Teoria da Computação. Aula 9 Pesquisa em Memória Secundária 5COP096. Aula 9 Prof. Dr. Sylvio Barbon Junior. Sylvio Barbon Jr

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1 5COP096 Teoria da Computação Aula 9 Prof. Dr. Sylvio Barbon Junior Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 1

2 Sumário 1) Introdução à Pesquisa em Memória Secundária 2) Modelo de Computação para Memória Secundária 3) Acesso Sequencial Indexado 4) Árvore de Pesquisa 5) Considerações Práticas Sylvio Barbon Jr 2

3 Introdução à Pesquisa em Memória Secundária 1) Introdução à Pesquisa em Memória Secundária: -A pesquisa em M.S.é utilizada quando a quantidade de memória interna não é capaz de armazenar os registros do arquivo base. Memória Primária Custo principal: processamento Preocupação: Operações Acesso a qualquer registro com custo uniforme. Memória Secundária Custo principal: acesso Preocupação: Transferência Apenas um registro a cada momento, de forma sequencial Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 3

4 Modelo de Computação para Memória Secundária - Necessidade de grandes quantidades de memória e o alto custo da memória principal motivam o uso da Memória Secundária. -A organização do fluxo de informação entre a M.P e M.S.é extremamente importante, para tal faz-se necessário a gestão entre espaço de endereçamento e espaço de memória. -Desta forma, o programador utiliza o espaço de endereçamentopara desenvolver seu trabalho, que pode ser maior que o espaço de memória primária disponível. - O programador acaba por utilizar uma MEMÓRIA VIRTUAL. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 4

5 Modelo de Computação para Memória Secundária Memória Virtual Memória Física Primária Disco Rígido Secundária Memória Física Primária - Existem várias formas para implementar sistemas de memória virtual, um dos meios mais utilizados é o sistema de paginação. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 5

6 Modelo de Computação para Memória Secundária - O mecanismo de paginação possui duas funções: 1) Realizar o mapeamento de endereços, isto é, determinar qual página um programa está endereçado, que pode ser feito por meio de Tabela de páginas. 2) Transferir páginas da memória secundária para a memória primária quando necessário, e transferi-las de volta para a memória secundária quando não são mais utilizadas. Para tal algumas abordagens são estudadas: Menos Recentemente Utilizada (LRU Least Recently Used) Menos Frequentemente Utilizada (LFU Least Frequently Used) Deve ser registrada a frequência Uma página recente pode ser removida Ordem de Chegada (FIFO) É o mais simples e barato de manter Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 6

7 Acesso Sequencial Indexado 5COP096 Teoria da Computação -A partir do primeiro, cada registro é lido sequencialmenteaté encontrar uma chave maior ou igual à chave de pesquisa. - Para aumentar a eficiência, é necessário: a) Manter ordenado o campo chave do registro; b) Caso o índice seja pares de valores (<x, p>), x deve ser uma chave e p o endereço do primeiro x; Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 7

8 Árvore de Pesquisa 5COP096 Teoria da Computação - Árvores binárias são soluções adequadas para trabalhar com memória interna, apresentando resultados adequados para acesso sequencial, facilidade de inserção e retirada de registros e boa utilização de memória. - No caso da memória secundária, uma estratégia é agrupar os nós da árvore em páginas. Menos acessos aos discos Balanceamento caro Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 8

9 Árvore de Pesquisa 5COP096 Teoria da Computação - Árvore-B(Árvore-Bayer ou Multivias): - São chamadas de árvores n-árias, pois possuem mais de duas subárvores por nó, também chamada de página. - Cada página contém no mínimo m registros m+1 descendentes. - Cada página contem no máximo 2m registros e 2m+1 descendentes. -Todasaspáginasfolhasdevemestarnomesmonível. - Cada página, exceto a raiz e as folhas, tem pelo menos d/2 páginas filhas - A página raiz tem ao menos duas páginas filhas (ao menos que ela seja uma folha) Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 9

