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UFPA – UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ Centro de Ciências Exatas e Naturais Departamento de Informática Bacharelado em Ciência da Computação Estrutura de Dados II Prof.: Antonio B. C. Sampaio Conceitos Básicos de Organização de Arquivos Equipe: • Leandro Lages de C. Faria • Rodrigo Pinto Cardoso nº 9908801201 nº 9908801401 Introdução - - Pequenos volumes de dados e o acesso a eles Problema: aumento do volume de dados e freqüência de acesso Uma maneira intuitiva de armazenar arquivos Estratégia seqüencial ainda muito utilizada Terminologia - O que é arquivo? - Registro lógico - Características dos campos - Registro lógico X Registro físico Exemplo Terminologia - O que é chave? Chave primária Chave secundária Chave de acesso Argumento de pesquisa Chave de um registro Chave de ordenação Arquivo Seqüencial Número 1 2 3 4 Nome Ana Bruno Carlos Elias Idade 30 35 27 24 Salário 1000 2000 1500 1200 5 6 7 8 9 Fábio Gilberto Hilda Isa Marcela 26 31 24 25 23 1300 1600 1000 1600 1800 Operações Acesso a um registro Inserção de um registro Exclusão de um registro Alteração de um registro Leitura exaustiva dos registros Reorganização dos arquivos Acesso a um registro Acesso serial (seqüencial) Acesso aleatório – Chave de acesso chave de ordenação » Pesquisa seqüencial – Chave de acesso = chave de ordenação » Pesquisa binária Inserção de um registro Arquivo S – arquivo seqüencial Arquivo T – arquivo de transações Arquivo A – arquivo atualizado A = S e T intercalados O problema de inserção de apenas um registro Arquivo T usado como uma extensão de S Exclusão de um registro Pode ser implementada como a inserção – Criação de um arquivo de transações. Pode ser implementada com ajuda de um campo adicional – Vantagens » Eliminação da necessidade de movimentação de outros registros para preenchimento do espaço liberado pelo excluído. Alteração de um registro Em que consiste? Condições para efetuar a operação: – A alteração não pode fazer com que o registro assuma um tamanho maior que o original, senão o registro não poderia ser gravado por falta de espaço – Não mudar o valor do atributo que seja chave de ordenação, pois isso implicaria numa mudança de posição do registro dentro do arquivo Leitura Exaustiva Exige a manipulação em paralelo do arquivo principal S e do arquivo de transações S Seqüência ditada pela chave de ordenação Os registros marcados como “excluídos” não são considerados O próximo registro a ser considerado é aquele de menor chave, considerando o próximo registro de S e de T. Reorganização do arquivo Consiste na geração de um arquivo seqüencial A, obtido pela intercalação do arquivo S com o arquivo T de transações. Feita através de uma leitura exaustiva de S, juntamente com T Resultado transferido para o arquivo A Precede geralmente ao uso do arquivo gerado para emissão de relatórios ou efetivação de consultas Arquivo Seqüencial Indexado Necessidade de maior eficiência na localização de um registro num arquivo seqüencial Um arquivo seqüencial acrescido de um índice constitui um Arquivo Seqüencial Indexado Um índice é formado por uma coleção de pares, com cada par associando uma chave de acesso a um endereço Um arquivo seqüencial indexado possui áreas de extensão para a implementação da operação de inserção de registros Índices A finalidade é permitir a rápida determinação do endereço de um registro do arquivo, dado um argumento de pesquisa Vantagem: Cada entrada do índice ocupa um espaço bem menor do que aquele ocupado pelos dados Pesquisa mais rápida Número Nome 1 1000 Ana 30 1000 4 2 1050 Bruno 35 2000 7 3 1075 Carlos 27 1500 4 1300 Elias 24 1200 5 1325 Fábio 26 1300 6 1350 Gilberto 31 1600 7 1400 Hilda 24 1000 8 1440 Isa 25 1600 9 1480 Marcela 23 1800 NUMERO ENDERECO 1075 1 1350 1480 Índice Primário Idade Salário Área de Extensão A área de extensão contém os registros inseridos Usada porque é inviável implementar a operação de inserção como nos arquivos seqüenciais (alteração total dos índices) Principal alternativa: destinar em cada registro da área principal um campo “elo” para um endereço da área de extensão Acesso a um registro Acesso serial: – sem usar o índice, como em arquivo seqüencial – cuidado com as áreas de extensão Acesso aleatório: – O argumento de pesquisa