Лекция (2) (Лекции), страница 3

В более поздних публикациях, посвященных System R, упоминания о механизме связей исчезли, из чего можно заключить, что разработчики отказались от его использования. Думается, что основными причинами отказа от использования связей были следующие. Во-первых, средства построения связей, обеспечиваемые RSS, были очень низкого уровня, гораздо более низкого, чем средства поддержки индексов. Если при занесении, удалении или обновлении кортежа RSS обеспечивала автоматическую коррекцию всех индексов, то для коррекции связей требовалось выполнить ряд дополнительных обращений к RSS, из-за чего время выполнения этих операций, конечно, увеличивалось.

Во-вторых, при реализации этого механизма возникают дополнительные синхронизационные проблемы нижнего уровня (уровня совместного доступа к страницам данных). В частности, наличие прямых ссылок между страницами данных увеличивает вероятность возникновения синхронизационных тупиков.

Наконец, в-третьих, все эти дополнительные накладные расходы не окупались преимуществами, предоставляемыми механизмом связей. Действительно, максимального эффекта от использования связей можно достичь только при выполнении операции соединения двух таблиц, кластеризованных по этой связи, если поле соединения совпадает с полем связывания и условия, накладываемые на родительскую таблицу, выделяют в нем ровно один кортеж. Очевидно, что такие запросы на практике редки.

(Отметим, что приведенные соображения принадлежат автору и не излагались в публикациях по System R, так что на самом деле причины могли быть и другими.)

Кроме таблиц и индексов при работе System R во внешней памяти могут располагаться еще и временные объекты – списки (list). Список – это временная структура данных, создаваемая с целью оптимизации выполнения SQL-запроса, содержащая некоторые кортежи хранимой таблицы базы данных, не имеющая имени и, следовательно, не видимая на уровне интерфейса SQL. Кортежи списка могут быть упорядочены по возрастанию или убыванию полей соответствующей таблицы. Средства работы со списками имеются в интерфейсе RSS, но их, естественно, нет в SQL. Соответственно, эти средства используются только внутри системы при выполнении запросов (в частности, один из наиболее эффективных алгоритмов выполнения соединений основан на использовании отсортированных списков кортежей). Публикации по System R не дают точного представления о структурах данных, используемых при организации списков, но исходя из здравого смысла можно предположить, что они устроены не так, как таблицы (например, для кортежа, входящего в список, не требуется адресация через tid), и что располагаются они во временных файлах (в случае сбоя системы все временные объекты пропадают).

12.2.4. Интерфейс RSS

Следует заметить, что описываемый в этом подразделе интерфейс RSS не соответствует в точности ни одной из публикаций, посвященных System R, а является скорее некоторой компиляцией, согласующейся с завершающими публикациями.

На уровне RSS отсутствует именование объектов базы данных, употребляемое на уровне SQL. Вместо имен объектов используются их уникальные идентификаторы, являющиеся прямыми или косвенными адресами внутренних описателей объектов во внешней памяти для постоянных объектов или в основной памяти для временных объектов. Замена имен объектов базы данных на их идентификаторы производится компилятором SQL на основе информации, черпаемой им из системных таблиц-каталогов.

Можно выделить следующие группы операций:

• операции сканирования таблиц и списков;

• операции создания и уничтожения постоянных и временных объектов базы данных;

• операции модификации таблиц и списков;

• операция добавления поля к таблице;

• операции управления прохождением транзакций;

• операция явной синхронизации.

Операции сканирования таблиц и списков

Операции группы сканирования позволяют последовательно, в порядке, определяемом типом сканирования, прочитать кортежи таблицы или списка, удовлетворяющие требуемым условиям. Группа включает операции OPEN, NEXT и CLOSE, означающие, соответственно, начало сканирования, требование чтения следующего кортежа, удовлетворяющего условиям, и конец сканирования.

Для таблицы возможны два режима сканирования: прямое сканирование и сканирование через индекс. При прямом сканировании единственным параметром операции OPEN является идентификатор таблицы (включающий и идентификатор сегмента, в котором эта таблица хранится). По причине того, что в System R допускается размещение в одной странице данных кортежей нескольких таблиц, прямое сканирование предполагает последовательный просмотр всех страниц сегмента с выделением в них кортежей, входящих в данную таблицу; это очень дорогой способ сканирования таблицы. При этом порядок выборки кортежей определяется их физическим размещением в страницах сегмента, т.е. предопределен системой.

