Physischer Datenbankentwurf: Datenspeicherung

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1 Datenspeicherung.1 Physischer Datenbankentwurf: Datenspeicherung Beim Entwurf des konzeptuellen Schemas wird definiert, welche Daten benötigt werden und wie sie zusammenhängen (logische Datenbank). Beim Entwurf des physischen Schemas muß vor dem Hintergrund des konzeptuellen Schemas und den zu erwartenden Anwendungen eine Abbildung auf eine physische Datenbank definiert werden, die eine möglichst hohe Effizienz bei der Ausführung von Anfragen und Anwendungsprogrammen garantiert. Eine physische Datenbank ist eine Menge von Dateien.

2 Datenspeicherung.2 Eine Datei ist eine Menge von Sätzen des gleichen Typs; sie repräsentiert einen Teil des konzeptuellen Schemas, beispielsweise eine Relation, einen Teil einer Relation, den Verbund mehrerer Relationen, etc., oder auch eine zur Effizienzsteigerung erforderliche Hilfsstruktur (Index). Die Zugriffseinheiten einer Datei sind Seiten, oder auch Blöcke. Typischerweise hat eine Seite eine Größe von 4KB bis 8KB, bzw. besteht ein Block aus aufeinanderfolgenden Seiten mit einer Größe bis zu 32KB. Jeder Satz besteht aus einem oder mehreren Feldern; eine Seite enthält in der Regel mehrere Sätze.

3 Datenspeicherung.3 konzeptuelles Schema: n m A AB B BC C ABD D n CD 1 Primaerindex Sekundaerindex Primaerindex physisches Schema: Sortierung B B C Hash aaa Hash Baum a a a a A a a aa bbb b c d d d c ddd bbbb B AB C D CD Ballung Baum A Bitliste attr Baum A Baum D Sekundaerindex Sekundaerindex Sekundaerindex Primaerindex Abbildung konzeptuelles Schema physisches Schema

4 Datenspeicherung.4 Speicherhierarchie Typ Einsatzbereich Zugriffsart Zugriffszeit Primärspeicher (Cache, Hauptspeicher) Verarbeitung der Daten direkt ns Sekundärspeicher (Platten) permanente Speicherung direkt 10 msec Tertiärspeicher (Bänder, CD) Archivierung sequentiell n.a. Die Zugriffszeit bei Platten besteht aus (Zeitangaben bzgl. eines Beispiels): seek time: Zeit um den Lesekopf zu positionieren (2.2msec bis 15.5msec), rotational delay: Zeit bis die gewünschte Seite unter dem Lesekopf auftaucht (im Durchschnitt 4.17msec), transfer time: Zeit um die Seite zu lesen (abhängig von der der Rotationszeit). Zusammengehörige Seiten sollten auf demselben Zylinder abgelegt werden. ) Nacheinander benötigte Seiten sollten hintereinander stehen und möglichst ) mit einem Zugriff gelesen werden (blocked access).

5 Datenspeicherung.5 Lesen und Schreiben von Sätzen Zu verarbeitende Sätze müssen vom Plattenspeicher in den Hauptspeicher übertragen werden: Der Datei-Manager lokalisiert die Seite des gesuchten Satzes. Der Datei-Manager beauftragt den Puffer-Manager die Seite in den Hauptspeicher zu übertragen. Der Puffer-Manager führt den Auftrag aus und meldet dies dem Datei-Manager.

6 Datenspeicherung.6 Pufferverwaltung Die zur Verfügung stehenden Seiten des Hauptspeichers heißen Rahmen. Für jeden Rahmen werden die Variablen pin count und dirty verwaltet. pin count zählt die Anzahl der Transaktionen, die die betreffende Seite angefordert haben und noch nicht freigegeben haben; dirty zeigt an, ob die Seite verändert wurde. Wenn eine angeforderte Seite nicht im Pool ist und kein Rahmen frei ist, dann wird eine Seite mit pin count = 0 für die Ersetzung bestimmt. Wenn dirty gesetzt ist, dann muß die Seite vor der Ersetzung in der Datenbank materialisiert werden. Existiert keine Seite mit pin count = 0, muß der Puffer- Manager auf eine solche warten, bzw. die veranlassende Transaktion wird abgebrochen. Sind Zugriffsmuster der Transaktionen erkennbar, kann ein prefetching von Seiten praktiziert werden.

7 Datenspeicherung.7 Adressierung von Sätzen Eine Adresse, bzw. Tupel-Identifikator (tid) oder Satz-Identifikator hat die (b Form k), b wobei Seitennummer k und laufende Nummer innerhalb der Seite. Mittels eines Adreßbuchs (directory) der betreffenden Seite wird k eine physikalische Adresse innerhalb der Seite zugeordnet. Adressbuch und Sätze sollten gegeneinander wachsend in der Seite organisiert werden. Ein Satz ist in seiner Seite frei verschiebbar; es muß lediglich das Adressbuch aktualisiert werden. Sätze können gelöscht werden (mit Speicherfreigabe) durch entsprechende Kennzeichnung im Adreßbuch.

8 Datenspeicherung.8 Seiten-Organisation für Sätze fester Länge: Slot 1 Slot 2 Slot N Free Space Slot 1 Slot Slot N Slot M N M PACKED number of records M UNPACKED, BITMAP number of slots

9 Datenspeicherung.9 Seiten-Organisation für Sätze fester und variabler Länge: Rid = (i,n) Page i Rid = (i,2) Rid = (i,1) N N # slots SLOT DIRECTORY Pointer to start of free space

10 Datenspeicherung.10 Bemerkungen: Sätze können durch Verweisketten über Seitengrenzen verschiebbar gemacht werden: anstatt des Satzinhaltes wird seine neue Adresse gespei- chert. Variabel lange Sätze beginnen mit einem Längenzähler. Jedes Feld variabler Länge hat am Anfang einen Längenzähler. Alternativ hat jeder Satz am Anfang eine Zeigerliste, in der die Zeiger auf den Beginn des Feldes zeigen.

11 Datenspeicherung.11 Datei-Organisation und Indexstrukturen Die Effizienz der Verarbeitung der Daten hängt von der gewählten Datei-Organisation und den vorliegenden Indexstrukturen ab. Relevante Operationen: Durchsuchen (Scan): Alle Seiten, die Sätze enthalten, werden gelesen. Suchen in Abhängigkeit von einem Gleicheitstest (Equality Search): Alle Seiten, die die Sätze enthalten, die die Gleichheitsbedingung erfüllen, werden gelesen. Suchen in Abhängigkeit von einem Bereichstest (Range Search): analog. Einfügungen (Insert): Lesen und Schreiben einer oder mehrerer Seiten erforderlich. Löschungen (Delete): analog.

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