10 Árvore de Pesquisa - Árvore-B(Árvore-Bayer ou Multivias): 5COP096 Teoria da Computação Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 10

11 Árvore de Pesquisa 5COP096 Teoria da Computação - Árvore-B(Árvore-Bayer ou Multivias): 1) Foram originalmente concebidas para a implementação de mecanismos de indexação por chave em memória secundária. 2)Permitemumnúmeromenordenós(altura),porisso,menosacessosa disco. Vantagens: Mais adequada a arquivos voláteis do que árvores binárias. Nós com muitas chaves tornam paginação desnecessária. Economia de espaço: poucos ponteiros entre os nós. Algoritmos são os mesmos que para árvore-b em memória principal. Desvantagem: Não oferece solução econômica para indexação por chave secundária Não oferece solução barata para problema de percurso por sequenciade chave. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 11

12 Árvore de Pesquisa Árvore B+ Nas árvores de índices, os nós só possuem, além da chave, um ponteiro para o registro de dados em outro arquivo. - Nós internos servem só como referência para o percurso. -Chaves de nós internos são repetidas nas folhas. Árvore é dividida em IndexSet e SequenceSet. Nodos do SequenceSet (folhas) são encadeados. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 12

13 Árvore de Pesquisa Árvore B+ Vantagens Árvore B+: 1) Mecanismo para percorrer seqüencialmente o arquivo de registros de dados sem que seja necessário visitar toda a árvore. 2) Mecanismo para percorrer seqüencialmente o arquivo de registros de dados sem que seja necessário ordenar o arquivo de registro de dados. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 13

14 Árvore de Pesquisa - Vantagens e desvantagens Gerais: 5COP096 Teoria da Computação Vantagens: 1-Aplicação Imediata: Supondo-se a possibilidade do endereçamento relativo por registros de arquivos, algoritmos de gerência de árvores podem ser (quase todos) diretamente aplicados a arquivos. 2-Pesquisa rápida: Árvores oferecem tempos de acesso a registros relativamente curtos, com caminhos de busca O(logn). Desvantagens: 1-Desperdício de Espaço. Indexação por chave secundária impõe (com exceção das árvores k-d) necessidade de vários arquivos de índices, um para cada índice. 2-Redundância de valor de chave cara. Quando um valor de chave tem alta redundância (índices de chave secundária. Ex.: cargo em um arquivo de depto. pessoal) muitos registros do arquivo de índices têm de ser lidos. 3- Manutenção Cara. Em aplicações com frequentesinserções e exclusões de registros e chaves, a manutenção de um arquivo de índices em uma árvore balanceada é extremamente cara. 4-Listagem sequencialcara. Listagem de registros em ordem de chave implica em visitas repetidas a todos os nodos da árvore que não são folha. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 14

15 Considerações Práticas 5COP096 Teoria da Computação - A Árvore B é simples, de fácil manutenção, eficiente e versátil. Permite acesso sequencial. O custo para recuperação, inserção e exclusão de registros é logarítmico. - O Banco de Dados DB2 (IBM) utiliza as estruturas VSAM/ISAM/SAM que oferecem vantagens de no mínimo 50% na memória usando árvores B*. - A técnica do transbordamento (overflow) ao invés de particionar e fazer a escolha adequada da quantidade em memória, espera que a mesma tenha sua quantidade superada para remoção. - O tamanho adequado da ordem da árvore vai depender da característica do computador, estando fortemente vinculada ao tamanho da página controladapelosoeatransferênciadedadosdamsparamp. Sylvio Barbon Jr barbon@uel.br 15

16 Referências Ziviani, Nivio. Projeto de algoritmos: com implementações em Java e C. Thomson Learning, Leiserson, Charles E., Ronald L. Rivest, and Clifford Stein. Introduction to algorithms. Ed. Thomas H. Cormen. The MIT press, 2001.