19.7. Архитектура файловой организации баз данных (слайд 18)

Файловая структура и система управления файлами являются прерогативой операционной среды, поэтому по отношению к базам данных, ориентированным на работу с элементами данных и высокую интенсивность обмена, эффективность операций ввода-вывода будет не оптимальна: стандартный язык СУБД намного богаче, чем набор операций файловой системы.

Прямое использование файловой системы для организации хранения и доступа к данным оказывается менее эффективным (отличие составляет, по крайней мере, 10%), поскольку при выполнении каждого обращения к диску со стороны СУБД в работу включается дополнительный слой системного ПО. Хранение данных в файловой системе приводит также к определенной потере емкости памяти. Файловая система, например Unix, потребляет примерно 10% от форматированной емкости дисков для метаданных о файлах и файловой системе. Более того, файловая система резервирует некоторое пространство, чтобы обеспечить быстрый поиск свободного пространства в случае расширения файлов.

Это послужило причиной того, что СУБД берут на себя непосредственное управление внешней памятью, минимально используя файловую систему ОС.

19.7.1. Файл-ориентированная организация данных

Этот подход отражает точку зрения «идейно чистого» программирования, выражающуюся в стремлении к построению модульных процедур, ориентированных на обработку регулярных однородных данных: «сколько типов структур записей - столько и файлов».

Таким образом, БД физически состоит из нескольких файлов: основного, индексного, файла метаданных, файлов указателей и т.д. Такого типа организация файловой структуры БД представлена в приложении примерами организации данных dBase-подобных и документальных баз данных.

19.7.2. Страничная организация данных

Другой подход отражает стремление разработчиков сосредоточить в СУБД управление данными на всех уровнях – от логической обработки до управления пространством носителя. Создание сложных специализированных процедур эффективно работающих со сложными нерегулярными структурами данных в сочетании с огромными ресурсами вычислительной мощности и оперативной памяти позволили реализовать даже однофайловую физическую структуру СУБД (например, MS ACCESS).

Приведем примерную логическую схему «страничной» организации хранения данных.

При распределении дискового пространства рассматриваются следующая схема структуризации пространства в зависимости от типов данных:

Экстент — это непрерывная область дисковой памяти, включающая несколько страниц фиксированной длины. Новый экстент создается после заполнения предыдущего и связывается с ним ссылкой, которая располагается на последней странице экстента, либо в специальной карте размещения. Учет свободных страниц ведется внутри экстента.

Каждый экстент используются для хранения одного из нескольких типов страниц: страницы данных, страницы индексов, страницы blob-объектов (неструктурированных данных, например большие текстовые или двоичные данные). Т.е., данные на одной странице являются однородными: страница, например, может хранить только данные или только индексы.

Основной логической единицей операций обмена (ввода-вывода) является страница данных, хранящая данные в виде строк или других специализированных структур.

Все страницы данных имеют одинаковую структуру, включающую:

• Заголовок страницы, содержащий номер страницы, номера предыдущей и следующей страниц, сведения о свободном пространстве на странице;

• Содержание – строки данных (последовательность кодов), каждая из которых имеет уникальный идентификатор в рамках всей базы данных, который состоит из номера страницы и номера строки на странице;

• Дескрипторы строк, задающие смещение строки на странице и длину строки, что позволяет при переупорядочении строк на страницах не производить физического перемещения строк, т.к. все манипуляции производятся с дескрипторами.

Для организации быстрого доступа создаются страницы индексов, которые организованы обычно в виде В-деревьев.