5. Внутренняя структура записи

Логическая запись состоит из отдельных элементов, связанных опре­деленными отношениями, и имеет многоуровневую структуру. Элементами первого, самого нижнего, уровня являются элементар­ные данные: числа, символы, логические данные, знаки. Элементарные данные читаются программой целиком, доступ к их частям невозможен. Эти данные не являются непосредственным объектом информационного поиска, но в ряде случаев к ним должен быть обеспечен доступ. Так, на­пример, в процессе поиска может возникнуть необходимость сравнения отдельных символов.

Элементарные данные каждого типа имеют определенную форму представления в ОП, для их хранения выделяется строго определенный объем памяти. Знание форматов хранения элементарных данных позво­ляет рассчитать объем памяти, необходимый для размещения массивов данных и программ.

Элементом второго уровня является поле записи. Это последова­тельность элементарных данных, имеющая определенный смысл, но не имеющая смысловой завершенности. Данные, образующие отдельное поле записи, описывают соответствующий признак объекта.

Каждый признак объекта имеет наименование и значение. Так, например, для студентов, записи о которых хранятся в АИС, в качестве признаков могут использоваться номер студенческого билета, фамилия, средний балл успеваемости. Число признаков, характеризующих объект, определяет количество полей в записи. В каждом поле помещается значение соответствующего признака. Используемый для идентификации записи в процессе обработки или поиска признак называется ключевым или ключом записи. Поле записи, содержащее ключ, называется ключевым полем. Если каждое из возмож­ных значений ключа идентифицирует единственную запись, то такой ключ называют уникальным.

Поля записи объединяются в группу данных (агрегат данных, груп­повое данное). Группа данных — элемент третьего уровня внутренней структуры записи — представляет собой поименованную совокупность элементов данных, рассматриваемую как единое целое. Например, груп­па данных, имеющая наименование АДРЕС, состоит из элементов данных ГОРОД, УЛИЦА, НОМЕР ДОМА, НОМЕР КВАРТИРЫ. Логическая запись — это поименованная совокупность полей или групп данных. Запись является отдельной логической единицей и имеет смысловую завершенность. Каждая запись описывает индивидуальный объект или класс объектов. Логическая запись является непосредствен­ным предметом информационного поиска, основной единицей обработки информации.

Перечень полей, последовательность их расположения и взаимосвязь между ними составляют внутреннюю структуру записи, которая в конеч­ном итоге определяет тип записи.

6. Типы структур данных

В процессе функционирования АИС записи и массивы претерпевают изменения. В массивы добавляются новые записи и удаляются ставшие ненужными. Процесс поддержания информационного массива в актуаль­ном состоянии, заключающийся в добавлении (включении) и удалении (исключении) записей, называется ведением. Процесс внесения изменений в записи называют корректировкой или модификацией.

Структуры данных делятся на линейные и нелинейные структуры. В нелинейных структурах в отличие от линейных связь между элемента­ми структуры (записями) определяется отношениями подчинения или

какими-либо логическими условиями. К линейным структурам данных относятся массив, стек, очередь, таблица. К нелинейным структурам при­надлежат деревья, графы, многосвязные списки и списковые структуры.

Ряд структур данных после создания не позволяет включать или исключать записи, а допускает лишь их корректировку. Это структуры фиксированного размера. Структуры переменного размера позволяют включать и исключать записи, предоставляя информационному массиву возможность динамически изменяться. В первом случае необходимо заранее знать число элементов структуры и выделять блок памяти под максимальный размер информационного массива. При связанном представлении структуры переменного размера могут свобод­но расти и уменьшаться. Различные структуры данных предоставляют и различный доступ к своим элементам: в одних структурах доступ возможен к любому элементу, в других — к строго определенному. Ограничение в доступе сопровождается увеличением времени поиска нужных записей.

Структуры данных могут быть однородными и неоднородными. В однородных структурах все элементы представлены записями одного типа. В неоднородных структурах элементами одной структуры могут являться записи разных типов.

7. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДАННЫХ В ПАМЯТИ ЭВМ.

При последовательном представлении данные в памяти ма­шины размещаются в соседних последовательно расположенных ячейках. При этом физический порядок следования записей полностью соответст­вует логическому порядку, определяемому логической структурой, т.е. логическая структура поддерживается физическим порядком следова­ния данных. Совокупность записей, размещенных в последовательно расположенных ячейках памяти, называют последовательным списком. Для хранения информационного массива в виде последовательного списка в памяти выделяется блок свободных ячеек под максимальный размер массива. Записи, имеющие следующий логический порядок: Зап. В, Зап. А, Зап. F, Зап. С, ..., Зап. N, — разместятся в памяти машины так, как это показано на рис. 7.1,а.

В новь появившиеся записи размеща­ются в конце блока на свободном участке памяти. Если количество новых записей окажется больше, чем число свободных ячеек в зарезерви­рованном блоке, то эти записи не удастся разместить в памяти. Если же записей окажется меньше, чем предполагалось, то память останется неис­пользованной.

