203 lines
10 KiB
TeX
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\documentclass[11pt,a4paper]{scrartcl}
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\usepackage[a4paper,left=2.5cm,right=2.5cm,top=2.5cm,bottom=2.5cm]{geometry}
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\usepackage[ngerman]{babel}
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\usepackage{amssymb}
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\usepackage{amsthm}
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\usepackage{mathrsfs}
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\usepackage{scrextend}
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\usepackage[utf8]{inputenc}
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\usepackage{amsmath}
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\usepackage{enumitem}
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\usepackage{tikz-qtree}
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\usepackage{mathtools}
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\usepackage{latexsym}
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\usepackage{algorithmicx}
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\usepackage{csquotes}
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\usepackage{pdfpages}
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\usepackage{pgfplots}
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\usepackage{hyperref}
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\usepackage{listings}
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\usepackage{pdflscape}
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\usepackage{tikz}
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\usetikzlibrary{positioning}
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\usetikzlibrary{arrows.meta}
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\usepackage{datetime}
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\usepackage{xcolor}
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\pdfminorversion=7 % Import-Unterstützung für PDFs bis Version 1.7
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\pgfplotsset{compat=1.16} % verhindern, dass pgfplots im Rückwärtskompatibilitätsmodus arbeitet
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\theoremstyle{definition}
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\newtheorem{aufgabe}{Aufgabe}[section]
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\newtheorem{definition}{Definition}[section]
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\renewcommand\qedsymbol{}
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\renewcommand*{\proofname}{Antwort}
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\addto\captionsngerman{\renewcommand\proofname{Antwort}}
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\newcommand*{\bps}{\frac{\text{b}}{\text{s}}}
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\newcommand*{\kbps}{\frac{\text{Kb}}{\text{s}}}
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\newcommand*{\mbps}{\frac{\text{Mb}}{\text{s}}}
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\newcommand*{\gbps}{\frac{\text{Gb}}{\text{s}}}
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\newcommand*{\tbps}{\frac{\text{Tb}}{\text{s}}}
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\newcommand{\sql}[1]{\lstinline[frameround=fttt,language=SQL,numbers=left,breaklines=true,keywordstyle=\color{blue}\bfseries,basicstyle=\ttfamily\color{red},numberstyle=\color{black}]{#1}}
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\definecolor{fau_blau}{RGB}{26, 71, 115}
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\newcommand{\begriff}[1]{\textcolor{fau_blau}{\emph{#1}}}
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\newcommand{\wichtig}[1]{\emph{#1}}
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\setlist[enumerate,1]{label={\alph*)}}
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\setlist[enumerate,2]{label={\roman*)}}
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\title{Zusammenfassung IDB}
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\author{Marco Ammon}
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\date{\today}
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\begin{document}
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\maketitle
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\section{Einführung}
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\begin{itemize}
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\item \begriff{Datenabstraktion} / \begriff{Datenunabhängigkeit}: persistentes Speichern und Wiedergewinnen (Auffinden und Aushändigen) von Daten \wichtig{unabhängig} von Details der Speicherung
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\item \begriff{Schicht}: realisiert \begriff{Dienst} und stellt ihn per \begriff{Schnittstelle} zur Verfügung
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\end{itemize}
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\section{Dateiverwaltung}
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\begin{itemize}
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\item \begriff{physische} Speichergeräte (z.B. Festplatten) werden durch \begriff{logische} abstrahiert (z.B. Neueinlesen bei Checksum-Fehlern)
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\item \begriff{Block} als kleinste Einheit der IO
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\item \enquote{Adresse} eines Blocks: (Zylinder, Spur, Sektor)
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\item \begriff{Dateien} als benannte Menge von Blöcken
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\item \begriff{blockorientierte} Zugriffsmethode: verwendet eindeutige, fortlaufende Blockadressen innerhalb der Datei
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\end{itemize}
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\section{Sätze}
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\begin{itemize}
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\item \begriff{Satz} als zusammengehörende Daten eines Gegenstands der Anwendung (z.B. Tupel, Objekt) mit variabler oder fester Länge
