在現(xiàn)代計算機的應(yīng)用領(lǐng)域中.ppt

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1、文件,在現(xiàn)代計算機的應(yīng)用領(lǐng)域中,數(shù)據(jù)處理是一個重要方面。數(shù)據(jù)處理是對各種類型的大批量的數(shù)據(jù)進行收集、存儲、排序、檢索、計算、修改、輸出等分析和加工處理的過程。例如,用計算機進行企業(yè)管理、財務(wù)工資管理、倉庫物資管理、情報檢索、統(tǒng)計報表等都涉及到數(shù)據(jù)存放到外存儲器上。有時,為了長期保存原始數(shù)據(jù)和加工處理過的數(shù)據(jù),也需要將這些數(shù)據(jù)以文件的形式存放在外存上。學完本章讀者應(yīng)能掌握文件的概念、邏輯特性、物理結(jié)構(gòu)和基本操作。,文件的基本概念,與文件有關(guān)的基本術(shù)語有以下幾個: 數(shù)據(jù)項:數(shù)據(jù)項是文件中可使用的不可分的最小數(shù)據(jù)單位。一個數(shù)據(jù)項由若干個字符或數(shù)字組成,它代表某一事物的一種屬性。數(shù)據(jù)項又稱為數(shù)據(jù)域。例

2、如,個人書庫中的登錄號、書號、書名、作者、出版社和價格等等都是數(shù)據(jù)項。 記錄:記錄是由一個或多個數(shù)據(jù)項根據(jù)一定的目的而組成的數(shù)據(jù)項集合。例如,由登錄號、書號、書名、作者、出版社和價格等數(shù)據(jù)項組成的集合是一個職工記錄。 文件:文件是大量性質(zhì)相同的記錄組成的集合。,關(guān)鍵字:是能夠區(qū)別文件中各記錄的域。通常,把能唯一標識一個記錄的關(guān)鍵字稱為主關(guān)鍵字;而那些不能唯一標識一個記錄的關(guān)鍵字稱為次關(guān)鍵字;由兩個以上關(guān)鍵字組成的關(guān)鍵字稱為復(fù)合關(guān)鍵字。 在表10-1所給出的個人書庫文件中,各個記錄的結(jié)構(gòu)相同,信息長度相同,因而我們將這樣的記錄稱為定長記錄。由定長記錄組成的文件稱為定長記錄文件。除了定長記錄文件之

3、外,還有不定長記錄文件。例如,在學生學籍管理文件中,不同的年級,或者不同專業(yè)的學生,所修的課程數(shù)和課程名稱都不一樣。這樣,反映各個學生的學科成績的記錄長度和結(jié)構(gòu)就不相同,這類記錄稱為不定長記錄。由不定長記錄組成的文件叫做不定長記錄文件。 文件的主要操作有以下幾種: 插入:將一個記錄插入某個文件中。 刪除:從某個文件中刪除一個或多個記錄。 修改:用指定值去修改滿足修改條件的某個(或多個)記錄中的某個(或多個)數(shù)據(jù)項的內(nèi)容。 檢索:對文件的檢索是通過對文件的各種查詢來實現(xiàn)的。對表10-1所示的個人書庫文件,有以下4種類型的查詢: 查詢1(Q1):這是簡單查詢,它規(guī)定只查詢一個關(guān)鍵字的值。例如查詢“

4、書名為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”的書有哪些?又如查詢“書號=TP1787”的書是哪一個記錄?過些都是簡單查詢。 查詢2(Q2):這是范圍性查詢,它規(guī)定在單個關(guān)鍵字值的某個范圍內(nèi)進行查詢。例如查詢“價格22.00”的書是哪些記錄? 查詢3(Q3):這是函數(shù)性查詢,它要求先規(guī)定單個關(guān)鍵字值的某個因數(shù),然后對該函數(shù)的值進行查詢。例如規(guī)定某個關(guān)鍵字的平均值,可查詢“關(guān)鍵字值大于這個平均值”的有哪些記錄?對于個人書庫文件,可查詢“價格所有圖書的平均價格”是哪些圖書? 查詢4(Q4):這是布爾查詢,即對上述查詢Q1Q3用邏輯運算符and(與)、or(或)、not(非)組合起來進行布爾查詢。例如查詢“(書名為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))or

