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\title{Zusammenfassung IDB}
\author{Marco Ammon}
\date{\today}

\begin{document}
\maketitle

\section{Einführung}
\begin{itemize}
	\item \begriff{Datenabstraktion} / \begriff{Datenunabhängigkeit}: persistentes Speichern und Wiedergewinnen (Auffinden und Aushändigen) von Daten \wichtig{unabhängig} von Details der Speicherung
	\item \begriff{Schicht}: realisiert \begriff{Dienst} und stellt ihn per \begriff{Schnittstelle} zur Verfügung
\end{itemize}

\section{Dateiverwaltung}
\begin{itemize}
	\item \begriff{physische} Speichergeräte (z.B. Festplatten) werden durch \begriff{logische} abstrahiert (z.B. Neueinlesen bei Checksum-Fehlern)
	\item \begriff{Block} als kleinste Einheit der IO
	\item \enquote{Adresse} eines Blocks: (Zylinder, Spur, Sektor)
	\item \begriff{Dateien} als benannte Menge von Blöcken
	\item \begriff{blockorientierte} Zugriffsmethode: verwendet eindeutige, fortlaufende Blockadressen innerhalb der Datei
\end{itemize}

\section{Sätze}
\begin{itemize}
	\item \begriff{Satz} als zusammengehörende Daten eines Gegenstands der Anwendung (z.B. Tupel, Objekt) mit variabler oder fester Länge
	\item \begriff{Satzdatei} als Sammlung von Sätzen, kann über verschiedene Blöcke verteilt sein
	\item Ausprägungen: \begin{itemize}
		\item \begriff{sequentiell}: \begin{itemize}
			\item Reihenfolge der Abspeicherung und des Auslesens bereits mit Schreiben festgelegt
			\item \wichtig{keine} Änderungen / Löschen möglich
			\item kein wahlfreier Zugriff
		\end{itemize}
		\item \begriff{direkt}: \begin{itemize}
			\item Verwendung sogenannter \begriff{Satzadressen} (hier als \begriff{TID}s realisiert; \wichtig{eindeutig} und \wichtig{unveränderlich}) als Adresstupel (Block, Index)
			\item Abbildung von Index auf Offset innerhalb eines Blockes durch Array am Ende eines Blockes
			\item erlaubt wahlfreien Zugriff
			\item erlaubt Löschen von Sätzen: Index wird ungültig markiert, folgende Sätze nach vorne verschoben, Anpassung der Offsets
			\item erlaubt Ändern von Sätzen: \begin{itemize}
				\item \wichtig{ohne} Überlauf: Verschieben der folgenden Sätze, Anpassung der Offsets
				\item \wichtig{mit} Überlauf: Satz wird in anderen Block verschoben, Verweis auf diesen wird angelegt, (evtl.) Anpassung der Offsets
			\end{itemize}
		\end{itemize}
	\end{itemize}
\end{itemize}

