할당

각 파일시스템은 alloc_inode()와 free_inode()를 구현하여 자체 확장 inode를 관리합니다:

static struct kmem_cache *myfs_inode_cachep;

static struct inode *myfs_alloc_inode(struct super_block *sb)
{
    struct myfs_inode_info *mi;
    mi = alloc_inode_sb(sb, myfs_inode_cachep, GFP_KERNEL);
    if (!mi)
        return NULL;
    /* fs-specific 필드 초기화 */
    mi->i_disksize = 0;
    return &mi->vfs_inode;
}

static void myfs_free_inode(struct inode *inode)
{
    kmem_cache_free(myfs_inode_cachep, MYFS_I(inode));
}

static const struct super_operations myfs_sops = {
    .alloc_inode  = myfs_alloc_inode,
    .free_inode   = myfs_free_inode,
    .write_inode  = myfs_write_inode,
    .evict_inode  = myfs_evict_inode,
};

확장 속성 (xattr)

inode에 추가적인 이름-값 쌍 메타데이터를 저장합니다. 보안 레이블(SELinux), ACL, 사용자 데이터 등에 사용됩니다.

/* xattr 핸들러 등록 */
static const struct xattr_handler myfs_xattr_user_handler = {
    .prefix = XATTR_USER_PREFIX,
    .get    = myfs_xattr_get,
    .set    = myfs_xattr_set,
};

static const struct xattr_handler *myfs_xattr_handlers[] = {
    &myfs_xattr_user_handler,
    &myfs_xattr_security_handler,
    NULL,
};

sb->s_xattr = myfs_xattr_handlers;

inode 이벤트 감시 (inotify/fanotify)

inode 변경 사항을 유저스페이스에 알리는 커널 메커니즘입니다:

/* 커널 내부: 파일 변경 시 이벤트 발생 */
fsnotify_modify(file);        /* 파일 내용 수정 */
fsnotify_access(file);        /* 파일 읽기 */
fsnotify_create(dir, dentry); /* 파일 생성 */
fsnotify_delete(dir, dentry); /* 파일 삭제 */

/* VFS 계층에서 자동 호출됨 (vfs_write, vfs_read 등) */

Btrfs의 inode 확장

Btrfs는 전통적 inode 번호 대신 (subvolume_id, objectid) 쌍으로 파일을 식별합니다:

struct btrfs_inode {
    struct inode vfs_inode;

    u64 root_objectid;        /* subvolume ID */
    struct btrfs_key location; /* (objectid, type, offset) */

    u64 disk_i_size;          /* 디스크 상의 크기 */
    u64 generation;           /* CoW 트랜잭션 세대 */
    u64 flags;                /* NODATASUM, COMPRESS 등 */

    struct btrfs_ordered_inode_tree ordered_tree;
    struct list_head delalloc_inodes;
};

파일시스템별 inode 고려사항

앞서 ext4와 Btrfs의 inode 확장을 살펴보았습니다. 다음으로 파일시스템 설계 시 고려해야 할 inode 관련 공통 사항 — inode 고갈, 크기 제한, 성능 특성 등을 정리합니다.

inode 고갈 문제

# inode 사용량 확인
df -i
# Filesystem        Inodes   IUsed   IFree IUse% Mounted on
# /dev/sda1       6553600  234567 6319033    4% /

# ext4: inode 수는 mkfs 시 결정 (이후 변경 불가!)
mkfs.ext4 -N 10000000 /dev/sda1   # inode 천만 개
mkfs.ext4 -i 4096 /dev/sda1       # 4KB당 1개 inode (소파일 많은 환경)

# XFS: inode는 동적 할당 (고갈 문제 적음)
# Btrfs: inode 번호 동적 (고갈 없음)

inode 크기와 인라인 데이터

inode 타임스탬프와 성능

/* inode의 세 가지 타임스탬프 */
struct inode {
    struct timespec64 __i_atime;  /* 마지막 접근 시간 (read) */
    struct timespec64 __i_mtime;  /* 마지막 수정 시간 (write) */
    struct timespec64 __i_ctime;  /* 마지막 변경 시간 (메타데이터) */
    /* ext4는 crtime (생성 시간)도 저장 — statx()로 조회 */
};

/* atime 마운트 옵션과 성능 영향 */
/* noatime   — atime 갱신 완전 비활성화 (최고 성능) */
/* relatime  — mtime보다 오래된 경우에만 atime 갱신 (기본값) */
/* strictatime — 매 접근마다 갱신 (성능 나쁨) */
/* lazytime  — atime을 메모리에서만 갱신, 주기적으로 디스크 기록 (5.6+) */

하드 링크와 inode 공유

/* 하드 링크: 여러 dentry가 하나의 inode를 공유 */
/* ln target link → target과 link의 inode 번호가 동일 */
/* i_nlink: 하드 링크 수. 0이 되면 inode 해제 */

/* 하드 링크 제한 사항 */
/* 1. 디렉토리에는 하드 링크 불가 (순환 참조 방지) */
/* 2. 파일시스템 경계를 넘을 수 없음 (같은 디바이스만) */
/* 3. ext4 최대 하드 링크 수: 65,000 (dir_nlink로 확장 가능) */

/* reflink (CoW 복사) — Btrfs, XFS 4.16+ */
/* cp --reflink=always src dst */
/* inode는 별도이지만 데이터 extent를 공유 (공간 절약) */
/* 쓰기 시 CoW로 분리 — 스냅샷의 기반 기술 */