5、(書號=TP1787)”的圖書是哪些記錄? 在以上的文件操作中,檢索是最基本的操作,其它操作都在檢索的基礎(chǔ)之上進行。 文件的操作又可以分成實時處理和批量處理兩種方式。采用實時處理方式時,對任何一類查詢或更新,系統(tǒng)應(yīng)立即進行響應(yīng)和處理,一般應(yīng)在幾秒鐘之內(nèi)作出反應(yīng)。例如,對于一個飛機訂票系統(tǒng),必須在幾秒鐘之內(nèi)能給客戶的查詢請求輸出飛機班次和座位的狀況等信息,即應(yīng)是一個實時檢索系統(tǒng)。同理,飛機訂票系統(tǒng)應(yīng)采用實時更新方式,即當某個航班一個座位被預(yù)訂出后,應(yīng)立即更新該航班的座位文件,以免發(fā)生差錯。采用批量處理方式,系統(tǒng)不必立即進行響應(yīng)和處理,因為這時的響應(yīng)時間不是一個重要因素。例如,對于學生學籍管理系

6、統(tǒng)來說,可在期末考試全部結(jié)束后只進行次批量處理。 文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在外存上的組織形式。按照文件的檢索方式和物理結(jié)構(gòu),文件分為順序文件、索引文件、索引順序文件、直接存取文件、鏈接文件和多重鏈表文件、倒排文件。按所存放的外存設(shè)備,文件又可以分為磁帶文件和磁盤文件等幾類。下面分別加以討論。,順序文件,順序文件是物理結(jié)構(gòu)最簡單的文件,也是數(shù)據(jù)處理歷史上最早使用的文件結(jié)構(gòu)。順序文件的各個記錄按輸入的先后次序存放在外存中的連續(xù)存儲區(qū)。為了便于檢索和修改文件,文件中的記錄通常按關(guān)鍵字的大小次序排列,成為按關(guān)鍵字排序的順序文件。表10-1所示的個人書庫文件是按關(guān)鍵字登錄號排序的文件,它存放到外存的連續(xù)存

7、儲區(qū)后便得到一個按關(guān)鍵字排序的順序文件。 順序文件的基本優(yōu)點是在連續(xù)存取時速度較快。例如,如果文件中的第i個記錄剛被存取過,而下一個要存取的記錄就是第i+1個記錄,則此次存取將會很快完成。磁帶是比較適用于這種應(yīng)用的外存設(shè)備。存放于磁帶上的文件也只能是順序文件,這是由磁帶的物理特性決定的。存放于磁盤上的文件,既可以是順序文件,也可以是索引結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)類型的文件。 當需要對磁帶順序文件進行檢索時,一般是采用順序掃描的方式來檢索滿足查詢條件的記錄。例如,若要檢索第i個記錄,則必須先檢索前面的i-1個記錄。為了提高平均檢索效率,可采用批量處理技術(shù)。如果將對文件的多個檢索請求加以積累和排序,則形成一

8、個稱為待辦文件(或事務(wù)文件)的文件。如果將被查詢的文件稱為主文件,則批量檢索就是按照待辦文件的要求成批地檢索主文件。批量檢索對于實時應(yīng)用來說是不適宜的,因為實時查詢要求響應(yīng)時間快,而在很短的時間間隔內(nèi),積累的批處理文件規(guī)模太小,不能表現(xiàn)出它的優(yōu)越性。 在磁帶順序文件中插入記錄,只能加在文件的末尾,不能插在兩個原有記錄之間。修改記錄,即使在新舊記錄等長的情況下,將新記錄寫在舊記錄的位置上,一般不但不可能完全重合,甚至還會破壞鄰近記錄的信息。因此,修改一個磁帶文件,需要用另一條磁帶將原文件復(fù)制過來,在復(fù)制過程中進行插入、刪除、修改記錄的操作。為了提高效率,修改一個順序文件,也采用成批處理技術(shù)。這種

