Stockage des Données: Disques et Fichiers

1. Stockage des Données: Disques et Fichiers Chapitre 9

2. Objectifs • Hiérarchie de stockage • Caractéristiques des disques et bandes • RAID (lire dans le manuel !!!!) • Gestion de l’espace disque • Gestion des mémoires tampon • Gestion des fichiers

3. Disques et Fichiers • Un SGBD stocke les informations sur des disques durs. • Ceci a des implications majeures pour le design du SGBD! • READ: transfert des données du disque vers la mémoire primaire (RAM). • WRITE: transfert des données du RAM vers le disque. • Les deux sont des opérations à coût élevé par rapport aux opérations en mémoire, raison pour laquelle elles doivent être soigneusement planifiées!

4. Pourquoi Ne Pas Tout Stocker en Mémoire Primaire? • Coûts trop élevés. A titre d’exemple, avec $80, on peut acheter soit 256MB de RAM ou 40GB de disque. • Caractère volatile de la mémoire principale. Nous voulons sauver les données entre des exécutions du système! • Hiérarchie de stockage typique: • Mémoire primaire (RAM) pour les données en usage. • Disque pour la base de données principale (stockage secondaire). • Bandes magnétiques pour archivage de vieilles versions des données (stockage tertiaire).

5. Disques • Appareil de stockage secondaire le plus utilisé. • Avantage principale sur les bandes magnétiques: accès aléatoire vs.séquentielle. • Données stockées et puisées en unités appelées blocs de disque ou pages. • Contrairement au RAM, le temps de puiser une page de disque varie selon son emplacement sur disque. • D’où l’emplacement relatif des pages sur disque a un impact majeur sur le performance des SGBDs!

6. Pistes Mouvement du bras Assemblage du bras Composantes d’un Disque Axe Tête • Les plateaux tournent (90tps). • Le bras est déplacé (par un contrôleur) pour positionner une tête de lecture/écriture sur la piste désirée. Les pistes sous les têtes de lecture forment un cylindre. Secteur Plateaux • Une seule tête de lecture lit/écrit à la fois. • La taille de bloc est un multiple de la taille du secteur (qui est fixe).

7. Accès à une Page de Disque • Le temps d’accès à un bloc de disque est fait de: • ‘’seek time’’ (déplacement du bras pour positionner la tête de lecture/écriture sur une piste) • ‘’rotational delay’’ (temps d’attente pour que le bloc tourne sous la tête de lecture/écriture) • ‘’transfer time’’ (temps de transfert des données vers/de la surface du disque) • Le temps de recherche (‘’seek time’’) et le délai de rotation (‘’rotational delay’’) dominent. • Le temps de recherche varie d’environ 1 à 20msec • Le délai de rotation varie de 0 à 10msec • Le taux de transfert est d’environ 1msec par page de 4KB • Elément crucial des coûts I/O: réduire les délais de recherche et de rotation! Solutions hardware vs. software?

8. Arrangements des Pages sur Disque • Concept de bloc `suivant’ (‘Next’): • blocs sur la même piste, suivi des • blocs sur le même cylindre, suivi des • blocs sur le cylindre adjacent • Les blocs dans un fichier devraient être arrangés séquentiellement sur disque (suivant le concept de `suivant’) afin de minimaliser le délai de recherche et de rotation. • Pour un scannage séquentiel, une prélecture de plusieurs pages à la fois est un grand gain!

9. Gestion de l’Espace Disque • La couche la plus basse du SGBD gère l’espace sur disque. • Les couches plus élevées font appel à cette couche la plus basse afin de: • Affecter/désaffecter de l’espace mémoire • Lire/écrire sur une page • La requête pour une séquence de pages doit être satisfaite par l’allocation de pages de manière séquentielle sur le disque! La gestion des espaces libres est transparente aux couches supérieures du SGBD.

10. DB Gestion des Mémoires Tampon Requête de page d’un niveau plus élevé • Les données doivent être ramenées dans le RAM afin que le SGBD opère sur elles! • Le système maintient une table de paires <frame#, pageid>. BUFFER POOL Page de disque Cadre libre MEMOIRE PRINCIPALE Le choix d’un cadre à remplacer lorsque la réserve est pleine est régi par une police de remplacement DISQUE

11. Procédure en Cas de Requête pour une Page • Le manager maintient 2 variables: • pin_count: # d’utilisateurs courants (ne remplacer une page que si cette variable = 0). • dirty: page modifiée? • Si la page requise est dans la réserve, incrémenter le pin_count. • Sinon: • Choisir un cadre pour remplacement • Si le cadre est sale (‘’dirty’’), l’écrire sur disque • Lire la page requise dans le cadre choisi • Incrémenter le pin_count de la page et retourner son adresse. • Si les requêtes peuvent être prédîtes (p.ex. dans le scannage séquentiel), plusieurs pages peuvent être prélues à la fois!

12. Police de Remplacement des Cadres • Un cadre est choisi pour remplacement en fonction d’une police de remplacement: • LRU (‘’Least-recently-used’’), Clock, MRU, FIFO, LIFO, etc. • Ces polices peuvent avoir un grand impact sur le # de I/O’s; elles dépendent du patron d’accès. • Inondation séquentielle: Situation désastreuse causée par le LRU + scannages séquentiels à répétition. • # cadres < # pages dans le fichier: chaque page requise cause un I/O. Le MRU se comporte mieux dans ce cas.

