数据库基本原理与应用 第11章 存储与文件结构

a前移成 i, . . . , m–1 将记录n前移成 i b不移动记录, 而是将所有自由 记录链成一条自由链表
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定长记录 空闲列表
在文件头中存储第一条被删记录的地址. 在第一条被删记录中存储第二条被删记录的地址, 等等 这些存储的地址可视为指针, 因为它们 “指向”记录的 位置. 是更有效利用空间的表示法: 重新利用自由记录的正常字 段空间来存储指针. (使用中的记录则不存储指针)
每面磁道数： 一个盘面可能有多达10000个磁道。 每个磁道的字节数： 一般的磁盘存储器，每个磁道有
100000或更多个字节。磁道被分成扇区,现在的磁盘的 每个磁道的扇区数可以多达500。每个扇区可能有5124096个字节。
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磁盘访问特性
从发出读块命令的时刻起，到块的内容出现在主存中 ，其间所花费的时间称为磁盘的等待时间(latency)。 这个时间可以划分为下列几部分: 1)由处理器和磁盘控制器处理请求所花费的时间， 通 常是零点几毫秒，这个时间我们将忽略不计。 2)寻道时间（seek time）：将磁头组合定位到合适的 柱面所花费的时间。如果磁头恰巧是在合适的柱面上 ，寻道时间就是0。如果不是，那么磁头就需要一点时 间去开始移动和再次停下来，再加上与所移动的距离 大致成正比的一段附加的时间。通常的最小寻道时间 ，从起动、移过一个磁道，再停住，大约是几毫秒。 最大寻道时间，即磁头要跨越所有的磁道，大约 是在 10~40毫秒范围内。
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硬盘是被认为既支持虚拟存储器，也支持文件系统。 即， 有些磁盘块在被用于保存一个应用程序的虚拟存储器页面 的同时，另一些磁盘块被用于保存（部分）文件。 在操作系统或数据库系统的控制下，文件以块的方式在磁 盘与主存之间移动。
将一个块从磁盘移动到主存是一次磁盘读。
将一个块从主存移动到磁盘是一次磁盘写。 我们称之为一次 I /O（磁盘输入/输出）。
每个文件中只有一种类型的记录
不同文件保存不同关系
这种方法最容易实现.
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对象的表示*
一个对象就是一个元组，而它的字段“实例变
量”就是属性。但是它们几个重要差异：
对象可以有对象标识(OID)，它在某个全局
地址空间中唯一地指代该对象的地址。
对象可以与其他对象有联系，这些联系由指
针或指针序列表示。关系数据没有把地址作 为值。
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第二级存储器
第二级存储器（secondary storage) ，也称虚 拟存储器，或简称辅存，是存储器的一种形式 ，它的速度比内存要慢的多，而存储容量要比 内存大得多，并且基本上是随机访问。访问不 同数据项所需时间的差别相对较少。 现代计算机系统使用某种形式的盘作为辅助存 储器。通常，这种盘是磁介质的，有时也采用 光盘或者磁光盘。它们趋向于只用来存放不需 要改变的归档数据。
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3)旋转等待时间(rotational
latency)：磁盘磁头转动 磁头所处 到组成块的第一个扇区所 的位置 需要的时间。常用的硬盘 旋转方向 约每10毫秒完整地旋转一 周。平均来说，当磁头到 达目标扇区的柱面时，该 所需要的块 扇区大约要转半周，即5毫 旋转等待的原因 秒左右。
4)传输时间(transfer
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磁盘
磁盘结构
磁盘控制器 磁盘存储特性 磁盘访问特性 块的写入与修改
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磁盘结构
磁头 柱面
盘片 = 2盘面
一个典型的磁盘
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磁道（track）：存储二进制位的存储单元被组 织成磁道，它是单个圆片上的同心圆。 磁道占据大部分盘面，最靠近主轴的区域除外。 磁道由许多点组成，每个点代表一个由它的磁化 方向决定的二进制位。
第11章: 存储与文件结构
物理存织 数据字典存储 块和记录的表示 RAID
1
物理存储介质
高速缓冲存储器 主存储器 虚拟存储器
第二级存储器
第三级存储器
易失和非易失存储器
2
DBMS DBMS的程 序、主存 第三级存储器
4
虚拟存储器
在写程序的时候，我们所使用的数据(如程序变量、要 读取的文件等)都要占据一个虚拟的存储器地址空间， 同样，程序指令也占据一个它们自己的地址空间。 许多机器使用32位字长的地址空间；即有232个或者说 大约40亿个不同的地址。由于每个字节需要自己的地 址，我们可认为典型的虚拟存储器为4GB。(*) 虚拟的存储器空间比通常的内存要大的多，一个完全 被占用的虚拟存储器的大部分内容实际上是保存在硬 盘上。硬盘被逻辑地分成多个块（block）。 虚拟存储器以整个块为单位在硬盘和主存之间移动， 在主存中这些块常常被称作页(page)。机器硬件和操 作系统允许虚存页进入主存的任何部分，并且使得块 中的每一个字节都被它的虚拟地址正确地指向。
例如, 数据字典被频繁存取. 启示: 将数据字典块保存在缓冲 区中
为恢复目的, 缓冲区管理器还支持块的强制输出