9、批量修改方式很適用于銀行帳戶結(jié)算管理系統(tǒng)。例如,可把一天的零星支取和存入分別作為記錄收集在一起,構(gòu)成為一個待辦文件,在當天下班時再按照待辦文件進行批量修改主文件(頭天下班修改過的主文件)的工作,便得到一個新主文件。,索引文件,順序文件的查詢速度很慢。采用索引文件可以提高檢索效率。實際上,在前面的章節(jié)中我們已經(jīng)運用了索引技術(shù)。 索引用來表示關(guān)鍵字與相應(yīng)記錄的存儲地址之間的對應(yīng)關(guān)系。換言之,索引指出了記錄在存儲器中的存儲地址。設(shè)記錄Ri的關(guān)鍵字為Ki,Ri在外存中的存儲地址為Ai,則(Ki,Ai)稱為記錄Ri的索引項。索引表(簡稱索引)是索引項的集合。如果文件中的每個記錄都有一個索引項,則這樣的

10、索引稱為稠密索引。如果多個記錄只有一個索引項,則這樣的索引稱為非稠密索引。帶有索引的文件稱為索引文件。索引也稱為目錄。 索引文件在外存(磁盤、磁鼓等)中可分為兩個存儲區(qū):索引區(qū)和記錄區(qū)(數(shù)據(jù)區(qū))。索引表中的索引項順序存放在索引區(qū)中,但為了便于檢索,索引項一般按關(guān)鍵字的大小次序排列。文件中的記錄按輸入的先后次序存放到記錄區(qū);記錄區(qū)按關(guān)鍵字大小次序排列的索引文件稱為索引順序文件。對于索引順序文件,可以不必使用稠密索引,只為一個記錄塊(含多個有序記錄)建立一個索引項。記錄區(qū)不按關(guān)鍵字大小次序排列的索引文件稱為索引非順序文件,這時應(yīng)使用稠密索引。圖10-2所示的個人書庫(價格)索引文件,是一個索引非順

11、序文件。 通常,索引項所含的數(shù)據(jù)信息比記錄少得多,因而索引所需的存儲空間比文件本身(記錄區(qū))所需要的存儲空間少得多。在文件的記錄數(shù)較少的情況下,可以為每個記錄建立一個索引項。文件建立時,開辟一個索引區(qū),一般固定在某個磁盤面的一個或多個磁道上。寫入一個記錄到記錄區(qū)時,在索引區(qū)相應(yīng)登入一個索引項,即把該記錄的關(guān)鍵字(主關(guān)鍵字)和記錄的存儲地址順序?qū)懭胨饕齾^(qū)。文件建立后,將索引區(qū)中的索引讀入內(nèi)存的緩沖區(qū),按關(guān)鍵字進行內(nèi)部排序。最后將排序好的索引項順序?qū)懟氐酱疟P上的索引區(qū)。 根據(jù)關(guān)鍵字查找索引文件的記錄分兩步進行。第1步,訪問外存的索引區(qū),將索引讀入內(nèi)存緩沖區(qū),使用順序查找或折半查找法找出所查記錄

12、在外存數(shù)據(jù)區(qū)中的地址,這一過程稱為預(yù)查找。第2步,如果在預(yù)查中已找到了所查記錄的地址,則第2次訪問外存,根據(jù)已查到的地址,讀取所查的記錄。 刪除一個記錄時,只需刪去相應(yīng)的索引項,而不必移動數(shù)據(jù)區(qū)中的記錄。插入一個新記錄時,將記錄放到記錄區(qū)的末尾,在索引區(qū)登記相應(yīng)的索引項,并對索引區(qū)中的索引項重新排序。,索引順序文件,在實際應(yīng)用中,索引順序文件是被經(jīng)常采用的一種文件結(jié)構(gòu)。它是在順序文件的基礎(chǔ)上,用增加索引的辦法而形成的。文件中的記錄按關(guān)鍵字大小順序存放在磁盤的連續(xù)或相鄰的存儲區(qū)中。由于記錄按關(guān)鍵字排序,因此不必為每一個記錄設(shè)立一個索引項,而把文件劃分為若干個記錄塊,只為每塊中關(guān)鍵字最大(或最小

