Структуры хранения данных и методы доступа к ним

Информация и СУБД

Появление компьютеров не сразу привело к разработке информационных систем. На заре вычислительной техники компьютеры обладали ограниченными возможностями в части памяти. Оперативная память не обладает свойством долговременного хранения, магнитные ленты не обеспечивают прямого доступа, а магнитные барабаны имели ограниченный объем. Развитие информационных систем началось с появлением магнитных дисков и файловых систем. Информационные системы, главным образом, ориентированы на хранения и вывод и модификацию постоянно существующей информации. Структура данных в разных информационных системах может быть различна, но между ними больше общего.

Стремление выделить и обобщить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно-структурированными данными является одной из побудительных причин создания СУБД.

СУБД – Системы Управления Базами Данных.

Понятие согласованности данных является ключевым понятием баз данных. Если информационная система поддерживает согласованное хранение информации в нескольких файлах, то можно говорить о том, что она поддерживает базу данных. Если некоторая вспомогательная система позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, то можно назвать ее системой управления базами данных.

Для обеспечения параллельной работы с базой данных использование файлов не дает возможности одновременной модификации данных, т.к. первый же процесс накладывает блокировки на весь файл целиком, что приводит к генерации ошибки для параллельных процессов. СУБД обеспечивают более тонкую синхронизацию параллельного доступа к данным.

Если информационная система поддерживает два согласованных файла сотрудники и отделы и была добавлена запись файл сотрудники, а в файле отделы модификация записи не была выполнена из-за аварийного выключения питания, то при перезапуске системы данные будут находиться в рассогласованном состоянии. Согласование информации после сбоев берет на себя СУБД. То есть прикладная система не обязана отвечать за согласованность данных.

Структурой хранения называется любое упорядочение данных на диске. Могут быть реализованы различные структуры хранения. Более того эти структуры могут меняться по мере изменения требований к производительности системы.

Доступ к базе данных

Поиск и предоставление данных пользователю осуществляется с помощью нескольких программ. При этом можно выделить следующие уровни доступа к данным: СУБДß(запрос данных)(возвращение данных)àДиспетчер файловß(запрос файла)(возвращение файла)àДиспетчер дисковß(дисковая операция ввода, вывода)(чтение данных с диска)àБД.

1) В СУБД определяется искомая запись и затем для ее извлечения запрашивается диспетчер файлов.

Запись – хранимая информация об объекте базы данных.

2) Диспетчер файлов определяет страницу, на которой находится искомая запись, а затем для извлечения этой страницы запрашивают диспетчер диска.

Страницей (блоком) устройства ввода/вывода называется количество данных, передаваемых из вешней памяти в оперативную за одно обращение. Размер страницы обычно кратен одному килобайту.

3) Диспетчер дисков определяет физическое положение искомой страницы на диске, и посылает соответствующий запрос на ввод/вывод данных. Если в результате предыдущих запросов искомая страница уже находится в оперативной памяти, то этот пункт не выполняется.

С точки зрения СУБД база данных представляет собой набор записей, которые могут просматриваться с помощью диспетчера файлов. Диспетчер файлов рассматривает базу данных как набор страниц, просматривая с помощью диспетчера дисков. Диспетчер дисков непосредственно работает с диском.

Диспетчер дисков

Диспетчер дисков является компонентом ОС. При выполнении дисковых операций необходимо знать физические адреса на диске. Диспетчер файлов рассматривает диск как набор страниц фиксированного размера с уникальным идентификационным номером набора страниц. Каждая страница обладает уникальным внутри данного набора идентификационным номером страницы.

Соответствие физических номер на диске и номеров страниц достигается с помощью диспетчера дисков. Преимуществом такого подхода является аппаратная независимость программных компонентов высокого уровня.

Один из наборов страниц называется набором пустых страниц и содержит все имеющиеся свободные страницы.

Основные операции выполняемы диспетчером диска:

1) извлечь страницу P из набора страниц S

2) заменить страницу P из набора страниц S

3) добавить новую страницу в набор страниц S (то есть извлечь одну страницу из набора пустых страниц и возвратить новую страницу с номером P)

4) удалить страницу P из набора S (то есть возвратить страницу с номером P в набор пустых страниц)

Диспетчер файлов

Файлом называется набор однотипных записей. Основными операциями выполняемыми диспетчером файлов являются:

1) извлечь запись R из файла F

2) заменить запись M из файла F

3) добавить новую запись R в файл F

4) удалить запись R из файла F

5) создать новый файл F

6) удалить F

В одних системах диспетчер файлов является компонентом ОС а в других поставляется в составе СУБД.

Кластеризация

Это процесс как можно более близкого физического размещения на диске, логически связанных между собой и часто используемых данных.

Сегментàэкстент (непрерывная последовательность блоков).

Различают внутрифайловую и межфайловую кластеризацию. Например, у нас есть два файла: файл поставщиков и файл товаров. Если нам нужно получить поставщиков с номерами идентификаторов от ИД1 до ИД9, то оптимальным будет выполнение кластеризации поставщиков в соответствии с возрастанием убыванием) идентификаторов.

Если требуется одновременно получать информацию о поставщике и его товарах, то записи из двух разных файлов должны располагаться рядом. Для эффективного доступа. Это пример межфаловой кластеризации.

В каждый момент времени кластеризацию можно осуществить только одним из способов поскольку это связано с физическим размещением данных на диске.

Физическое размещение данных на диске

Логическая последовательность страниц задается с помощью указателей, то есть логически близко находящиеся данные физически могут отстоять друг от друга значительно.

С целью сохранения близкого расположения логически связанных страниц на диске диспетчер дисков обычно размещает или удаляет страницы в наборах не по одной, а экстентами.

Для получения информации о размещении различных наборов страниц, диспетчеру дисков достаточно знать расположение только первой страницы в группе, расположение остальных определяется с помощью указателей в заголовках страниц. Все имеющиеся наборы страниц вместе с указателями на первые страницы каждого из наборов перечислены в отдельном месте на диске. Это место, а именно страница часто называется таблицей содержания диска, каталогом набора страниц или просто страницей «нуль».

Записи в пределах страницы также можно разместить в соответствии с логическим порядком.

Записи идентифицируются с помощью идентификационного номера записи (RID). Этот RID состоит из двух частей – номера страницы, на которой данная запись находится и байта смещения слота от конца страницы. Этот байт смещения содержит байт смещения записи от начала страницы. Эта схема является компромиссом между быстротой и непосредственной адресацией и гибкостью косвенной. В результате записи внутри страницы могут сдвигаться вверх и вниз (для поддержания соответствия между логическим и физическим порядком) без изменения идентификационных номеров записей.

Согласно выше – изложенному, для каждого файла всегда можно осуществить последовательный доступ ко всем записям. Такая последовательность называется физической хотя она не обязательно соответствует физическому размещению данных на диске. Запись может содержать дополнительную информацию в так называемой приставке, в частности здесь может содержаться информация об идентификационном номере файла, которому принадлежит запись (в случае межфайловой кластеризации), длина записи (для записи переменной длины), флаг удаления, указатель при связывании записей в цепочку и тд.

Дата добавления: 2015-05-10