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文件组织
对象的表示*
定长记录
变长记录
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文件组织
数据库保存为若干文件的集合. 文件是记录的序 列(集合). 记录是字段的序列(集合). 一种方法:
记录大小固定
例如当用嵌套循环算法计算两个关系 r 与s 的连接时 for each tuple tr of r do for each tuple ts of s do if the tuples tr and ts match …
由查询优化器提供的带有替换策略指导线索的混合策略更可取
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缓冲区替换策略 (续)
磁道
扇区
间隙 盘面的俯视图
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扇区（sector）：磁道被组织成扇区，它是被间隙分割的 圆的片断。就读写磁盘而论，扇区是不可分割的单位；就 磁盘错误而论，它也是一个不可分割的单位。若一部分磁 化层被损坏，以至它不能再存储信息，则包含这个部分的 整个扇区也不能再使用。 柱面（cylinder）：同一时刻位于磁头下的各个磁道被认 为构成一个柱面。 间隙（gap）：间隙约占整个磁道的10%，用于帮助标识扇 区的起点，它在两个方向上均不被磁化。 块（block）或页(page)：它是在磁盘与主存之间所传输 数据的逻辑单元，由一个或多个扇区所组成。(复习) 扇区与块的比较
对一个块修改的总的时间包括: 读的时间; 在主存储器中执行更新的时间（这个时间与读写磁盘的时
间相比通常可忽略不计);
写的时间;
如果执行校验的话，还有磁盘的另一次旋转时间。
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存储器存取
缓冲区管理器 缓冲区替换策略
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存储器存取
数据库文件被分割成若干定长的存储器单位(称 为块或页).存储器单位是存储器分配和数据传 输的单位。 数据库系统应尽量减少磁盘与内存间的块传输 次数. 可以通过将尽可能多的块保持在主存中 来减少磁盘存取次数。 缓冲区 – 用于保存读入的磁盘块的主存空间. 缓冲区管理器 – 负责分配缓冲区空间的子系统 .
3. 一旦在缓冲区中分配了空间, 缓冲区管理器就从磁
盘将该块读入缓冲区, 并将该块在主存中的地址传 给请求者.
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缓冲区替换策略
多数操作系统采用最近未使用(LRU)策略来替换块
查询有良好定义的存取样式(如顺序扫描), 数据 库系统可利用用户查询中的信息来预测将来的引 用
LRU 对某些涉及重复扫描数据的存取样式来说是很差的策略
扇区是磁盘的物理单元，而块是使用磁盘的软件系统(如操作系统
或DBMS)所建立的逻辑单元。
目前一般的块至少有扇区那么大，即块由一个或多个扇区组成。
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磁盘控制器
右图是一台简单 的计算机的示意 图。
处理器
总线 主存 磁盘控制器
处理器经由数据 总线与主存储器 和磁盘驱动器进 行通信。
一个磁盘控制器 可以控制多个磁 盘，图中计算机 由三个磁盘。
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缓冲区管理器
当程序请求某磁盘块时即调用缓冲区管理器.
1. 如果该块已经在缓冲区中, 则程序得到该块在主存中 的地址
2. 如果该块不在缓冲区中, 则
1. 缓冲区管理器为该块分配缓冲区空间, 如果有必要
需换出其他块来为这个新块腾出空间.
2. 如果被换出的块自从最近一次写回磁盘后做过修改
, 则需写回磁盘， 否则直接替换.
对象可以有与其相关的方法或专用的函数，
这些函数码是对象类模式的一部分。
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定长记录
简单方法:
记录i 从字节n (i – 1)开始存储, 其中n 是记录大小.
记录存取简单, 但记录可能跨块 ，也可能不允许记录跨块
删除记录i:
可选方法:
将记录 i + 1, . . ., m
受制(Pinned)块 – 不允许写回磁盘的内存块. 立即替换(Toss-immediate)策略 – 一旦块中最后一条 元组被处理完就释放被该块所占用的空间 最近使用(MRU) 策略 – 系统必须牵制(pin)当前正被处 理的块. 当处理完该块的最后一条元组, 该块被解除牵 制(unpinned)并成为最近使用的块,来替换块。 缓冲区管理器可利用关于某请求会引用特定关系的概率 的统计信息
6
13 12
第三级存储器
11
10 9
第二级存储器
8
7 6
zip盘
软盘
主存储器 高速缓存
5
2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9
存储器层次中各个级别的访问时间与容量的关系 横轴用10的指数来度量秒，-3的意思是10-3秒； 纵轴用10的指数来度量字节，8的意思是108字节 。
time)：块的扇区以及各扇区之间的 间隙旋转通过磁头所需要的时间。常用的磁盘每个磁道 大约有100000字节，约在10毫秒内旋转一周，即每秒我 们能读取约10兆字节。而一个4096字节块的传输时间小 于半毫秒。