Introduzione Definizioni
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1 Informatica 3 Informatica 3 LEZIONE 20: Ordinamento esterno Lezione 20 - Modulo 1 Modulo 1: Organizzazione della memoria Modulo 2: Ordinamento esterno Organizzazione della memoria Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 1 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 2 Introduzione Definizioni Dati in memoria centrale vs. dati su disco velocità d accesso diversa progettazione di strutture dati e algoritmi diversi MINIMIZZARE IL NUMERO DI ACCESSI AL DISCO! organizzare l informazione in modo da estrarre i dati necessari con pochi accessi e in modo da accedere meno volte possibile compressione dell informazione trade-off spazio/tempo organizzare l informazione in modo che ad ogni accesso si estraggano dati aggiuntivi che consentano di non accedere successivamente al disco piatti testine di lettura/ scrittura braccio traccia Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 3 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 4 1
2 Definizioni (2) Definizioni (3) traccia blocco settori testina testina gap bit (dati) Lettura del disco: tempo di ricerca (seek): posizionamento sulla traccia tempo di latenza rotazionale: posizionamento sul settore lettura/scrittura di un settore per volta tempo di trasferimento dei dati Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 5 rotazione organizzazione senza interlacciamento rotazione organizzazione con interlacciamento = 3 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 6 Definizioni (2) Cluster: gruppo di settori contigui unità di allocazione per un file Extent: gruppo di cluster contigui di uno stesso file Frammentazione interna: spazio non utilizzato all interno di un settore o di un cluster Costo di accesso al disco Esempio: disco da 16.8 GB con 10 piatti = 1.68GB/piatto 13,085 tracce/piatto 256 settori/traccia 512 byte/settore tempo di ricerca (seek) tra tracce consecutive: 2.2 ms tempo di ricerca (seek) di una traccia random: 9.5ms cluster da 4KB, 32 cluster/traccia fattore di interlacciamento: 3 rotazione del disco: 5400 rpm Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 7 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 8 2
3 Costo di accesso al disco (2) Quante rotazioni del disco sono richieste per leggere una traccia una volta che la testina si è posizionata sul primo settore? 3 Quanto tempo è necessario per leggere una traccia? 11.1 ms x 3 = 33.3 ms Costo Di Accesso Al Disco (3) Qual è il costo per la lettura di un file da 1MB suddiviso in 2048 record da 512 byte ciascuno? CASO 1: record su 8 tracce contigue prima traccia: /2 + 3 x 11.1 = 48.4 ms tracce successive: /2 + 3 x 11.1 = 41.1 ms totale: * 41.1 = 335.7ms CASO 2: cluster distribuiti in modo random 256 cluster tempo di lettura di un cluster (3 x 8)/256 di una rotazione per 1 ms 256( /2 + (3 x 8)/256) = circa 3877 ms (4 s) DEFRAMMENTAZIONE DEL DISCO! Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 9 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 10 Tempo di lettura tempo di lettura di una traccia: /2 + 3 x 11.1 = 48.4ms tempo di lettura di un settore: /2 + (1/256)11.1 = 15.1ms tempo di lettura di un byte: /2 = ms LETTURA DI UN SETTORE PER VOLTA Buffer I settori letti vengono memorizzati in memoria centrale buffering o caching dell informazione Richiesta prossimo dato: se è nello stesso settore: non serve ulteriore lettura Principio di località Si utilizzano diversi buffer per input e Doppio buffering Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 11 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 12 3
4 Pool di buffer Collezione di buffer per aumentare la probabilità di non dover leggere da disco quando l informazione non è presente nel buffer pool occorre rimpiazzare un buffer (pagina) politica FIFO (First-In First-Out) politica LFU (Least Frequently Used) politica LRU (Least Recently Used) Memoria virtuale: utilizza un pool di buffer per simulare una memoria RAM più grande Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 13 Accesso ai file in C++ File = sequenza di byte Canale di I/O per i file: lettura di un byte dalla posizione corrente scrittura di un byte nella posizione corrente spostamento della posizione corrente #include <fstream.h> void fstream::open(char* name, openmode mode); Esempio: ios::in ios::binary void fstream::close(); fstream::read(char* ptr, int numbytes); fstream::write(char* ptr, int numbtyes); fstream::seekg(int pos); fstream::seekg(int pos, ios::curr); fstream::seekp(int pos); fstream::seekp(int pos, ios::end); Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 14 Informatica 3 Lezione 20 - Modulo 2 Ordinamento esterno Introduzione Ordinamento esterno ordinamento di collezioni di record troppo grandi per stare in memoria centrale leggere alcuni record dal disco riorganizzarli riscriverli su disco Obiettivo: minimizzare gli accessi al disco maggiori tempi di processamento da parte della CPU Algoritmi che accedono ad un singolo drive del disco indipendenti dalla macchina Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 15 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 16 4
