1. Физическая структура. Структурные характеристики.

Физическая структура - то, как представляется обрабатываемая информация в памяти компьютера, как видит ее системный программист – разработчик операционных систем и систем управления базами данных

Типовые операции над информационными элементами

- выделение элементов определенного типа среди других (необходимы: имя (идентификатор), размер и адрес элемента);

- сравнение значений элементов между собой и с литералами (константами) – необходимы те же характеристики плюс типы внутреннего представления (физические структуры) сравнивамых элементов;

- над элементами записей данными могут выполняться арифметические операции, которые требуют тех же самых структурных характеристик;

- переход к другому связанному элементу структуры – необходим адрес связанного элемента

Структура данных - множество информационных элементов и связей между ними.

Для работы с физическими представлениями структур различных уровней (записей, файлов и баз данных) необходимы следующие структурные характеристики:

 имя элемента структуры;

 размер элемента структуры;

адрес элемента;

 адрес связанного элемента;

 тип внутренней структуры элемента .

Анализ возможных способов физической организации информации различных уровней рассматривали в зависимости от:

 способа представления собственно информации об объектах предметной области хранимой в памяти компьютера;

 способа представления структурных характеристик (явного или не явного);

 способа хранения (совместного или автономного) структурных характеристик и собственно информации.

Элементами структуры являются данные.

Кроме естественного представления элементов – данных (символьное, числовое, дата и т.п.) в системах обработки данных часто используется кодированное представление, когда значения символьных данных, значительных по размеру или определенных на одних и тех же словарях (доменах), заменяются компактными, чаще всего цифровыми кодами.

Наиболее часто используют два способа формирования кодов: порядковое и серийно-порядковое. ( сущ-ет также двоично-позиционное кодирование)

2. Последовательно-смежная организация и списковая организация.

Под организацией значений данных понимают относительно устойчивый порядок расположения записей данных в памяти ЭВМ и способ обеспечения взаимосвязи между записями.

Организация значений данных (далее называемая просто организацией данных) может быть линейной и нелинейной. При линейной организации данных каждая запись, кроме первой и последней, связана с одной предыдущей и одной последующей записями. У записей, соответствующих нелинейной организации данных, количество предыдущих и последующих записей может быть произвольным.

Линейные методы организации данных различаются только способами указания предыдущей и последующей записи по отношению к данной записи. Но это приводит к тому, что алгоритмы, эффективные для одних методов организации данных, становятся неприемлемыми для других методов.

Среди линейных методов выделяются последовательная и цепная организации данных. При последовательной организации данных записи располагаются в памяти строго одна за другой, без промежутков, в той последовательности, в которой они обрабатываются. Последовательная организация данных обычно и соответствует понятию массив (файл).

Записи, составляющие массив, с точки зрения способа указания их длины делятся на записи фиксированной, переменной и неопределенной длины. Записи фиксированной (постоянной) длины имеют одинаковую, заранее известную длину. Если длины записей неодинаковы, то длина указывается в самой записи. Такие записи называют записями переменной длины. Вместо явного указания длины записи можно отмечать окончание записи специальным символом-разделителем, который не должен встречаться среди информационных символов значения записи. Записи, заканчивающиеся разделителем, называются записями неопределенной длины.

При последовательно-смежной организации логически связанные элементы физически размещаются в памяти непосредственно друг за другом, без разрывов.

При использовании адресных указателей логически связанные элементы физически могу размещаться в любых участках памяти, и каждый элемент содержит адрес связанного с ним другого элемента. Такая организация хранения называется цепной или списковой.

Решение целого ряда задач обработки данных требует применения таких методов организации данных, которые позволили бы связать физически разнесенные в памяти данные в логическую последовательность, определяющую порядок их обработки. Простейшим методом, применяемым для этих целей, является списковая (цепная) организация данных.

Списком называется множество записей, занимающих произвольные участки памяти, последовательность обработки которых задается с помощью адресов связи. Адресом связи некоторой записи называется атрибут, в котором хранится начальный адрес или номер записи, обрабатываемой после этой записи. Обычная последовательность обработки записей в списке определяется возрастанием значений ключа в записях.

В списке выделяется собственная информация (записи с содержательными сведениями) и ассоциативная информация, т. е. все адреса связи.

Возможны два способа хранения структурных характеристик и собственно информации об объектах – совместное и автономное.

В последовательных структурах элементы логически следуют друг за другом, располагаясь в смежных участках памяти. В списковых - связи между элементами данных передаются посредством адресных указателей. Для отражения связей между элементами данных используются символические указатели.

Символическая связь – повторение значения поля, по которому производится связывание. Обычно связывающий компонент – идентификатор данных. Связи между элементами данных отражаются с помощью битовых структур. В этом случае кроме файла, содержащего сведения об объектах создаются 1 или несколько битовых структур (битовых векторов или матриц), показывающих взаимоотношения элементов основного файла. Совокупность индекса и индексного массива является индексной структурой. В БД обычно используют довольно сложные многоуровневые логические структуры данных. Сокращение объема памяти в БД занимаются специализированные архиваторы, являющиеся утилитами БД. Проектирование физических и логических структур данных тесно связано между собой.

Последовательная организация хранения данных (ПОХД).

