Базы данных - модели, разработка, реализация



Файловые структуры, используемые для хранения информации в базах данных


В каждой СУБД по-разному организованы хранение и доступ к данным, однако существуют некоторые файловые структуры, которые имеют общепринятые способы организации и широко применяются практически во всех СУБД.

В системах баз данных файлы и файловые структуры, которые используются для хранения информации во внешней памяти, можно классифицировать следующим образом (см. рис. 9.1).

Рис. 9.1. Классификация файлов, используемых в системах баз данных

С точки зрения пользователя, файлом называется поименованная линейная последовательность записей, расположенных на внешних носителях. На рис. 9.2 представлена такая условная последовательность записей.

Так как файл - это линейная последовательность записей, то всегда в файле можно определить текущую запись, предшествующую ей и следующую за ней. Всегда существует понятие первой и последней записи файла. Не будем вдаваться в особенности физической организации внешней памяти, выделим в ней те черты, которые существенны для рассмотрения нашей темы.

В соответствии с методами управления доступом различают устройства внешней памяти с произвольной адресацией (магнитные и оптические диски) и устройства с последовательной адресацией (магнитофоны, стримеры).

На устройствах с произвольной адресацией теоретически возможна установка головок чтения-записи в произвольное место мгновенно. Практически существует время позиционирования головки, которое весьма мало по сравнению со временем считывания - записи.

В устройствах с последовательным доступом для получения доступа к некоторому элементу требуется "перемотать (пройти)" все предшествующие ему элементы информации. На устройствах с последовательным доступом вся память рассматривается как линейная последовательность информационных элементов (см. рис. 9.3).

163

Рис. 9.2. Файл как линейная последовательность записей

Рис. 9.3. Модель хранения информации на устройстве последовательного доступа

Файлы с постоянной длиной записи, расположенные, на устройствах прямого доступа (УПД), являются файлами прямого доступа.

В этих файлах физический адрес расположения нужной записи может быть вычислен по номеру записи (NZ).

Каждая файловая система СУФ - система управления файлами поддерживает некоторую иерархическую файловую структуру, включающую чаще всего неограниченное количество уровней иерархии в представлении внешней памяти (см. рис. 9.4).

Для каждого файла в системе хранится следующая информация:

  • имя файла;


  • тип файла (например, расширение или другие характеристики);


  • размер записи;


  • количество занятых физических блоков;


  • базовый начальный адрес;


  • 164

  • ссылка на сегмент расширения;


  • способ доступа (код защиты).


  • Рис. 9.4. Иерархическая организация файловой структуры хранения

    Для файлов с постоянной длиной записи адрес размещения записи с номером К может быть вычислен по формуле:

    BA + (К - 1) * LZ + 1,

    где BA - базовый адрес, LZ - длина записи.

    И как мы уже говорили ранее, если можно всегда определить адрес, на который необходимо позиционировать механизм считывания-записи, то устройства прямого доступа делают это практически мгновенно, поэтому для таких файлов чтение произвольной записи практически не зависит от ее номера. Файлы прямого доступа обеспечивают наиболее быстрый доступ к произвольным записям, и их использование считается наиболее перспективным в системах баз данных.

    На устройствах последовательного доступа могут быть организованы файлы только последовательного доступа.

    Файлы с переменной длиной записи всегда являются файлами последовательного доступа. Они могут быть организованы двумя способами:

    1. Конец записи отличается специальным маркером.

    Запись 1 ? Запись 2 ? Запись3 ?
    2. В начале каждой записи записывается ее длина.

    LZ1 Запись1 LZ2 Запись2 LZ3 Запись 3
    Здесь LZN - длина N-й записи.

    165

    Файлы с прямым доступом обеспечивают наиболее быстрый способ доступа. Мы не всегда можем хранить информацию в виде файлов прямого доступа, но главное - это то, что доступ по номеру записи в базах данных весьма неэффективен. Чаще всего в базах данных необходим поиск по первичному или возможному ключам, иногда необходима выборка по внешним ключам, но во всех этих случаях мы знаем значение ключа, но не знаем номера записи, который соответствует этому ключу.



    При организации файлов прямого доступа в некоторых очень редких случаях возможно построение функции, которая по значению ключа однозначно вычисляет адрес (номер записи файла).

    NZ = F(K),

    где NZ - номер записи, К - значение ключа, F( ) - функция.

    Функция F( ) при этом должна быть линейной, чтобы обеспечивать однозначное соответствие (см. рис. 9.5).

    Рис. 9.5. Пример линейной функции пересчета значения ключа в номер записи

    Однако далеко не всегда удается построить взаимно-однозначное соответствие между значениями ключа и номерами записей.

    Часто бывает, что значения ключей разбросаны по нескольким диапазонам (см. рис. 9.6).

    Рис. 9.6. Допустимые значения ключа

    В этом случае не удается построить взаимно-однозначную функцию, либо эта функция будет иметь множество незадействованных значений, которые соответствуют

    166

    недопустимым значениям ключа. В подобных случаях применяют различные методы хэширования (рандомизации) и создают специальные хэш - функции. Суть методов хэширования состоит в том, что мы берем значения ключа ( или некоторые его характеристики) и используем его для начала поиска, то есть мы вычисляем некоторую хэш - функцию h(k) и полученное значение берем в качестве адреса начала поиска. То есть мы не требуем полного взаимно - однозначного соответствия, но, с другой стороны, для повышения скорости мы ограничиваем время этого поиска (количество дополнительных шагов) для окончательного получения адреса. Таким образом, мы допускаем, что нескольким разным ключам может соответствовать одно значение хэш - функции (то есть один адрес). Подобные ситуации называются коллизиями. Значения ключей, которые имеют одно и то же значение хэш-функции, называются синонимами.

    Поэтому при использовании хэширования как метода доступа необходимо принять два независимых решения:

  • выбрать хэш - функцию;


  • выбрать метод разрешения коллизий.


  • Содержание