В процессе ведения информационного массива записи добавляются и удаляются. Вновь пришедшие записи добавляются в конец списка. Так, запись (N+ 1)-я будет размещена в ячейке с адресом 100 + (N+ 1). При удалении записей в памяти остаются свободные ячейки. На рис. 7.1,б добавлена запись (N +1) -я и удалены две записи: Зап. А и Зап. F. Ячейки 102 и 103 оказались свободными. Список, в котором содержатся свобод­ные ячейки памяти, будет неплотным» Со временем значительное число ячеек может оказаться свободным. Для того чтобы эти участки памяти не пустовали, время от времени весь массив данных перезаписывается, при этом все записи передвигаются так, как это показано на рис. 7.1,в. Перезапись массива требует дополнительных затрат машинного времени.

8. СВЯЗАННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ В ПАМЯТИ ЭВМ

При связанном представлении в каждой записи предусматри­вается дополнительное поле, в котором размещается указатель (ссылка) Физический порядок следования записей в этом случае может не соответ­ствовать логическому порядку. В машинной памяти записи располага­ются в любых свободных ячейках и связываются между собой указате­лями, указывающими на место расположения записи, логически следую­щей за данной записью. Указатель часто интерпретируют как адрес ячей­ки памяти, в которой хранится следующая запись.

С труктуры хранения, основанные на связанном представлении дан­ных, называют связанными списками. Если каждая запись содержит лишь один указатель, то список односвязный, при большем числе указа­телей список многосвязный.

Пусть структура данных отображает следующую логическую после­довательность записей: Зап. А, Зап. Д Зап. С, Зап. F. Записи размещены в ячейках памяти с адресами 01, 03, 05, 10. В поле указателя каждой за­писи размещается адрес связи (АС), определяющий адрес ячейки с логи­чески следующей записью. Структура хранения массива представлена на рис. 7.2,а. На рисунке стрелками показан порядок чтения записей.

Одна из ячеек - головная - содержит указатель на ячейку с первой записью списка. В соответствии с указателями первым будет прочитано содержимое ячейки 01 (Зап. А), затем содержимое ячеек 05 (Зап В) 03 (Зап. С), 10 (Зап. F). Символ 0, помещенный в поле указателя по­следней записи списка, означает конец списка. Вместо символа © может быть использован любой другой элемент данных, который не воспримется системой как указатель.

1) Исключим из списка (рис. 7.2,а) запись С, хранящуюся в ячейке с адресом 03 и имеющую адрес связи АС 10. Для этого значение указателя предшествующей записи (Зап. В) изменим на АС 10. Теперь доступ к записи С стал невозможен и запись С оказалась исключенной из списка (рис. 7.2,6) . Освободившаяся ячейка с помощью указателей включается в связанный список свободных ячеек.

2) На рис. 7.2,в изображен связанный список с вновь включенной за­писью Д логически следующей за записью С. Запись D размещается в ячейке с адресом 15. После замены указателей устанавливается порядок чтения ячеек памяти 01, 05, 03, 15, 10, обеспечивающий логическую последовательность записей: Зап. Л, Зап._9, Зап. С, Зап. Д Зап. F.

Односвязный список можно организовать в виде замкнутого кольца (рис. 7.3). В этом случае указателем последней записи будет адрес пер­вой. Такой список называют еще циклическим.

Связанное представление данных используется для хранения нели­нейных структур данных, а также для реализации линейных структур в тех случаях, когда заранее не известен предельный размер информаци­онного массива.

В ряде задач необходимо иметь возможность продвижения по свя­занному списку в обоих направлениях. Для этого в каждый элемент списка вводится дополнительный указатель, задающий продвижение по списку в обратном направлении. Такой список называется двунаправленным. В поле указателя заносится адрес ячейки с записью, логически предшествующей данной записи (рис. 7.4,а). Головная ячейка содержит в этом случае указатели на первую и последнюю ячейки списка. Поиск в двунаправленном списке возможен как с начала, так и с конца списка. В процессе добавле­ния (удаления) записи в двусвязный список про­исходит изменение пря­мых и обратных указате­лей так, как это показано на рис. 7.4, б. Наличие обратного указателя по­зволяет упростить алго­ритм изменения указате­лей, так как обратный указатель удаляемой за­писи хранит адрес ячейки с логически предшеству­ющей записью. В односвязном списке этот адрес необходимо определять с помощью дополнительных процедур.

Для реализации связанного представления данных язык программи­рования должен располагать определенными средствами, а именно иметь данные типа "указатель". При работе с языками программирования, не имеющими данных типа "указатель", связанное представление модели­руется с помощью структуры массива. Пусть структура данных определена как массив М(I). Для определения порядка чтения элементов массива, не совпадающего с физичес­ким порядком их следова­ния, можно организовать вспомогательный вектор указателей N(J), элементы которого - целые числа — определяют порядковые номера (индексы) записей основного массива. На рис. 7.5 изображены два одномерных массива: массив указателей N(J ) и основной массив запи­сей М(I), а также моделируемый список. Процедура чтения основного массива организуется с учетом того, что I = N(J). Таким образом, вектор N(J) при изменении значения J от 1 до 4 задает следующий порядок чтения записей основного массива: Зап. А, Зап. В, Зап. С, Зап. D.