1 Είδη μέσων αποθήκευσης Πρωτεύοντα μέσα αποθήκευσης κεντρική μνήμη και όλες οι υπόλοιπες μνήμες (π.χ καταχωρητές, cache memory) Δευτερεύοντα μέσα αποθήκευσης οι μαγνητικοί και οπτικοί δίσκοι, οι μαγνητικές ταινίες κλπ.

2 Ιεραρχίες Μνήμης Καταχωρητές (registers) Κρυφή μνήμη (cache memory) Κύρια μνήμη RAM (Random Access Memory) / DRAM (Dynamic Random Access Memory) Μνήμες τύπου flash και USB (USB flash drives) EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory) Μαγνητικοί και οπτικοί δίσκοι Μαγνητικές ταινίες

3 Ιεραρχίες Μνήμης Η ιεραρχία μνήμης

4 Ιεραρχίες Μνήμης Συγκριτική παρουσίαση χαρακτηριστικών μνημών

5 Οι Μαγνητικοί Δίσκοι Είναι το πλέον διαδεδομένο μέσο αποθήκευσης των βάσεων δεδομένων Η λειτουργία τους στηρίζεται στη δυνατότητα μαγνήτισης μιας μικρής περιοχής του δίσκου που αναπαριστά το δυαδικό ψηφίο 0 ή το 1 που είναι γνωστά ως bits. Η οργάνωσή τους βασίζεται στις τροχιές (tracks) στους τομείς (sectors) στα τμήματα ή μπλοκ (blocks) στα πακέτα δίσκων (disk pack) στους κυλίνδρους

6 Οι Μαγνητικοί Δίσκοι Η μεταφορά των δεδομένων από και προς τους δίσκους γίνεται με ακέραιες μονάδες μπλοκ Για μια λειτουργία εισόδου/εξόδου από τον δίσκο, θα πρέπει να είναι γνωστή η διεύθυνση του μπλοκ στο δίσκο (ο αριθμός επιφανείας, ο αριθμός τροχιάς, ο αριθμός μπλοκ στην τροχιά) και η διεύθυνση μιας ενδιάμεσης μνήμης στην κύρια μνήμη για την προσωρινή αποθήκευση του μπλοκ Για μια είσοδο από τον δίσκο, το μπλοκ αντιγράφεται από το δίσκο στην ενδιάμεση μνήμη, ενώ για μια πράξη εξόδου στον δίσκο, το μπλοκ αντιγράφεται από την ενδιάμεση μνήμη στην αντίστοιχη διεύθυνση του δίσκου

7 Οι Μαγνητικοί Δίσκοι Μια μονάδα δίσκων (disk drive) αποτελείται από ένα ή περισσότερους δίσκους από τον αντίστοιχο αριθμό κεφαλών ανάγνωσης / εγγραφής Οι σκληροί δίσκοι περιστρέφονται συνεχώς με σταθερή ταχύτητα (π.χ. μεταξύ 3600 και στροφών ανά λεπτό) Ο ελεγκτής δίσκου (disk controller) διαχειρίζεται τη μονάδα και την συνεργασία της με το υπολογιστικό σύστημα

8 Οι Μαγνητικοί Δίσκοι Για τον εντοπισμό και μεταφορά ενός μπλοκ από τον δίσκο θα πρέπει να γίνουν οι εξής λειτουργίες Μετακίνηση των κεφαλών προκειμένου να τοποθετηθούν στον κατάλληλο κύλινδρο (χρόνος αναζήτησης - seek time) Περιστροφή των δίσκων προκειμένου να βρεθεί το κατάλληλο μπλοκ και να τοποθετηθεί η κεφαλή στην αρχή του (χρόνος περιστροφής - latency) Μεταφορά των δεδομένων του μπλοκ στην ενδιάμεση μνήμη, η οποία γίνεται με συγκεκριμένη ταχύτητα και ολοκληρώνεται σε συγκεκριμένο χρόνο (χρόνος μεταφοράς μπλοκ - block transfer time)

9 Άλλα Μέσα Δευτερεύουσας Αποθήκευσης Οι μαγνητικές ταινίες είναι μέσα σειριακής αποθήκευσης, εφόσον τα μπλοκ διαβάζονται το ένα μετά το άλλο κατά τη σειρά εγγραφής τους Χαρακτηρίζονται από μεγάλη πυκνότητα εγγραφής (π.χ έως byte ανά ίντσα) και ιδιαίτερα μεγάλους χρόνους περιστροφής (latency)