При начале сканирования таблицы через индекс в число параметров операции OPEN входит идентификатор какого-либо индекса, определенного ранее на полях этой таблицы. Кроме того, можно указать диапазон сканирования в терминах значений поля (полей), составляющего ключ индекса. При открытии сканирования через индекс производится начальная установка указателя сканирования в позицию листа B-дерева (см. подраздел 12.3.2. Индексы) индекса, соответствующую левой границе заданного диапазона. Процесс сканирования состоит в последовательном продвижении по листовым вершинам индекса до достижения правой границы диапазона сканирования с выборкой идентификаторов кортежей и чтением соответствующих кортежей. Легко видеть, что в худшем случае может потребоваться столько чтений страниц данных из внешней памяти, сколько идентификаторов кортежей было встречено, т.е. эффективность сканирования по индексу определяется «широтой» заданного диапазона сканирования. При этом, конечно, имеется то преимущество, что порядок сканирования соответствует порядку возрастания или убывания значений ключа индекса.

Наконец, при сканировании списка, как и при прямом сканировании таблицы, единственным параметром операции OPEN является идентификатор списка, но, в отличие от прямого сканирования таблицы это сканирование максимально эффективно: читаются только страницы, содержащие кортежи из данного списка, и порядок сканирования совпадает с порядком занесения кортежей в список или порядком списка, если он упорядочен.

В результате успешного выполнения операции открытия сканирования (если нет ошибок в параметрах) вырабатывается и возвращается идентификатор сканирования, который используется в качестве аргумента других операций этой группы.

Операция NEXT выполняет чтение следующего кортежа указанного сканирования, удовлетворяющего условию данной операции. Условие представляет собой дизъюнктивную нормальную форму простых условий, накладываемых на значения указанных полей таблицы. Простое условие – это условие вида номер-поля op константа, где op – операция сравнения <, <=, >, >=, = или !=. Общее условие является параметром операции NEXT.

Семантика операции NEXT следующая: начиная с текущей позиции сканирования выбираются кортежи таблицы в порядке, определяемом типом сканирования, до тех пор, пока не встретится кортеж, значения полей которого удовлетворяют указанному условию. Этот кортеж и является результатом операции. Если при выборке кортежа достигается правая граница диапазона сканирования (правая граница значения ключа при сканировании через индекс или последний кортеж таблицы или списка при прямом сканировании), то вырабатывается особый признак результата. После этого единственным разумным действием является закрытие сканирования – операция CLOSE

Операция CLOSE может быть выполнена в данной транзакции по отношению к любому ранее открытому сканированию независимо от его состояния (т.е. независимо от того, достигнута ли при сканировании правая граница диапазона сканирования). Параметром операции является идентификатор сканирования, и ее выполнение приводит к тому, что этот идентификатор становится недействительным (и, соответственно, уничтожаются служебные структуры памяти RSS, относящиеся к данному сканированию).

Операции создания и уничтожения постоянных и временных объектов базы данных

Группа операций создания и уничтожения постоянных и временных объектов базы данных включает операции создания таблиц (CREATE TABLE), списков (CREATE LIST), индексов (CREATE IMAGE) и уничтожения любого из подобных объектов (DROP TABLE, DROP LIST и DROP IMAGE). Входным параметром операций создания таблиц и списков является спецификатор структуры объекта, т.е. число полей объекта и спецификаторы их типов. Кроме того, при спецификации полей таблицы указывается разрешение или запрещение наличия неопределенных значений полей в кортежах этой таблицы или списка. Неопределенные значения кодируются специальным образом. Любая операция сравнения константы данного типа с неопределенным значением по определению вырабатывает значение false, кроме операции сравнения на совпадение со специальной литеральной константой NULL.

В результате выполнения этих операций заводится описатель в служебной таблице описателей таблиц или основной памяти (в зависимости от того, создается ли постоянный объект или временный), и вырабатывается идентификатор объекта, который служит входным параметром других операций, относящихся к соответствующему объекту (в частности, параметром операции OPEN при открытии сканирования объекта).

Входными параметрами операции CREATE IMAGE являются идентификатор таблицы, для которой создается индекс, список номеров полей, значения которых составляют ключ индекса, и признаки упорядочения по возрастанию или убыванию для всех полей, составляющих ключ. Кроме того, может быть указан признак уникальности индекса, т.е. запрещения наличия в данном индексе ключей-дубликатов. Если операция выполняется по отношению к пустой в этот момент таблице, то выполнение операции такое же простое, как и для операций создания таблиц и списков: создается описатель в служебной таблице описателей индексов и возвращается идентификатор индекса (который, в частности, используется в качестве аргумента операции открытия сканирования таблицы через индекс).