13、)的記錄設(shè)置一個索引項。這種組織文件的方法稱為索引順序存取法ISAM(Indexed Sequential Access Method),用這種方法建立起來的索引文件稱為ISAM文件,它是一種專為磁盤存取設(shè)計的文件組織方式。,由于磁盤是以盤組、柱面和磁道三級地址存取的設(shè)備,則可對磁盤上的數(shù)據(jù)文件建立盤組、柱面和磁道三級索引。文件的記錄在同一盤組上存放時,應(yīng)先集中放在一個柱面上,然后再順序存放在相鄰的柱面上,對同一柱面,則應(yīng)按盤面的次序順序存放。例如圖10-3為存放在一個磁盤組上的ISAM文件。每個柱面建立一個磁道索引,每個磁道索引項由兩部分組成:基本索引項和溢出索引項,如圖10-4所示,每一部

14、分都包括關(guān)鍵字和指針兩項,前者表示該磁道中最大關(guān)鍵字,后者指示該磁道中第一個記錄的位置,柱面索引的每一個索引項也由關(guān)鍵字和指針兩部分組成,前者表示該柱面中最末一個記錄的關(guān)鍵字(最大關(guān)鍵字),后者指示該柱面上的磁道索引位置。柱面索引存放在某個柱面上,若柱面索引較大,占多個磁道時,則可建立柱面索引的索引主索引。,在ISAM文件上檢索記錄時,先從主索引出發(fā)找到相應(yīng)的柱面索引,再從柱面索引找到記錄所在柱面的磁道索引,最后從磁道索引找到記錄所在磁道的第一個記錄的位置,由此出發(fā)在該磁道上進行順序查找直到找到為止;反之,若找遍該磁道而不存在此記錄,則表明該文件中無此記錄。 從圖10-3中還可以看到,每個柱面

15、上還開辟有一個溢出區(qū);并且,磁道索引項中有溢出索引項,這是為插入記錄所設(shè)置的。由于ISAM文件中記錄是按關(guān)鍵字順序存放的,則在插入記錄時需移動記錄并將同一磁道上最后一個記錄移至溢出區(qū),同時修改磁道索引項。通常溢出區(qū)可有三種設(shè)置方法:(1)集中存放整個文件設(shè)一個大的單一的溢出區(qū);(2)分散存放每個柱面設(shè)一個溢出區(qū);(3)集中與分散相結(jié)合溢出時記錄先移至每個柱面各自的溢出區(qū),待滿之后再使用公共溢出區(qū)。 每個柱面的基本區(qū)是順序存儲結(jié)構(gòu),而溢出區(qū)是鏈表結(jié)構(gòu)。同一磁道溢出的記錄由指針相鏈,該磁道索引的溢出索引項中的關(guān)鍵字指示該磁道溢出的記錄的最大關(guān)鍵字;而指針則指示在溢出區(qū)中的第一個記錄。圖10-5所示

16、為插入記錄和溢出處理的具體例子。 其中(a)為插入前的某一柱面上的狀態(tài);(b)為插入R65時,將第二道中關(guān)鍵字大于65的記錄順次后移,且使R90溢出至溢出區(qū)的情況;(c)為插入R65之后的狀態(tài),此時2道的基本索引項的關(guān)鍵字改為80,且溢出索引項的關(guān)鍵字改為90,其指針指向第4道第一個記錄即R90;(d)是相繼插入R95和R83后的狀態(tài)。在R95插入在第3道的第一個記錄的位置而使R145溢出。而由于80<83<90,則R83被直接插入到溢出區(qū),作為第2道在溢出區(qū)的第一個記錄,并將它的指針指向R90的位置,同時修改第2道索引的溢出索引項的指針指向R83。 ISAM文件中刪除記錄的操作比插入簡單得

17、多,只需找到待刪除的記錄,在其存儲位置上作刪除標記即可,而不需要移動記錄或改變指針。則在經(jīng)過多次的增刪后,文件的結(jié)構(gòu)可能變得很不合理。此時,大量得記錄進入溢出區(qū),而基本區(qū)中又浪費很多空間。因此,通常需要周期地整理ISAM文件。把記錄讀入內(nèi)存,重新排列,復(fù)制成一個新的ISAM文件,填滿基本區(qū)而空出溢出區(qū)。,直接存取文件,直接存取文件指的是利用雜湊(Hash)法進行組織的文件。它類似于哈希表,即根據(jù)文件中關(guān)鍵字的特點設(shè)計一種哈希函數(shù)和處理沖突的方法將記錄散列到存儲設(shè)備上,故又稱散列文件。 與哈希表不同的是,對于文件來說,磁盤上的文件記錄通常是成組存放的。若干個記錄組成一個存儲單位,在散列文件中這個