10 Άλλα Μέσα Δευτερεύουσας Αποθήκευσης Η τεχνολογία RAID (Redundant Arrays of Independent Disks) αναφέρεται στην ταυτόχρονη χρήση δυο ή περισσότερων σκληρών δίσκων Οι δίσκοι που περιλαμβάνονται σε ένα σύστημα RAID αποτελούν ένα πίνακα RAID (RAID array), o οποίος κατανέμει τα δεδομένα σε όλους τους δίσκους αντιμετωπίζεται από το υπολογιστικό και το λειτουργικό σύστημα ως ένας μοναδικός δίσκος. Τα κύρια χαρακτηριστικά της τεχνολογίας είναι η μεγάλη χωρητικότητα αξιοπιστία στην απώλεια δεδομένων μεγάλη ταχύτητα προσπέλασης

11 Εγγραφές και Τύποι Δεδομένων Η εγγραφή (record) είναι μία συλλογή από σχετιζόμενες τιμές δεδομένων Κάθε τιμή αναφέρεται σε ένα συγκεκριμένο πεδίο (field) της εγγραφής Κάθε πεδίο ανήκει σε ένα τύπο δεδομένων που δηλώνει την μορφή/περιεχόμενο του πεδίου Κάθε πεδίο διαθέτει ένα όνομα Ο τύπος μιας εγγραφής αποτελείται από το σύνολο των ονομάτων των πεδίων μαζί με τους αντίστοιχους τύπους δεδομένων

12 Εγγραφές και Τύποι Δεδομένων Μια εγγραφή τύπου "Σπουδαστής"

13 Αρχεία και Είδη Εγγραφών Αρχείο ονομάζεται ένα σύνολο από εγγραφές, οι οποίες είναι συνήθως του ίδιου τύπου Τα αρχεία διακρίνονται σε αρχεία με εγγραφές σταθερού μήκους αρχεία με εγγραφές μεταβλητού μήκους Οι εγγραφές ενός αρχείου τοποθετούνται στα μπλοκ του δίσκου

14 Αρχεία και Είδη Εγγραφών Συνήθως το μέγεθος ενός μπλοκ δεν είναι πολλαπλάσιο του μεγέθους μιας εγγραφής Ένα μπλοκ με 4 εγγραφές και αχρησιμοποίητο χώρο

15 Αρχεία και Είδη Εγγραφών (α) μη εκτεινόμενη και (β) εκτεινόμενη αποθήκευση εγγραφών σε δυο διαδοχικά μπλοκ

16 Πράξεις σε Αρχεία Γενικά οι πράξεις σε αρχεία μπορούν να ομαδοποιηθούν σε πράξεις ανάκτησης τροποποίησης ή ενημέρωσης Για να γίνει ανάκτηση ή τροποποίηση, θα πρέπει να γίνει πρώτα η επιλογή μιας ή περισσοτέρων εγγραφών Στη διαχείριση των αρχείων θεωρείται πως κάθε αρχείο διαθέτει ένα δείκτη ο οποίος δείχνει κάθε φορά μια εγγραφή του αρχείου που ονομάζεται τρέχουσα εγγραφή

17 Πράξεις σε Αρχεία Οι πλέον αντιπροσωπευτικές πράξεις είναι Άνοιγμα αρχείου (open) Εύρεση μιας εγγραφής (find ή locate) Ανάγνωση μιας ή περισσοτέρων εγγραφών (read) Διαγραφή εγγραφής (delete) Τροποποίηση εγγραφής (modify) Εισαγωγή εγγραφής (insert)

18 Πράξεις σε Αρχεία Η οργάνωση αρχείων αναφέρεται στην οργάνωση των δεδομένων ενός αρχείου σε εγγραφές, μπλοκ και σε άλλες βοηθητικές δομές, αλλά και στον τρόπο με τον οποίο οι εγγραφές και τα μπλοκ συνδέονται μεταξύ τους και αποθηκεύονται στον δίσκο Η μέθοδος προσπέλασης αρχείου ορίζει τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η προσπέλαση στο αρχείο από τα διάφορα προγράμματα, δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο υλοποιούνται οι πράξεις επί των αρχείων