define o caminhamento sobre o índice Inserção de um registro Realiza uma busca no arquivo por meio do índice Inserção do registro na lista de extensão do seu antecessor na área principal, conforme a figura NUMERO ENDERECO 1075 1 1350 4 1480 7 Índice Primário Registro a ser inserido 1025 Jamanta Zacarias 1000 Ø 1310 Bela 1600 1030 1800 Número Nome 1 1000 Ana 1000 2 1050 Bruno 2000 Ø 100 Ø 3 1075 Carlos 1500 Ø 4 1300 Elias 1200 Ø 101 5 1325 Fábio 1300 Ø 6 1350 Gilberto 1600 Ø 7 1400 Hilda 1000 Ø 8 1440 Isa 1600 Ø 9 1480 Marcela 1800 Ø Ø Ø Salário Elo 100 1025 Zacarias 1000 102 102 Ø 101 1310 Bela 1600 Ø 102 1030 Jamanta 1800 Área de extensão Ø Inserção de um registro Número Nome 1 1000 Ana 30 1000 4 2 1050 Bruno 35 2000 7 3 1075 Carlos 27 1500 4 1300 Elias 24 1200 5 1325 Fábio 26 1300 6 1350 Gilberto 31 1600 7 1400 Hilda 24 1000 8 1440 Isa 25 1600 9 1480 Marcela 23 1800 NUMERO ENDERECO 1075 1 1350 1480 Índice Primário Idade Salário E ? * * * * Exclusão de um registro Implementada com ajuda de um campo de estado adicional Nas demais operações, desconsidera-se os registros marcados como excluídos Alteração de um registro Realiza uma busca no arquivo por meio do índice Se não envolver a chave de ordenação – O registro é lido, seus campos alterados e novamente gravado na mesma posição Se envolver a chave de ordenação – O registro é excluído, após sua leitura, e depois inserido novamente na posição correspondente Leitura Exaustiva Leitura feita sem o uso do índice, de acordo com a chave de ordenação Os registros da área de extensão devem ser acessados também por meio do elo da área principal Reorganização do arquivo Necessidade de acessos freqüentes às áreas de extensão e desconsideração dos registros excluídos geram perda de desempenho das operações Registros excluídos logicamente ocupam um espaço considerável Leitura exaustiva e transferência de todos os registros para uma nova área, deixando livre a área de extensão Geração de um novo índice após a transferência dos dados Reorganização do arquivo A reorganização deve ser feita periodicamente, quando o arquivo não estiver sendo utilizado, geralmente quando o arquivo de extensão tiver um certo tamanho Arquivo Indexado Ao contrário do arquivo seqüencial indexado, não há a necessidade de manter os registros fisicamente ordenados. Seqüencialidade física do arquivo cada vez menos vantajosa em termos de acesso Assim, torna-se mais eficiente o uso de arquivo indexado, não havendo compromisso com a ordem física do arquivo Maior eficiência principalmente nas operações de inserção, dispensando o uso das áreas de extensão Índices As entradas do índice são ordenadas pelo valor da chave de acesso, cada uma constituída por um par (chave, endereço), visando tornar mais eficiente o processo de busca e o acesso serial ao arquivo Índice Exaustivo: entradas para cada registro do arquivo Índice Seletivo: entradas para um subconjunto dos registros Índices NÚMERO ENDERECO 1000 4 Número Nome Idade Salário 1 1400 Isa 25 1600 2 1325 Hilda 24 1000 3 1350 Ana 30 1000 4 1000 Carlos 27 1500 5 1480 Bruno 35 2000 1050 6 1075 7 1300 9 1325 2 1350 3 6 1050 Marcela 23 1800 1400 1 7 1075 Gilberto 31 1600 1480 5 8 1300 Fábio 26 1300 9 Índice Exaustivo Índices Sem um índice exaustivo, é necessária uma tabela de alocação para indicar os espaços alocados para o arquivo Desvantagens: necessidade de atualização de todos os índices quando um registro é inserido ou alterado em alguns casos, ao contrário dos arquivos seqüenciais indexados Acesso a um registro Acesso serial: – Feito através dos índices, pois as entradas do índice são ordenadas pelo valor da chave de acesso. – Geralmente o bloco do índice que contém a próxima entrada já está na memória, por ser o mesmo da última acessada, requerendo-se apenas uma leitura do disco Acesso aleatório: – Busca-se o argumento de pesquisa num índice, para obtenção do endereço desejado Inserção de um registro O registro é armazenado em qualquer endereço vago dentro da área alocada para o arquivo Seus pares (chave, endereço) são inseridos nos índices correspondentes Para um índice seletivo, é necessária uma verificação prévia Exclusão de um registro É liberada a área de dados ocupadas pelo registro (o registro é excluído fisicamente) e são removidas as entradas do índice correspondente Alteração