\section{Schlüssel}
\begin{itemize}
	\item \begriff{Schlüsselwerte} als \enquote{inhaltsbezogene Adressen}
	\item \begriff{Hashing}: \begin{itemize}
		\item \begriff{Hash-Funktion} verteilt Schlüsselwert möglichst gleichmäßig auf verfügbare \begriff{Buckets} (Blöcke)
		\item \begriff{Divisions-Rest-Verfahren}: $h(k) = (k \mod q)$ mit Schlüsselwert $k$ und Anzahl der Buckets $q$
		\item Problem des \begriff{Überlaufs} mit verschiedenen Lösungsmöglichkeiten: \begin{itemize}
			\item \begriff{Open Addressing}: Ausweichen auf Nachbarbuckets
			\item spezeille \begriff{Overflow-Buckets}: Bucket verweist auf \enquote{\wichtig{seinen}} Overflow-Bucket
		\end{itemize}
		\item \begriff{virtuelles Hashing} zur konstanten Reorganisation: \begin{itemize}
			\item Anzahl der Buckets $q$, Sätze pro Bucket $b$ $\Rightarrow$ Kapazität $\coloneqq q \cdot b$
			\item Belegungsfaktor $\beta \coloneqq \frac{\text{Anzahl gespeicherter Sätze}\ N}{\text{Kapazität}}$
			\item Wenn $\beta > \text{Schwellwert}\ \alpha$, Menge der Buckets vergrößern
			\item als \begriff{VH1}: \begin{itemize}
				\item Anzahl der Blöcke direkt verdoppeln
				\item neue Hashfunktion $h_2$ einführen
				\item Bitmaske um Verwendung der neuen Hashfunktion zu verwalten
				\item bei \wichtig{Einfügen} eines Satzes in ein \enquote{altes} Bucket Neuverteilung dieses Buckets mittels $h_2$, Bit setzen
			\end{itemize}
			\item als \begriff{Lineares Hashing}: \begin{itemize}
				\item Positionszeiger $p$
				\item \wichtig{ein} neues Bucket anlegen
				\item Bucket an Stelle $p$ mit $h_2$ aufteilen, $p$++
				\item wenn $h_1(k) < p$, dann mittels $h_2$ verteilen
			\end{itemize}
		\end{itemize}
	\end{itemize}
	\item \begriff{Indizes} mittels \begriff{Bäumen}: \begin{itemize}
		\item \begriff{B-Baum}: \begin{itemize}
			\item jeder \begriff{Knoten} ist genau einen Block groß
			\item \wichtig{balanciert}, alle Blätter außer Wurzel immer mindestens zur Hälfte gefüllt
			\item Knoten: \begin{itemize}
				\item Anzahl der verwendeten Einträge $n$, es gilt $k \leq n \leq 2k$
				\item \begriff{Eintrag}: Tupel (Schlüsselwert, Datensatz, Blocknummer des Kindknotens)
				\item Einträge nach Schlüsselwert \wichtig{sortiert}
			\end{itemize}
			\item Einfügen: wie Suchen; nur in Blattknoten; bei Überlauf \enquote{linke} und \enquote{rechte} Einträge als neue Knoten, \enquote{mittlerer} als \begriff{Diskriminator} in Eltern-Knoten einfügen
			\item Löschen von Schlüssel $S$ im Blattknoten: \begin{itemize}
				\item Entfernen und ggf. Unterlauf behandeln
			\end{itemize}
			\item Löschen von Schlüssel $S$ in innerem Knoten: \begin{itemize}
				\item betrachte doe Blattknoten mit direktem Vorgänger $S'$ und direktem Nachfolger $S''$ von $S$
				\item wähle den größeren
				\item ersetze $S$ je nach Wahl durch $S'$ bzw. $S''$
				\item lösche entsprechenden Schlüssel $S'$ bzw. $S''$ und ggf. Unterlauf behandeln
			\end{itemize}
		\end{itemize}
		\item \begriff{B*-Baum} / \begriff{B+-Baum}: \begin{itemize}
			\item Sätze stehen \wichtig{ausschließlich} in Blattknoten
			\item innerer Knoten: \begin{itemize}
				\item Anzahl der verwendeten Einträge $n$
				\item Eintrag: Tupel (Referenzschlüssel, Blocknummer des Kindknotens)
			\end{itemize}
			\item Blattknoten: \begin{itemize}
				\item Anzahl der verwendeten Einträge $n$
				\item Vorgänger-Zeiger, Nachfolger-Zeiger
				\item Eintrag: Tupel (Schlüsselwert, Datensatz)
			\end{itemize}
			\item Löschen ohne Unterlauf: lösche Satz aus Blatt; Diskriminator muss \wichtig{nicht} geändert werden
			\item Löschen mit Unterlauf:\begin{itemize}
				\item Ist Anzahl der Einträge des Blatts und eines Nachbarknotens größer als 2k, verteile Sätze neu auf beide Knoten
				\item ansonsten mische beide Blätter zu einem einzigen
			\end{itemize}
		\end{itemize}
		\item Müssen nicht zwangsläufig zur \begriff{Primärorganisation} verwendet werden, können als \enquote{Sätze} z.B. auch nur Satzadressen enthalten
	\end{itemize}
	\item \begriff{Bitmap-Indizes}: eine Bitmap \wichtig{pro Schlüsselwert}
\end{itemize}

\section{Puffer}
\begin{itemize}
	\item Hauptspeicherbereich, der Blöcke aufnehmen kann, um (Lese-/Schreibe-) Zugriffe zu \wichtig{beschleunigen}
	\item \begriff{Ersetzungsstrategie}: \enquote{Welcher Block wird verdrängt?} \begin{itemize}
		\item \begriff{first in, first out} (FIFO): \enquote{ältester} Block
		\item \begriff{least frequently used} (LFU): am seltensten benutzter Block
		\item \begriff{least recently used} (LRU): am längsten nicht mehr benutzter Block
		\item \begriff{second chance} (CLOCK): Approximation von LRU mit einfacherer Implementierung: \begin{itemize}
			\item Jeder Block im Puffer besitzt ein \begriff{Benutzt-Bit}
			\item bei Verdrängung Suche mit Zeiger
			\item falls Benutzt-Bit 1, auf 0 setzen
			\item falls Benutzt-Bit 0, Block ersetzen
			\item \textbf{TODO:} Muss immer weitergegangen werden?
		\end{itemize}
	\end{itemize}
	\item Zustand im Fehlerfall hängt unter anderem von \begriff{Einbringstrategie} (siehe \textbf{TODO} Recovery) und \begriff{Seitenzuordnung} ab
	\item Seitenzuordnung: \enquote{Welche Blöcke (in einer Datei) gehören zu einer Seite (im Puffer)?} \begin{itemize}
		\item \begriff{direkt}: aufeinander folgende Seiten werden auf aufeinander folgende Blöcke einer Datei abgebildet
		\item \begriff{indirekt}: \begriff{Page Table} enthält zu jeder Seite eine Blocknummer
	\end{itemize}
	\item Seiteneinbringung: \begin{itemize}
		\item \begriff{direkt}: Bei Verdrängung aus Puffer wird genau der Block überschrieben, aus dem ursprünglich eingelagert wurde (\enquote{update-in-place})
		\item \begriff{indirekt}: Bei Verdrängung aus Puffer wird in einen freien Block geschrieben.
	\end{itemize}
	\item Problem der indirekten Seiteneinbringung: \enquote{Wann können alte Blöcke gelöscht werden?}; verschiedene Lösungsansätze: \begin{itemize}
		\item \begriff{Schattenspeicher}: \begin{itemize}
			\item Änderungen nur auf Kopien, die periodisch dann mit \enquote{gesicherter} Version vertauscht wird
		\end{itemize}
		\item \begriff{Twin Slots}: \begin{itemize}
			\item jede Seite hat zwei Blöcke
			\item immer beide lesen, bei Änderungen älteren überschreiben
		\end{itemize}
	\end{itemize}
\end{itemize}
\end{document}