19 Οργάνωση Αρχείων σε Μορφή Σωρού Οι νέες εγγραφές τοποθετούνται στο τέλος του αρχείου, σύμφωνα με τη σειρά εισαγωγής Χαρακτηριστικά Η εισαγωγή μιας νέας εγγραφής γίνεται εξαιρετικά απλά και γρήγορα Η εύρεση μιας εγγραφής είναι μια ακριβή πράξη Αν ένα αρχείο περιέχει Κ μπλοκ, τότε στην χειρότερη περίπτωση πρέπει να μεταφερθούν Κ μπλοκ για να ευρεθεί η ζητούμενη εγγραφή κατά μέση τιμή χρειάζονται Κ/2 μεταφορές μπλοκ Είναι απαραίτητη η περιοδική αναδιάρθρωση του αρχείου

20 Οργάνωση Αρχείων σε Μορφή Σωρού Ένα αρχείο σε οργάνωση σωρού

21 Οργάνωση Αρχείων σε Μορφή Σωρού Υποθέτουμε πως 3 εγγραφές ταιριάζουν ακριβώς σε ένα μπλοκ του δίσκου και πως στο αρχείο σωρού κάνουμε τις εξής τρεις πράξεις: Σβήσε την εγγραφή με ΑΜ Σβήσε την εγγραφή με ΑΜ Εισήγαγε την εγγραφή (2124 Δήμος Τηνιακός Γιώργος Ε Πληροφορική)

22 Οργάνωση Αρχείων σε Μορφή Σωρού Το αρχείο σπουδαστών μετά την εκτέλεση των πράξεων

23 Οργάνωση Αρχείων σε Μορφή Σωρού Το αρχείο σπουδαστών μετά την αναδιάρθρωση

24 Αρχεία με Διατεταγμένες Εγγραφές Το αρχείο διατάσσεται (ταξινομείται) ως προς κάποιο πεδίο, το οποίο ονομάζεται πεδίο ταξινόμησης Χαρακτηριστικά πολύ καλύτερη συμπεριφορά ως προς την αναζήτηση μιας εγγραφής (π.χ. με τη δυαδική μέθοδο προσπέλασης ο αριθμός των μπλοκ που πρέπει να μεταφερθούν στην ενδιάμεση μνήμη είναι log 2 K - K o αριθμός των μπλοκ) η εισαγωγή μιας νέας εγγραφής γίνεται αρκετά πιο ακριβή πράξη γιατί η νέα εγγραφή θα πρέπει να τοποθετηθεί σε μια συγκεκριμένη θέση θα πρέπει να γίνει μεταφορά των παλαιών εγγραφών Η διαγραφή μιας εγγραφής γίνεται με αντίστοιχη διαδικασία και θα πρέπει αμέσως μετά να γίνει αναδιάρθρωση του αρχείου

25 Αρχεία με Διατεταγμένες Εγγραφές Το αρχείο σπουδαστών διατεταγμένο κατά ΑΜ

26 Αρχεία με Διατεταγμένες Εγγραφές Μέθοδος για τη βελτίωση της απόδοσης των διατεταγμένων αρχείων με τη χρήση του αρχείου δοσοληψιών ή συναλλαγών ή υπερχείλισης (transaction/overflow file) του κύριου αρχείου (master file)

27 Αρχεία με Κατακερματισμό Το αρχείο πλέον χωρίζεται σε τμήματα Κάθε τμήμα μπορεί να έχει το ίδιο ή διαφορετικό μέγεθος από ένα μπλοκ Μια συνάρτηση κατακερματισμού αντιστοιχίζει μια εγγραφή σε κάποιο τμήμα Το κάθε τμήμα αποθηκεύεται σε ένα ή περισσότερα μπλοκ τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με χρήση δεικτών Διατηρείται ένας κατάλογος που περιέχει τον αριθμό του τμήματος και τη διεύθυνση του πρώτου μπλοκ του τμήματος

28 Αρχεία με Κατακερματισμό Η μέθοδος του κατακερματισμού αρχείων στο δίσκο

29 Η Έννοια του Ευρετηρίου για τα Αρχεία Τα ευρετήρια (indexes) είναι μια προσφιλής μέθοδος προσπέλασης των δεδομένων Ένα ευρετήριο δημιουργείται με βάση ένα πεδίο του αρχείου που ονομάζεται πεδίο ευρετηρίασης Ένα ευρετήριο είναι μια δομή που έχει τη μορφή ενός καταλόγου και αποτελείται από τουλάχιστον δυο πεδία Το πρώτο περιέχει τις τιμές του πεδίου ευρετηρίασης Το επόμενο περιέχει ένα δείκτη (δηλαδή μια διεύθυνση μνήμης) ενός μπλοκ του δίσκου