Если же к моменту создания индекса соответствующая таблица не пуста (а это допускается), то операция становится существенно более дорогостоящей, поскольку при ее выполнении происходит реальное создание B-дерева индекса, что требует, по меньшей мере, одного последовательного просмотра таблицы. При этом, если создаваемый индекс имеет признак уникальности, то это контролируется при создании B-дерева, и если уникальность нарушается, то операция не выполняется (т.е. индекс не создается). Из этого следует, что хотя создание индексов в динамике не запрещается, более эффективно создавать все индексы на данной таблице до ее заполнения. Заметим, что создание кластеризованного индекса для непустой таблицы запрещено, поскольку соответствующую кластеризацию таблицы без ее реструктуризации получить невозможно.

Операции DROP TABLE, DROP LIST и DROP IMAGE могут быть выполнены в любой момент независимо от состояния объектов. Выполнение операции приводит к уничтожению соответствующего объекта и, вследствие этого, недействительности его идентификатора.

Следует отметить, что массовые операции над постоянными объектами (CREATE IMAGE и DROP TABLE) требуют дополнительных накладных расходов в связи с необходимостью обеспечения возможности откатов транзакции, для чего требуется выполнение массовых обратных действий. Особенно сильно это затрагивает операцию уничтожения непустых таблиц, поскольку требует журнализации всех кортежей, содержащихся в них к моменту уничтожения. Поэтому, хотя уничтожение непустых таблиц и не запрещено, нужно иметь в виду, что это очень дорогостоящая операция.

Операции модификации таблиц и списков

Группа операций модификации таблиц и списков включает операции вставки кортежа в таблицу или список (INSERT), удаления кортежа из таблицы (DELETE) и обновления кортежа в таблице (UPDATE).

Параметрами операции вставки кортежа являются идентификатор таблицы или списка и набор значений полей кортежа. Среди значений полей могут быть литеральные неопределенные значения NULL. Естественно, при выполнении операции контролируется допустимость неопределенных значений в соответствующих полях. При занесении кортежа в кластеризованную таблицу поиск места в сегменте под кортеж производится с использованием кластеризованного индекса: система пытается вставить кортеж в страницу данных, уже содержащую кортежи с теми же или близкими значениями полей кластеризации. При занесении кортежа в некластеризованную таблицу место под кортеж выделяется в первой подходящей странице данных. Наконец, при вставке кортежа в список он помещается в конец списка.

При занесении кортежа в таблицу производится коррекция всех индексов, определенных на этой таблице. Реально это выражается во вставке новой записи во все B-деревья индексов. При этом могут произойти переполнения одной или нескольких страниц индекса, что вызовет переливание части записей в соседние страницы или расщепление страниц. Если индекс определен с атрибутом уникальности, то проверяется соблюдение этого условия, и если оно нарушено, операция вставки считается невыполненной. Из этого видно, что операция вставки кортежа тем более накладна, чем больше индексов определено для данной таблицы (это относится и к операциям удаления и модификации кортежей).

В результате успешного выполнения операции вставки кортежа в таблицу вырабатывается идентификатор нового кортежа, который выдается в качестве результата операции и может быть в дальнейшем использован как прямой параметр операций удаления и модификации кортежей таблицы. При занесении кортежа в список значение идентификатора кортежа не вырабатывается (для списков допускается только последовательное сканирование и добавление новых кортежей в конец списка; над ними нельзя определить индексов, и поэтому косвенная адресация кортежей списков через их идентификаторы не требуется).

Операции удаления и модификации кортежей допускаются только для кортежей таблиц. Естественно, что для выполнения этих операций необходимо идентифицировать соответствующий кортеж. В интерфейсе RSS допускаются два способа такой идентификации: с помощью идентификатора кортежа (явная адресация) и с использованием идентификатора открытого к этому времени сканирования. Первый вариант возможен, поскольку идентификатор кортежа сообщается как ответный параметр операции занесения кортежа в постоянную таблицу. При идентификации кортежа с помощью идентификатора сканирования имеется в виду кортеж, прочитанный с помощью последней операции NEXT. Если при такой идентификации выполняется операция DELETE или операция UPDATE, задевающая порядок сканирования (т.е. сканирование ведется по индексу и операция модификации меняет поле кортежа, входящее в состав ключа этого индекса), то текущий кортеж сканирования теряется, и его идентификатор нельзя использовать для идентификации кортежа, пока не будет выполнена следующая операция NEXT.

Единственным параметром операции DELETE является идентификатор кортежа или идентификатор сканирования. Параметры операции UPDATE включают, кроме этого, спецификацию изменяемых полей кортежа (список номеров полей и их новых значений). Среди значений могут находиться литеральные изображения неопределенных значений, если соответствующие поля таблицы допускают хранение неопределенных значений. При выполнении операции DELETE производится коррекция всех индексов, определенных на данной таблице. Операция UPDATE также может повлечь коррекцию индексов, если затрагивает поля, входящие в состав их ключей.