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\item \begriff{Satzdatei} als Sammlung von Sätzen, kann über verschiedene Blöcke verteilt sein
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\item Ausprägungen: \begin{itemize}
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\item \begriff{sequentiell}: \begin{itemize}
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\item Reihenfolge der Abspeicherung und des Auslesens bereits mit Schreiben festgelegt
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\item \wichtig{keine} Änderungen / Löschen möglich
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\item kein wahlfreier Zugriff
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\end{itemize}
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\item \begriff{direkt}: \begin{itemize}
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\item Verwendung sogenannter \begriff{Satzadressen} (hier als \begriff{TID}s realisiert; \wichtig{eindeutig} und \wichtig{unveränderlich}) als Adresstupel (Block, Index)
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\item Abbildung von Index auf Offset innerhalb eines Blockes durch Array am Ende eines Blockes
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\item erlaubt wahlfreien Zugriff
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\item erlaubt Löschen von Sätzen: Index wird ungültig markiert, folgende Sätze nach vorne verschoben, Anpassung der Offsets
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\item erlaubt Ändern von Sätzen: \begin{itemize}
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\item \wichtig{ohne} Überlauf: Verschieben der folgenden Sätze, Anpassung der Offsets
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\item \wichtig{mit} Überlauf: Satz wird in anderen Block verschoben, Verweis auf diesen wird angelegt, (evtl.) Anpassung der Offsets
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\section{Schlüssel}
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\begin{itemize}
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\item \begriff{Schlüsselwerte} als \enquote{inhaltsbezogene Adressen}
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\item \begriff{Hashing}: \begin{itemize}
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\item \begriff{Hash-Funktion} verteilt Schlüsselwert möglichst gleichmäßig auf verfügbare \begriff{Buckets} (Blöcke)
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\item \begriff{Divisions-Rest-Verfahren}: $h(k) = (k \mod q)$ mit Schlüsselwert $k$ und Anzahl der Buckets $q$
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\item Problem des \begriff{Überlaufs} mit verschiedenen Lösungsmöglichkeiten: \begin{itemize}
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\item \begriff{Open Addressing}: Ausweichen auf Nachbarbuckets
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\item spezeille \begriff{Overflow-Buckets}: Bucket verweist auf \enquote{\wichtig{seinen}} Overflow-Bucket
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\end{itemize}
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\item \begriff{virtuelles Hashing} zur konstanten Reorganisation: \begin{itemize}
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\item Anzahl der Buckets $q$, Sätze pro Bucket $b$ $\Rightarrow$ Kapazität $\coloneqq q \cdot b$
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\item Belegungsfaktor $\beta \coloneqq \frac{\text{Anzahl gespeicherter Sätze}\ N}{\text{Kapazität}}$
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\item Wenn $\beta > \text{Schwellwert}\ \alpha$, Menge der Buckets vergrößern
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\item als \begriff{VH1}: \begin{itemize}
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\item Anzahl der Blöcke direkt verdoppeln
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\item neue Hashfunktion $h_2$ einführen
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\item Bitmaske um Verwendung der neuen Hashfunktion zu verwalten
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\item bei \wichtig{Einfügen} eines Satzes in ein \enquote{altes} Bucket Neuverteilung dieses Buckets mittels $h_2$, Bit setzen
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\end{itemize}
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\item als \begriff{Lineares Hashing}: \begin{itemize}
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\item Positionszeiger $p$
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\item \wichtig{ein} neues Bucket anlegen
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\item Bucket an Stelle $p$ mit $h_2$ aufteilen, $p$++
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\item wenn $h_1(k) < p$, dann mittels $h_2$ verteilen
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\item \begriff{Indizes} mittels \begriff{Bäumen}: \begin{itemize}
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\item \begriff{B-Baum}: \begin{itemize}
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\item jeder \begriff{Knoten} ist genau einen Block groß
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\item \wichtig{balanciert}, alle Blätter außer Wurzel immer mindestens zur Hälfte gefüllt
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\item Knoten: \begin{itemize}
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\item Anzahl der verwendeten Einträge $n$, es gilt $k \leq n \leq 2k$
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\item \begriff{Eintrag}: Tupel (Schlüsselwert, Datensatz, Blocknummer des Kindknotens)
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\item Einträge nach Schlüsselwert \wichtig{sortiert}
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\end{itemize}
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\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
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\item Löschen von Schlüssel $S$ im Blattknoten: \begin{itemize}
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\item Entfernen und ggf. Unterlauf behandeln
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\end{itemize}