30 Η Έννοια του Ευρετηρίου για τα Αρχεία Ένα ευρετήριο είναι διατεταγμένο ως προς την τιμή του πεδίου ευρετηρίασης Στα πυκνά ευρετήρια οι δείκτες του ευρετηρίου δείχνουν σε κάθε εγγραφή του αρχείου

31 Ευρετήρια ενός Επιπέδου Το αρχείο σπουδαστών διατεταγμένο κατά ΑΜ

32 Ευρετήρια ενός Επιπέδου Χαρακτηριστικά του αρχείου θεωρούμε πως σε κάθε μπλοκ του δίσκου χωρούν 3 εγγραφές ( η κάθε εγγραφή έχει μέγεθος 55 bytes) το αρχείο έχει 119 εγγραφές. απαιτούνται 40 μπλοκ για την αποθήκευση του αρχείου το τελευταίο μπλοκ περιέχει δυο εγγραφές

33 Ευρετήρια ενός Επιπέδου Ευρετήριο ενός επιπέδου ως προς το πεδίο ΑΜ

34 Ευρετήρια ενός Επιπέδου Βελτιώνεται σημαντικά η ταχύτητα ανάκτησης μιας εγγραφής, π.χ. για την εύρεση της εγγραφής του σπουδαστή με ΑΜ 9510 θα απαιτηθούν οι μετακινήσεις και των οκτώ μπλοκ του ευρετηρίου στην ενδιάμεση μνήμη θα απαιτηθεί η μεταφορά ενός ακόμη μπλοκ, συγκεκριμένα του 40ου μπλοκ του κανονικού αρχείου Δηλαδή, συνολικά θα απαιτηθούν μετακινήσεις 9 μπλοκ

35 Ευρετήρια ενός Επιπέδου Άλλα χαρακτηριστικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί η δυαδική αναζήτηση για το ευρετήριο απαιτείται η χρησιμοποίηση επιπλέον χώρου στον δίσκο για την δημιουργία του ευρετηρίου αλλά και επιπλέον χρόνου για τη διαχείρισή του οι λειτουργίες της εισαγωγής και διαγραφής εγγραφών είναι αρκετά πιο ακριβές στην υλοποίηση

36 Ευρετήρια ενός Επιπέδου Στα πρωτεύοντα ευρετήρια (primary index) το ευρετήριο δημιουργείται ως προς το πεδίο κλειδί του αρχείου και επομένως το αρχείο είναι διατεταγμένο ως προς το πεδίο κλειδί Στα ευρετήρια συστάδας το ευρετήριο αναφέρεται σε ένα πεδίο διάταξης του αρχείου που δεν είναι κλειδί Τα δευτερεύοντα ευρετήρια (secondary index) ορίζονται επί πεδίων τα οποία δεν αποτελούν πεδία διάταξης των αρχείων

37 Ευρετήρια Πολλών Επιπέδων Ευρετήριο δυο επιπέδων ως προς το πεδίο ΑΜ

38 Δευτερεύοντα και Πυκνά Ευρετήρια Πυκνό ευρετήριο ως προς το πεδίο Επώνυμο

39 Δευτερεύοντα και Πυκνά Ευρετήρια Χαρακτηριστικά το πεδίο ευρετηρίασης δεν είναι πεδίο διάταξης του αρχείου το πεδίο ευρετηρίασης δεν είναι το κλειδί του αρχείου (δευτερεύον ευρετήριο) Οι τιμές του ευρετηρίου πρέπει να διατηρούνται διατεταγμένες το αρχείο ευρετηρίου καταλαμβάνει περισσότερο χώρο αποθήκευσης ο χρόνος αναζήτησης του ευρετηρίου είναι μεγαλύτερος ο τελικός χρόνος ανάκτησης μιας εγγραφής όμως δεν είναι μεγαλύτερος

40 Δένδρα Αναζήτησης Τα δένδρα αναζήτησης είναι μια ειδική μορφή της δομής δεδομένων των δένδρων (tree data structures) Η ορολογία στη δομή δεδομένων των δένδρων κόμβος (node) κόμβος-γονέας κόμβος-παιδί κόμβος-ρίζα κόμβος-φύλλο εσωτερικός κόμβος του δένδρου επίπεδο ενός κόμβου επίπεδο της ρίζας υποδένδρο ενός κόμβου