5 Modello di accesso al disco (1) File = sequenza di blocchi di dimensione fissa e stesso numero di record Hp: i record non attraversano i limiti di un blocco Lettura di un settore per volta dimensione di un blocco uguale o un multiplo della dimensione di un settore lettura di un blocco nel buffer computazione sul buffer (ordinamento interno) riscrittura del blocco Modello di accesso al disco (2) Occorre tenere al minimo il tempo di ricerca (seek) La lettura di un file in ordine sequenziale può essere più efficiente della lettura random i blocchi devono essere memorizzati sequenzialmente, su tracce contigue e con pochi extent la testina rimane posizionata sul file durante l esecuzione del processo sequenziale Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 17 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 18 Ordinamento della chiave La dimensione della chiave può essere molto inferiore rispetto alla dimensione del record ordinamento della chiave file indice: memorizza le chiavi e il puntatore al record corrispondente nel file originale Approcci per l ordinamento esterno Adattamento degli algoritmi di ordinamento interno - Quicksort + pool di buffer: - accesso random all intero insieme di record - Mergesort: - lettura sequenziale dei record in un solo passo minore tempo per effettuare l ordinamento Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 19 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 20 5
6 Mergesort esterno (1) Algoritmo: - suddivisione del file in run di dimensione uguale - lettura di un blocco di ciascun run nei buffer di input - lettura del primo record da ciasun buffer di input ordinamento scrittura sul buffer di - lettura del record successivo e scrittura su un secondo buffer di - ripeti, alternatno gli sui due buffer di, fino a quando il blocco è terminato lettura di un nuovo blocco - quando un buffer di è completo: riscrittura sul file di run di lunghezza 1 run di lunghezza 2 run di lunghezza 4 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 21 Mergesort esterno (2) Prestazioni: Run di input e di letti e scritti sequenzialmente testine I/O distinte per ogni file drive separati per input e (4 drive) Per ordinare n record occorrono log n passi log n letture/scritture di ogni record per ridurre il numero di passi: run di un blocco (o maggiori) oppure merge di più run ad ogni passo (multiway merging) Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 22 Replacement selection (1) Replacement selection (2) Algoritmo che crea run di >M record variante dell algoritmo di heapsort File di input Buffer di input RAM Buffer di File run di Algoritmo (su un array di M elementi): Riempi l array con i dati del disco. LAST=M-1 Costruisci un min-heap Ripeti finchè l array è vuoto: Metti il record con valore di chiave minima (radice) nel buffer di R=record successivo nel buffer di input. Se il valore della chiave di R è maggiore della chiave minima appena letta poni R alla radice dell albero altrimenti, sostituisci la radice con il record in posizione LAST e metti R in posizione LAST. LAST- - effettua un siftdown sullo heap per riposizionare la radice Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 23 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 24 6
7 Esempio Multiway merging (1) Memoria Mergesort: effettuando il merge di due run per volta, per R run sono necessari log R passi solamente un blocco di record per run deve essere in memoria Per utilizzare meglio lo spazio in memoria e ridurre il numero di passi si può fare il merge di più run per volta: multiway merging Run di input Buffer di Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 25 Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 26 Approccio generale Algoritmo di ordinamento esterno: crea run iniziali più lunghi possibili es. replacement selection usa più memoria di lavoro possibile es. multiway merging se possibile, utilizza drive di dischi addizionali processamento sequenziale dei file sovrapposizione tra I/O e processo Politecnico di Milano - Prof. Sara Comai 27 7
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