3Физические модели баз данных

3.1Файловые структуры, используемые 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 (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Классификация файлов, используемых в системах баз данных

С точки зрения пользователя, файлом называется поименованная линейная последовательность записей, расположенных на внешних носителях. 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.

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.

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.

Каждая файловая система СУФ – система управления файлами поддерживает некоторую иерархическую файловую структуру, включающую чаще всего неограниченное количество уровней иерархии в представлении внешней памяти (рис. 3.2).

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:

• конец записи отмечается специальным маркером;

• в начале каждой записи записывается ее длина.

Файлы с прямым доступом обеспечивают наиболее быстрый способ доступа. Однако 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.

Рис. 3.2. Иерархическая организация файловой структуры хранения

3.2 Хешированные файлы

При организации файлов прямого доступа возможно построение функции, которая по значению ключа однозначно вычисляет адрес (номер записи файла). Функция при этом должна быть линейной, чтобы обеспечить однозначное соответствие между ключом и номером 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. В этом случае не удается построить взаимно-однозначную функцию, либо эта функция будет иметь множество незадействованных значений, которые соответствуют недопустимым значениям ключа. В подобных случаях применяют различные методы хеширования (рандомизации) и создают специальные хеш-функции.

Метод хеширования предполагает, что по значению ключа вычисляется некоторая хеш-функция и полученное значение берется в качестве адреса начала поиска. Допускается, что нескольким разным ключам может соответствовать одно значение хеш-функции (то есть один адрес). Подобные ситуации называются коллизиями. Значения ключей, которые имеют одно и то же значение хеш-функции, называются синонимами. Поэтому при использовании хеширования как метода доступа необходимо принять два решения:

• выбрать хеш-функцию;

• выбрать метод разрешения коллизий.

Существует множество различных стратегий разрешения коллизий. Однако наиболее распространенными являются: стратегия с областью переполнения, стратегия свободного замещения.