41 Δένδρα Αναζήτησης Ένα δένδρο 11 κόμβων

42 Δένδρα Αναζήτησης Τα δένδρα αναζήτησης (search trees) χρησιμοποιούνται για την αναζήτηση μιας εγγραφής με βάση την τιμή ενός πεδίου της Τα δένδρα αναζήτησης είναι ένας τρόπος ευρετηρίασης δεδομένων Οι τιμές του πεδίου ευρετηρίασης, σε κάθε κόμβο ενός δένδρου αναζήτησης, οδηγούν στο επόμενο επίπεδο στο κατάλληλο παιδί-κόμβο, μέχρι να βρεθεί ο κόμβος που περιέχει την ίδια την εγγραφή Ένα δένδρο αναζήτησης είναι τάξεως m, όταν κάθε κόμβος περιέχει m-1 το πολύ τιμές αναζήτησης και m αντίστοιχους δείκτες σε άλλους κόμβους που είναι τα παιδιά του

43 Δένδρα Αναζήτησης Ένα δένδρο αναζήτησης, τάξεως 3

44 Δένδρα Αναζήτησης Τρόπος κατασκευής του δένδρου Κάθε κόμβος του δένδρου αποτελείται από 5 πεδία Το πρώτο, τρίτο και πέμπτο πεδίο περιέχουν δείκτες σε άλλους κόμβους και τα υπόλοιπα πεδία περιέχουν τιμές αναζήτησης Σε κάθε κόμβο, ο πρώτος δείκτης οδηγεί σε ένα υποδένδρο στο οποίο όλες οι τιμές αναζήτησης είναι μικρότερες από την πρώτη τιμή αναζήτησης του κόμβου Σε κάθε κόμβο, ο δεύτερος δείκτης οδηγεί σε ένα υποδένδρο στο οποίο όλες οι τιμές αναζήτησης είναι μεγαλύτερες από την πρώτη τιμή αναζήτησης του κόμβου και μικρότερες από την δεύτερη τιμή αναζήτησης ο τρίτος δείκτης οδηγεί σε ένα υποδένδρο στο οποίο όλες οι τιμές αναζήτησης είναι μεγαλύτερες από την δεύτερη τιμή αναζήτησης του κόμβου

45 Δένδρα Αναζήτησης Χαρακτηριστικά η αναζήτηση του δένδρου αναζήτησης ολοκληρώνεται μέσα στο πολύ Κ βήματα, όπου Κ είναι το μέγιστο επίπεδο του δένδρου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναζήτηση εγγραφών στον δίσκο

46 Β – Δένδρα Το μέγιστο επίπεδο ενός δένδρου καλείται συχνά και βάθος του δένδρου Τα ισοζυγισμένα (balanced) δένδρα ή διαφορετικά B-δένδρα (Β-trees) διατηρούν το βάθος του δένδρου ιδιαίτερα μικρό

47 Β – Δένδρα Δυο δένδρα 11 κόμβων α) μη ισοζυγισμένο και β) ισοζυγισμένο

48 Β – Δένδρα Ένα Β-δένδρο τάξης m έχει τις παρακάτω ιδιότητες: Κάθε κόμβος έχει το πολύ m παιδιά Κάθε κόμβος, εκτός της ρίζας και των φύλλων έχει το ελάχιστο m/2 παιδιά Η ρίζα έχει τουλάχιστον δυο παιδιά, εκτός αν είναι ο μόνος κόμβος του δένδρου Όλα τα φύλλα εμφανίζονται στο ίδιο επίπεδο του δένδρου Ένας κόμβος που δεν είναι φύλλο και έχει κ παιδιά, περιέχει κ-1 τιμές αναζήτησης

49 Β – Δένδρα Ένα Β-δένδρο, τάξεως 3

50 Β + - Δένδρα Τα Β + -δένδρα είναι όμοια με τα Β-δένδρα, με τη διαφορά πως οι εγγραφές αποθηκεύονται μόνο στα φύλλα του δένδρου ενώ στους εσωτερικούς κόμβους υπάρχουν μόνο τα πεδία αναζήτησης Τα φύλλα του δένδρου περιέχουν επιπλέον τους δείκτες προς τις εγγραφές (ή τα μπλοκ) του αρχείου Τα φύλλα του Β+-δένδρου ενώνονται μεταξύ τους για να προσφέρουν μια γρήγορη διατεταγμένη προσπέλαση (διάσχιση) του αρχείου Τα Β+-δένδρα είναι μια μορφή πολυεπίπεδων ευρετηρίων

51 Β + - Δένδρα Ένα Β+-δένδρο, τάξεως 4