18、存儲單位叫作桶。一個桶能存放的邏輯記錄的總數(shù)稱為桶的容量。假如一個桶能存放m個記錄,即m個同義詞的記錄可以存放在同一地址的桶中,當?shù)趍+1個同義詞出現(xiàn)時則發(fā)生“溢出”。處理溢出也可采用哈希表中處理沖突的各種方法;但對散列文件,主要采用鏈地址法。 當發(fā)生“溢出”時,需要將第m+1個同義詞存放到另一個桶中,通常稱此桶為“溢出桶”;相對地,稱前m個同義詞存放的桶為“基桶”。溢出桶可以有多個,它們和基桶大小相同,相互之間用指針相鏈接。當在基桶中沒有找到待查記錄時,就順指針所指到溢出桶中進行查找。因此,希望同一散列地址的溢出桶和基桶在磁盤上的物理位置不要相距太遠,最好在同一柱面上。,例如,某i文件有18

19、個記錄,其關(guān)鍵字分別為28,19,13,93,89,14,55,69,8,9,16,21,33,81,62,11,34,35。用除留余數(shù)法作哈希函數(shù)H(key)=key MOD 7。桶的容量m=3,基本桶數(shù)=7,由此得到的散列文件如圖10-6所示。,,在散列文件中進行查找時,首先根據(jù)給定值k求得哈希地址(即基桶號),將基桶的記錄讀入內(nèi)存進行順序查找,若找到關(guān)鍵字等于k的記錄,則檢索成功;若基桶內(nèi)沒有填滿記錄或其指針域為空(即無溢出桶)則文件內(nèi)不含有待查的記錄;否則根據(jù)指針域的值的指示將溢出桶的記錄讀入內(nèi)存繼續(xù)進行順序查找,直至檢索成功或不成功。在散列文件中,裝填因子=n/bm。 其中:n為文件

20、的記錄數(shù),b為桶數(shù),m為桶的容量。而存取桶數(shù)的期望值=1+/2。在散列文件中刪除記錄僅需要對被刪除記錄作一標記即可。 總之,散列文件的優(yōu)點是:插入、刪除方便,存取速度比索引文件要快;不需要索引區(qū),節(jié)省存儲空間。其缺點是:不能進行順序存取,只能按關(guān)鍵字隨機存取,且詢問方式只有簡單詢問;并且在經(jīng)過多次的插入、刪除之后,也可能造成文件結(jié)構(gòu)不合理,即溢出桶滿而基桶內(nèi)多數(shù)為被刪除的記錄。此時亦需重組文件。,多關(guān)鍵字文件,主關(guān)鍵字(With more than one key)文件的特點是,在對文件進行檢索操作時,不僅對主關(guān)鍵字進行簡單詢問,還經(jīng)常需要對次關(guān)鍵字進行其他類型的詢問檢索。因此,對多關(guān)鍵字文件

21、,尚需建立一系列的次關(guān)鍵字索引。次關(guān)鍵字索引的主關(guān)鍵字索引所不同的是,每個索引項應(yīng)包含次關(guān)鍵字、具有同一次關(guān)鍵字的多個記錄的主關(guān)鍵字或或物理記錄號。多重表文件和倒排文件是兩種多關(guān)鍵字文件的組織方法。,多重表文件,多重表文件(Multilist file)的特點是:記錄按主關(guān)鍵字的順序構(gòu)成一個串聯(lián)文件,并建立主關(guān)鍵字的索引(稱為主索引);對每個次關(guān)鍵字項建立次關(guān)鍵字索引(稱為次索引),所有具有同一次關(guān)鍵字的記錄構(gòu)成一個鏈表。主索引為非稠密索引(一組記錄建立一個索引項),次索引為稠密索引(每個記錄建立一個索引項)。每個索引包括次關(guān)鍵字、頭指針和鏈表長度。 例如,圖10-7所示為一個多重表文件。其中