de um registro Se houver um argumento de pesquisa, o endereço do registro é determinado por uma busca sobre o índice; senão, o endereço deve ser conhecido Se não aumentar o comprimento do registro, os campos são alterados e gravados na mesma posição, atualizando-se apenas o índice; senão a alteração é implementada pela exclusão e posterior inserção do registro Leitura Exaustiva Se existir pelo menos um índice exaustivo, esta operação pode ser efetuada por meio de sucessivos acessos seriais Caso contrário, ela só é possível com a manutenção de uma tabela de alocação, contendo todos os endereços ocupados Reorganização do arquivo Geralmente não é exigida pelos arquivos indexados, porque os espaços liberados pelas exclusões dos registros são reutilizados nas operações de inserção UFPA – UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ Centro de Ciências Exatas e Naturais Departamento de Informática Bacharelado em Ciência da Computação Estrutura de Dados II Prof.: Antonio B. C. Sampaio Conceitos Básicos de Organização de Arquivos Parte 2 • Equipe: • Leandro Lages de C. Faria • Rodrigo Pinto Cardoso nº 9908801201 nº 9908801401 Arquivo Direto Consiste na instalação dos registros em determinados endereços, baseados no valor de uma chave primária (ao contrário do arquivo indexado) Utiliza uma função que calcula o endereço de um registro, eliminando a necessidade de um índice Objetivo principal é o mesmo do arquivo indexado, que é obter acesso aleatório eficiente Outra diferença: acesso serial não previsto Cálculo do endereço Problema: encontrar uma função F que transforme o valor C da chave de um registro no endereço E correspondente Existem dois tipos de funções: – Funções determinísticas: associam um único valor da chave de acesso a cada endereço. Ex.: F(C)= x+1 – Funções não-determinísticas (ou probabilísticas): geram para cada valor da chave de acesso um endereço com a maior unicidade possível. Ex.: F(C)= x mod 4 Número Nome Idade Salário Elo 1 1000 Ana 30 1000 7 2 1075 Bruno 35 2000 Ø 3 1100 Carlos 27 1500 Ø 4 1300 Elias 24 1200 6 5 1400 Fábio 26 1300 Ø 6 1350 Gilberto 31 1600 Ø 7 1050 Hilda 24 1000 Ø 8 1440 Isa 25 1600 Ø 9 1480 Marcela 23 1800 Ø Cálculo dos endereços associados ao campo NÚMERO com a função F(C)=[(C-900)/61]+1 Tratamento de colisões Colisão: ocorre quando é atribuído o mesmo endereço a dois diferentes valores da chave de acesso Havendo colisão, é necessário fazer o tratamento de colisões, escolhendo um novo endereço para o registro que a provocou Os dois principais métodos de tratamento de colisão são: Endereçamento Aberto e Encadeamento Puro Tratamento por Endereçamento Aberto Ao ocorrer colisão, é feita uma busca no arquivo para localizar um endereço livre. Essa busca pode ser feita de três maneiras: Pesquisa seqüencial, Pesquisa no bloco e Realeatorização Tratamento por Encadeamento Puro Todos os registros que colidem em um endereço são juntados numa lista encadeada associada àquele endereço Acesso a um registro Acesso serial: feito com o uso de uma função que preserve a ordem dos registros. Senão, é necessário se conhecer o valor da chave do próximo registro Acesso aleatório: feito pela aplicação da função de cálculo de endereço ao argumento de pesquisa C, sendo obtido o endereço E = F(C) Inserção de um registro A função F, de cálculo de endereço, é aplicada à chave C do registro a ser inserido, resultando o endereço E = F(C) Se houver colisões, utiliza-se um dos métodos de tratamento de colisão citados anteriormente Exclusão de um registro O registro é acessado e, se necessário, é colocado o valor “excluído” no seu campo de estado Caso esteja encadeado em alguma lista de colisão, pode ser removido dela (ou não!), de acordo com a implementação Alteração de um registro Se a alteração não mudar o valor da chave de acesso nem aumentar o comprimento do registro, este é simplesmente lido, alterado e gravado no mesmo endereço Caso contrário, o registro é excluído, alterado e novamente inserido, de acordo com a operação de inserção em arquivos diretos Leitura Exaustiva dos registros Efetivada pela aplicação sucessiva da operação de acesso a um registro, usando como argumento de pesquisa cada valor da chave de acesso presente no arquivo Caso seja usada uma leitura serial, esta só será possível se for usada uma função de