ПОХД обладает следующими преимуществами:

1.отсутствие дополнительной адресной информации и плотное размещение данных в запоминающей среде, приводящее к сокращению объема памяти.

2.возможность использования любых носителей информации.

3.сокращение времени обработки при условии, что порядок размещение на носителе совпадает с требованием в порядке обработки.

4.простота организации данных и манипулирование ими, так как идет увеличение объема памяти и уменьшение цены, то значимость 1 и 2 фактора снижается.

Последовательные структуры данных имеют недостатки:

1.неудобство корректировки.

2.необходимость разворачивания нелинейных логических структур в линейные.

3.трудности в обеспечении адекватного, интегрированного отображения предметной области.

4.длительность выборочного поиска.

5.адаптация новых элементов данных последовательную структуру должно выполняться согласно логическому порядку следующего элемента, что вызывает необходимость физического перемещения данных.

В последнее время в связи с широким распространением реляционной БД, использование последовательных данных в файлах увеличивается. Многие реляционные СУБД предусматривают организацию хранения каждого отношения данных в качестве видимого файла.

Списковая организация хранения данных.

Заключается в использование адресных указателей для связей элементов данных. Различают списковую организацию с совместным и раздельным хранением, с объектной, собственной, ассоциативной, адресной информацией, однонаправленные и двунаправленные списки. Такая классификация списковых структур традиционная. Взависимости от характера связывания элементов, списковая структура может связывать однотипные элементы данных в единую структуру – однородный список. На одном и том же множестве элементов может быть задано несколько связей, каждая из которых выделяет подмножество элементов, это списки – многосвязные. Если информация в списках одного типа, то информация называется гомогенной. Если информация разнородна, то список называется гетерогенным.

списковая организация обладает преимуществами:

1.возможность естественным путем передавать сложные логические взаимодействия между элементами, при корректировках списковых структур добавление и анулирование элементов в списках производится без физического перемещения элементов путем изменения адреса элементов, при этом память может быть повторно использована вновь добавляемым элементом. Новые элементы могут быть привязаны к любому месту памяти.

2.позволяют динамически наращивать состав БД без существенного изменения существующих ее частей.

3.устраняют дублирование данных (избыточность), позволяют на одном и том же множестве элементов обеспечивать их различную упорядоченность.

4.просто могут быть организованы в любой прямоадресной памяти.

НЕДОСТАТКИ:

1. Большой расход памяти на указатели.

2. Физический разброс данных по носителю, увеличивающий время обработки данных.

3. Потеря адреса связи в каком-либо элементе списка, делает недоступным всю оставшуюся часть структуры, а искажение адреса приводит к аварийным ситуациям.

4. Списковая структура нуждается в сложном управлении свободной памяти.

5. Эффект дробления памяти приводит к необходимости реорганизации массива.

2. Индексные файлы

Индексные файлы (индексно-прямые, индексно-последовательные, В-деревья)

Индексные файлы могут представить как файлы состоящие из 2-х частей: индексная часть и основная часть. Различают 2 типа файлов:

- с плотным индексом или индексно-прямые файлы

- с неплотным индексом (неполным) или индексно – последовательные файлы

значение ключа – это значение первичного ключа

Для индексно-прямых файлов поиск начинается в индексной области, где применяется двоичный алгоритм поиска, потом путем прямой адресации обращение к основной области по конкретному номеру записи.

При вставке и удалении узлов производится реструктуризация дерева с тем, чтобы сохранить его сбалансированность.

Индексные файлы

(автономное хранение характеристики СВЯЗЬ )

3 20 1 16

Физич. адрес	Номер физич.записи	Ф.И.О.	Пол	Национальность
1	25	Иванов И.И.	М	русский
41	96	Климук Н.И.	Ж	украинка
81	33	Ковалев В.А.	М	белорус
121	330	Козлов Н.А.	М	русский
161	111	Кузнецова Н.В.	Ж	азербайджанка
201	110	Петренко И.П.	Ж	украинка
241	100	Петров П.И.	М	русский
281	112	Рабинович И.Н.	Ж	еврейка
321	35	Сидоров В.В.	М	русский

Индекс по Ф.И.О. Индекс по ПОЛ

Ф.И.О.	№ записи		Пол	№ записи
Иванов И.И.	25		Ж	96
Климук Н.И.	96		Ж	111
Ковалев В.А.	33		Ж	110
Козлов Н.А.	330		Ж	112
Кузнецова Н.В.	111		М	25
Петренко И.П.	110		М	33
Петров П.И.	100		М	330
Рабинович И.Н.	241		М	100
Сидоров В.В.	281		М	35

Индекс по НАЦИОНАЛЬНОСТЬ Таблица соответствия

Национальность	№ записи		№ записи	Адрес
азербайджанка	111		25	1
белорус	33		33	81
еврейка	241		35	281
русский	25		96	41
русский	330		110	201
русский	100		111	161
русский	281		330	121
украинка	96		100	241
украинка	110		330	321

Возможно составление индексного файла по нескольким атрибутам:

- пол, Ф.И.О.,

- национальность, Ф.И.О.

Учитывается иерархия согласно порядку следования атрибутов,

т.е. индексирование по Ф.И.О., пол или Ф.И.О., национальность бессмысленно

Индекс по НАЦИОНАЛЬНОСТЬ , Ф,И,О,

2. Прямое и инвертированное представление информации файла.