13. SGBD vs. Système de Fichiers d’un SE Puisque le SE gère l’espace mémoire et le disque, pourquoi ne pas laisser ces tâches au SE? Les raisons suivantes militent en faveur du ‘’non’’: • Différences sur le support SE: problèmes de portabilité • Limitations inhérentes des SEs; p.ex. les fichiers ne peuvent s’étendre sur plusieurs disques • La gestion de mémoire en SGBDs requiert la capacité de: • ‘’pinning’’ des pages en réserve; forcer une page vers le disque (important pour l’implémentation de CC & recouvrement), • Ajustage des polices de remplacement, et prélecture des pages en fonction des patrons d’accès aux données.

14. Formats d’Enregistrements: Longueur Fixe • L’info sur les champs des enregistrements est la même pour tout le fichier et est stockée dans les catalogues du système. • Trouver le i-ème champ requiert un scannage de tout l’enregistrement. F1 F2 F3 F4 L1 L2 L3 L4 Adresse de base (B) Adresse = B+L1+L2

15. 4 $ $ $ $ Formats d’Enregistrements: Longueur Variable • Deux alternatives au moins existent (# champs fixe): F1 F2 F3 F4 Champs délimités par des symboles spéciaux Compteur du # champs F1 F2 F3 F4 Liste de déplacements (‘’offsets’’) des champs • Le second format offre un accès direct aux champs ainsi qu’un stockage efficient. Il implémente bien les ‘’nulls’’ (valeurs ‘’inconnues’’).

16. Format des Pages: Enreg.’s à Longueur Fixe Tranche 1 Tranche 1 Tranche 2 Tranche 2 • Record id = <page id, slot #>. Dans la première alternative, mouvoir les enreg.’s pour la gestion des espaces vides change les rids; n’est donc pas acceptable dans bien des cas ! Espace libre . . . . . . Tranche N Tranche N Tranche M N . . . 1 1 1 M 0 M ... 3 2 1 nombre d’enreg.’s nombre de tranches PACKED UNPACKED, BITMAP

17. Format des Pages: Enreg.’s à Longueur Variable Rid = (i,N) Page i • On peut mouvoir les enreg.’s sur une page sans devoir changer les rids; d’où ce format est aussi attractif pour les enreg.’s à longueur fixe. Rid = (i,2) Rid = (i,1) N 20 16 24 Pointeur vers le début de l’espace libre N . . . 2 1 # slots REPERTOIRE DES TRANCHES

18. Fichiers d’Enregistrements • Les pages ou blocs sont la mesure de l’I/O, mais les couches plus élevées du SGBD opèrent sur les enregistrements, et utilisent des fichiers d’enregistrements. • FICHIER: Collection de pages, chacune contenant une collection d’enregistrements. Doit supporter: • insertion/effacement/modification des enregistrements • lecture d’un enregistrement particulier (spécifié par son record id -- rid) • scannage de tous les enregistrements

19. Fichiers Nonordonnés (‘’Heap Files’’) • Structure la plus simple pour les fichiers: ne contient les enregistrements dans aucun ordre spécial. • Au fur et à mesure que les fichiers augmentent et diminuent de tailles, les pages sont affectées ou désaffectées. • Pour supporter des opérations sur les enregistrements, on doit garder les traces: • des pages d’un fichiers • des espace libres dans les pages • des enregistrements d’une page • Plusieurs alternatives existent à cette fin.

20. Implémentation du ‘’Heap File’’ Comme Liste • Le SGBD retient l’adresse de l’endroit où est stockée la première page d’un fichier à un endroit bien spécifique sur disque. • Chaque page contient 2 pointeurs ainsi que des données. Page de données Page de données Page de données Pages pleines Page de tête Page de données Page de données Page de données Pages avec espace libre

21. Page de données Page de tête Page de données Page de données REPERTOIRE ‘’Heap File’’ Utilisant une Page Répertoire • L’entrée d’une page peut inclure le nombre d’octets qui sont libres sur cette page. • Le répertoire est une collection de pages pouvant être organisée comme une liste. • Beaucoup moins d’espace utilisé que dans la première méthode!

22. Catalogues du Système • Pour chaque index: • Indique la structure (p.ex. B+) et les champs de la clé de recherche • Pour chaque relation: • nom, nom de fichier, structure du fichier (p.ex., ‘’Heap file’’) • nom et type de chaque attribut • nom de chaque index sur la relation • contraintes d’intégrité • Pour chaque vue: • nom et définition • Statistiques, autorisations, taille du ‘’buffer pool’’, etc. • Les catalogues sont stockés comme des relations!

23. Attr_Cat(attr_name, rel_name, type, position)

24. Résumé • Les disques fournissent un stockage bon marché et non-volatile. • Accès aléatoire, mais le coût des opérations dépend de l’emplacement des données sur le disque; un agencement séquentielle des donnes minimalise les délais de recherche et de rotation. • Le ‘’buffer manager’’ amène les pages dans le RAM. • Une page reste dans le RAM jusqu’à ce qu’elle est relâchée par son requérant. • Une page est écrite sur disque si son cadre est choisi pour remplacement. • Le choix d’un cadre à remplacer se fait selon une police de remplacement. • Possibles prélectures.

25. Résumé (Suite) • Un SGBD a besoin d’éléments introuvables dans beaucoup de Ses: forcer une page vers le disque, contrôler l’ordre d’écriture des pages, éparpiller un fichier sur plusieurs disques, etc. • Les enregistrements à longueur variable avec un répertoire de ‘’offsets’’ offrent un support pour l’accès direct aux champs et pour les valeurs nulles. • Le format ‘’UNPACKED & BITMAP’’ supporte les enregistrements à longueur variable et permet de déplacer les enregistrements sur une page.

26. Résumé (Suite) • La couche de gestion des fichiers gère les pages des fichiers et supporte l’abstraction de collection d’enregistrements. • Les pages avec espace libre sont identifiées par une liste chaînée ou un répertoire. • Les relations en catalogue stockent l’ information sur les relations, les indexes et les vues.