22、,工號為主關(guān)鍵字,記錄按工號順序鏈接。對工號非稠密索引,分成3個子鏈表。其索引如圖10-8(b)所示,索引項中的主關(guān)鍵字為各組中的最大值。職稱、專業(yè)為兩個次關(guān)鍵字項,它們的索引如圖10-8(c)、(d)所示。具有同次關(guān)鍵字的記錄鏈接在同一鏈表中。有了這些次關(guān)鍵字索引,根據(jù)關(guān)鍵字值找到鏈表的頭指針,然后從頭指針出發(fā)可列出鏈表中所有記錄。例如,要查詢數(shù)學專業(yè)的教授,可以從“專業(yè)”索引表中查找到“數(shù)學”的頭指針和表長,從而可讀取到相應(yīng)的記錄,再查看其中哪些記錄的“職稱”為“教授”即可。此查詢也可從“職稱”索引表入手。顯然,較好的方法是先讀長度較短的鏈表中的記錄。 在多重表中插入一個新記錄是很容易的,

23、只要修改指針,將記錄插在鏈表的頭指針之后。但是,要刪去一個記錄卻很繁瑣,需要在每個次關(guān)鍵字的鏈表中刪去該記錄。,倒排文件,倒排文件(Inverted file)和多重表文件的區(qū)別在于次關(guān)鍵字索引的結(jié)構(gòu)不同。倒排文件的次關(guān)鍵字索引稱為倒排表。在倒排表的索引項中沒有頭指針和鏈表長度項,而直接用一項存放具有同一關(guān)鍵字的所有記錄的物理記錄號或主關(guān)鍵字。值得注意的是,倒排表中具有一次關(guān)鍵字的記錄號是有序排列的。上李文件的倒排表如圖10-8所示。,在倒排文件中檢索記錄較快,特別是處理多個次關(guān)鍵字檢索。在處理各種次關(guān)鍵字的詢問時,只要在次關(guān)鍵字索引中找出有關(guān)的指針集合,再對這些指針集合進行交、并、差等邏輯運

24、算,就可求出符合查詢條件的記錄指針,然后按指針到外存去存取記錄。如前例,要查詢數(shù)學專業(yè)的教授,只要分別在“職稱”索引表上找“教授”、在“專業(yè)”索引表上找“數(shù)學”,得到指針集A=2,6、B=2,5,9。由A與B的交集2得到指針2,即可根據(jù)指針訪問外存讀取相應(yīng)2號記錄。 在插入和刪除記錄時,倒排表也要作相應(yīng)修改,同時需移動索引項中的記錄號以保持其有序排列。 倒排文件的缺點是:各倒排表的長度不同,同一倒排表中各項長度也不同,這給文件的維護帶來困難。而且倒排表需要額外存儲空間。,本章小結(jié),本章主要介紹了如下一些基本概念: 數(shù)據(jù)項:數(shù)據(jù)項是文件中可使用的不可分的最小數(shù)據(jù)單位。一個數(shù)據(jù)項由若干個字符或數(shù)字

25、組成,它代表某一事物的一種屬性。數(shù)據(jù)項又稱為數(shù)據(jù)域。 記錄:記錄是由一個或多個數(shù)據(jù)項根據(jù)一定的目的而組成的數(shù)據(jù)項集合 文件:文件是大量性質(zhì)相同的記錄組成的集合。 關(guān)鍵字:是能夠區(qū)別文件中各記錄的域。通常,把能唯一標識一個記錄的關(guān)鍵字稱為主關(guān)鍵字;而那些不能唯一標識一個記錄的關(guān)鍵字稱為次關(guān)鍵字;由兩個以上關(guān)鍵字組成的關(guān)鍵字稱為復(fù)合關(guān)鍵字。 文件的主要操作有:插入、刪除、修改、檢索等。 文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在外存上的組織形式。按照文件的檢索方式和物理結(jié)構(gòu),文件分為順序文件、索引文件、索引順序文件、直接存取文件、鏈接文件和多重鏈表文件、倒排文件。按所存放的外存設(shè)備,文件又可以分為磁帶文件和磁盤文件等幾類。,

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