Файловые системы и базы данных
Численные и информационные прикладные системы
В истории вычислительной техники можно выделить две основных области ее использования:
Применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Эта область связана, в основном, с развитием методов численного решения сложных математических задач и класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов.
Использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. В самом широком смысле информационная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, функции которого состоят в надежном хранении информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно такие системы имеют дело с большими объемами информации, и эта информация имеет достаточно сложную структуру. Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т. д.
Вторая область использования вычислительной техники возникла несколько позже первой. Это связано с тем, что на заре вычислительной техники возможности компьютеров по хранению информации были очень ограниченными. Говорить о надежном и долговременном хранении информации можно только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию после выключения электрического питания. В первых компьютерах использовались два вида устройств внешней памяти - магнитные ленты и барабаны. Емкость магнитных лент достаточно велика, но по своей физической природе они обеспечивают только последовательный доступ к данным. Магнитные же барабаны дают возможность произвольного доступа к данным, но имеют ограниченный размер.
Эти ограничения не являлись слишком существенными для чисто численных расчетов. Даже если программа должна обработать (или произвести) большой объем информации, при программировании можно продумать расположение этой информации во внешней памяти (например, на последовательной магнитной ленте), обеспечивающее эффективное выполнение этой программы.
Но для информационных систем, в которых потребность в текущих данных определяется конечным пользователем, наличие только магнитных лент и барабанов неудовлетворительно. Представьте себе покупателя билета, который, стоя у кассы, должен дождаться полной перемотки магнитной ленты. Одним из естественных требований к таким системам является удовлетворительная средняя скорость выполнения операций.
С появлением магнитных дисков началась история систем управления данными во внешней памяти, поскольку именно эти устройства, обеспечивая удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной выборки, в настоящее время обладают практически неограниченной памятью.
Файловые системы
Известны два подхода к организации информационных массивов: файловая организация и организация в виде базы данных. С точки зрения прикладной программы, файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Система управления файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к данным.
Прежде всего, файлы применяются для хранения текстовых данных: документов, текстов программ и т. д. Такие файлы обычно образуются и модифицируются с помощью различных текстовых и графических редакторов. Структура текстовых файлов обычно очень проста: это либо последовательность записей, содержащих строки текста, либо последовательность байтов, среди которых встречаются специальные символы (например, символы конца строки). Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Файлы с текстами программ (исходные файлы) являются входными параметрами компиляторов, которые, в свою очередь, формируют файлы, содержащие объектные модули. С точки зрения файловой системы, как исходные, так и объектные файлы обладают абсолютно стандартной структурой - это последовательности байтов. Конечно, система программирования определяет более сложную и специфичную структуру объектного модуля. При этом логическая структура объектного модуля неизвестна файловой системе, эта структура поддерживается программами системы программирования.
Пример 2. Аналогично обстоит дело с файлами, формируемыми редакторами связей (компоновщиками выполняемых программ). На вход редактора связей поступают объектные модули, а на выходе строятся файлы-образы выполняемых программ (загрузочные модули). Логическая структура таких файлов остается известной только компоновщику и программе-загрузчику, являющимися компонентами операционной системы, и не известна системе управления файлами.
Пример 3. Прикладная программа, обрабатывающая собственные файлы. Очевидно, что и в этом случае логическая структура файлов известна только этой обрабатывающей программе (как результат умственной деятельности разработчика).
Таким образом, файловая организация предполагает специализацию и хранение информации, ориентированной, как правило, на одну прикладную задачу, и обеспечивается самим программистом.
На рис.1. представлена структура программы при таком подходе.
Достоинства и недостатки файловой организации
Достоинства:
Файловые системы обычно обеспечивают хранение слабо структурированной информации, оставляя дальнейшую структуризацию обрабатывающим программам. В некоторых случаях использования файлов это даже хорошо, потому что при разработке любой новой прикладной системы, опираясь на простые, стандартные и сравнительно дешевые средства файловой системы, можно реализовать те структуры хранения, которые наиболее естественно соответствуют специфике соответствующей прикладной области.
Файловая организация позволяет достигнуть высокой скорости обработки.
Недостатки:
Узкая специализация как обрабатывающих программ, так и файловых данных, что служит причиной большой избыточности, так как одни и те же элементы данных хранятся в разных программных системах.
Возможность наличия противоречивости данных, когда для выполнения одних и тех же операций над однотипными данными, хранящихся в разных файлах, требуются разные программы.
Частое нарушение целостности данных, когда логически идентичные элементы данных в разных частных файлах имеют разные типы значений (например, Real и Integer), что может привести к расхождению в отчетах, полученных с помощью ЭВМ.
Рис.1. Структура программы при файловой организации данных