cálculo de endereço que preserve ordem dos registros pelo valor da chave de acesso Reorganização do arquivo Melhor eficiência de acesso Feita com o intuito de agrupar registros de cada lista em posições próximas A remoção dos registros excluídos é feita nessa operação, se já não tiver sido feita Arquivo Invertido Mudança nos papéis de registro e campos Uso da chave secundária Serão identificados os registros que possuem cada um dos particulares valores da chave de acesso considerada A cada um dos valores da chave de acesso, presentes no arquivo, é associada uma lista de identificações de registros, chamada lista invertida Estrutura de um Arquivo Invertido Generalização do conceito de arquivo indexado, para acesso por meio de chaves secundárias. As técnicas usuais de organização de índices são válidas também, sendo que a cada valor da chave é associado o conjunto de endereços dos registros que possuem aquele valor Idade Endereços 21 1 4 7 23 2 6 9 25 3 8 26 5 Salário Chaves 2500 1050 3000 1800 2400 3500 1100 1200 4000 1250 1950 7000 1850 2000 Chave Nome Idade Salário 1 1050 Ademar 21 2500 2 1200 Iara 23 3500 3 2400 Marcos 25 3000 4 1850 Tatiana 21 7000 5 6 1100 Pedro 26 3500 1250 Enio 23 4000 7 2000 Sandra 21 4000 8 9 1800 Claudia 25 3000 1950 Ivan 23 4000 Operações Inserções e exclusões em lista invertidas ocorrem sempre como uma conseqüência de modificações pelo arquivo de dados associado. Operação de acesso: é a mais interessante em relação a este tipo de arquivo, por possuir alternativas e características próprias para isto. Acesso ao Arquivo Quais os nomes dos funcionários que possuem idade igual a 21? Quais os nomes dos funcionários que possuem idade igual a 23 e salário de 4000? Quais os nomes dos funcionários que possuem idade igual a 23 ou salário de 4000? Quais as chaves dos funcionários com salário entre 2500 e 3500? Conclusões Suporte a acessos associativos (por valor) aos dados. Usado em banco de dados relacionais Arquivos Multilistas. Pode-se dizer que os dois são equivalentes, diferindo apenas na forma pela qual são indicados os grupos de registros que possuem o mesmo valor num campo. Vantagens e Desvantagens de cada Tipo de Arquivo VANTAGENS Seqüencial Seqüencial Indexado DESVANTAGENS Registros dispostos ordenada- Não acomoda com simplicidamente (acessos e buscas de as operações de modificação Necessita de um arquivo de seqüenciais mais eficientes) transações, que precisa ser reorganizado periodicamente Registros dispostos ordena- Necessita de áreas de extensão damente As áreas de extensão precisam Utiliza índices, que são mais ser reorganizadas periodicaeficientes do que os métodos do mente, para evitar possíveis perdas de desempenho Arq. Seqüencial de localização de Novo índice deve ser gerado se registros houver mudança de endereço de Os índices não precisam ser registros ou de atributos atualizados associados a ele VANTAGENS Não Indexado Direto Invertido há necessidade dos registros ficarem ordenados, pois se utilizam índices Não existem áreas de extensão Logo, há maior flexibilidade nas operações de modificação Reorganizações não são exigidas Não há necessidade de se percorrer um índice Acesso aleatório eficiente, calculando-se endereços de registros através de uma função DESVANTAGENS Novo índice deve ser gerado se houver mudança de endereço de registros ou de atributos associados ao índice Determinar funções que gerem endereços com o maior grau de unicidade possível Uso de funções ñ-determinísticas para se obter endereços do arquivo pode causar colisões Acesso direto ao registro após As listas invertidas valem sua localização na lista invertida apenas para aquela disposição física do arquivo Nova inversão deve ser gerada se houver mudança de endereço de registros Perguntas 1) Qual é a diferença entre o acesso aleatório e o 2) 3) 4) 5) acesso seqüencial? Explique sucintamente a operação de inserção em Arquivos Seqüenciais. Para que servem as áreas de extensão em Arquivos Seqüenciais Indexados? Cite uma vantagem do Arquivo Seqüencial Indexado sobre Arquivo Seqüencial. Qual a vantagem e desvantagem no uso de Arquivos Indexados? 6) Como são determinados os endereços dos registros em Arquivos Diretos? 7) Para que servem os métodos de Tratamento de Colisão? Cite alguns deles. 8) Em que consiste o uso de Arquivos Invertidos?