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\item Löschen von Schlüssel $S$ in innerem Knoten: \begin{itemize}
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\item betrachte doe Blattknoten mit direktem Vorgänger $S'$ und direktem Nachfolger $S''$ von $S$
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\item wähle den größeren
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\item ersetze $S$ je nach Wahl durch $S'$ bzw. $S''$
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\item lösche entsprechenden Schlüssel $S'$ bzw. $S''$ und ggf. Unterlauf behandeln
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\item \begriff{B*-Baum} / \begriff{B+-Baum}: \begin{itemize}
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\item Sätze stehen \wichtig{ausschließlich} in Blattknoten
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\item innerer Knoten: \begin{itemize}
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\item Anzahl der verwendeten Einträge $n$
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\item Eintrag: Tupel (Referenzschlüssel, Blocknummer des Kindknotens)
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\end{itemize}
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\item Blattknoten: \begin{itemize}
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\item Anzahl der verwendeten Einträge $n$
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\item Vorgänger-Zeiger, Nachfolger-Zeiger
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\item Eintrag: Tupel (Schlüsselwert, Datensatz)
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\end{itemize}
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\item Löschen ohne Unterlauf: lösche Satz aus Blatt; Diskriminator muss \wichtig{nicht} geändert werden
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\item Löschen mit Unterlauf:\begin{itemize}
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\item Ist Anzahl der Einträge des Blatts und eines Nachbarknotens größer als 2k, verteile Sätze neu auf beide Knoten
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\item ansonsten mische beide Blätter zu einem einzigen
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\item Müssen nicht zwangsläufig zur \begriff{Primärorganisation} verwendet werden, können als \enquote{Sätze} z.B. auch nur Satzadressen enthalten
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\end{itemize}
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\item \begriff{Bitmap-Indizes}: eine Bitmap \wichtig{pro Schlüsselwert}
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\end{itemize}
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\section{Puffer}
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\begin{itemize}
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\item Hauptspeicherbereich, der Blöcke aufnehmen kann, um (Lese-/Schreibe-) Zugriffe zu \wichtig{beschleunigen}
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\item \begriff{Ersetzungsstrategie}: \enquote{Welcher Block wird verdrängt?} \begin{itemize}
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\item \begriff{first in, first out} (FIFO): \enquote{ältester} Block
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\item \begriff{least frequently used} (LFU): am seltensten benutzter Block
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\item \begriff{least recently used} (LRU): am längsten nicht mehr benutzter Block
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\item \begriff{second chance} (CLOCK): Approximation von LRU mit einfacherer Implementierung: \begin{itemize}
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\item Jeder Block im Puffer besitzt ein \begriff{Benutzt-Bit}
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\item bei Verdrängung Suche mit Zeiger
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\item falls Benutzt-Bit 1, auf 0 setzen
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\item falls Benutzt-Bit 0, Block ersetzen
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\item \textbf{TODO:} Muss immer weitergegangen werden?
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\item Zustand im Fehlerfall hängt unter anderem von \begriff{Einbringstrategie} (siehe \textbf{TODO} Recovery) und \begriff{Seitenzuordnung} ab
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\item Seitenzuordnung: \enquote{Welche Blöcke (in einer Datei) gehören zu einer Seite (im Puffer)?} \begin{itemize}
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\item \begriff{direkt}: aufeinander folgende Seiten werden auf aufeinander folgende Blöcke einer Datei abgebildet
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\item \begriff{indirekt}: \begriff{Page Table} enthält zu jeder Seite eine Blocknummer
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\end{itemize}
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\item Seiteneinbringung: \begin{itemize}
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\item \begriff{direkt}: Bei Verdrängung aus Puffer wird genau der Block überschrieben, aus dem ursprünglich eingelagert wurde (\enquote{update-in-place})
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\item \begriff{indirekt}: Bei Verdrängung aus Puffer wird in einen freien Block geschrieben.
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\end{itemize}
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\item Problem der indirekten Seiteneinbringung: \enquote{Wann können alte Blöcke gelöscht werden?}; verschiedene Lösungsansätze: \begin{itemize}
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\item \begriff{Schattenspeicher}: \begin{itemize}
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\item Änderungen nur auf Kopien, die periodisch dann mit \enquote{gesicherter} Version vertauscht wird
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\end{itemize}
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\item \begriff{Twin Slots}: \begin{itemize}
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\item jede Seite hat zwei Blöcke
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\item immer beide lesen, bei Änderungen älteren überschreiben
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\end{document} |