【数据库】基于散列的两趟算法原理，以及集合与包的并，差，交，连接操作实现原理，执行代价以及优化

基于散列的两趟算法

专栏内容：

手写数据库toadb
本专栏主要介绍如何从零开发，开发的步骤，以及开发过程中的涉及的原理，遇到的问题等，让大家能跟上并且可以一起开发，让每个需要的人成为参与者。
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文章目录

基于散列的两趟算法
前言
概述
原理
流程
基于散列的去重
基于散列的分组聚集
基于散列的并、交和差
基于散列的连接
代价分析
总结
结尾

前言

随着信息技术的飞速发展，数据已经渗透到各个领域，成为现代社会最重要的资产之一。在这个大数据时代，数据库理论在数据管理、存储和处理中发挥着至关重要的作用。然而，很多读者可能对数据库理论感到困惑，不知道如何选择合适的数据库，如何设计有效的数据库结构，以及如何处理和管理大量的数据。因此，本专栏旨在为读者提供一套全面、深入的数据库理论指南，帮助他们更好地理解和应用数据库技术。

数据库理论是研究如何有效地管理、存储和检索数据的学科。在现代信息化社会中，数据量呈指数级增长，如何高效地处理和管理这些数据成为一个重要的问题。同时，随着云计算、物联网、大数据等新兴技术的不断发展，数据库理论的重要性日益凸显。

概述

前面两篇博客分享了基于排序的两趟算法，那么还有其它类型的两趟算法吗？

答案是肯定的，当然有。

本文就来分享一种基于散列的两趟算法。

原理

如果数据量太大以至于不能一次装入内存缓冲区中，基于散列的两趟算法中，采用一个合适的hash算法，将表划分为M-1个hash桶，这样操作对象一样的元组就在相同的桶中，然后就可以依次处理各桶中的数据。

实际上，经过hash处理之后，我们将操作对象的大小减小了，减小的比例等于桶的数目，它的数量大致为可用缓冲区大小M。这与我们介绍的基于排序的两趟算法有点类似，有同样的因子，但是两种方法执行的过程完全不同。

流程

第一趟hash散列处理：

假设hash函数为h，并且h将表R的整个元组作为参数，同时将每个一个hash桶与一个缓冲区块联系起来。
每次加载表R的一个数据块，将块中的元组按hash函数h进行处理，输出到桶对应的缓冲区中；
如查某个桶对应的缓冲区满了，将它写到磁盘上；
重复以上步骤，直到表R处理完成；
最后一个桶的缓冲区也写到磁盘上；

第二趟处理，就需要结合具体的某个操作，我们之前介绍过去重，分组聚集，并集，差集，交集，连接等；

基于散列的去重

在第一趟hash散列结束后，对于hash相同的元组都在一个桶中，那么相同的元组也在一个桶中，我们每次处理一个桶。

读取第一个桶的数据块到缓冲区中；
将第一条元组输出到结果缓冲区中，对于它的副本忽略；
依次处理下一个桶中的数据块；
直到所有桶中的数据块处理完成；

基于散列的分组聚集

执行分组操作的话，在第一趟将表R的数据hash成M个桶的进候，hash的键值要使用分组属性列，这样相同分组属性的元组会被分配到相同的桶中。

在第二趟时，依次加载每个桶的数据块，计算分组数据，如行数，求和等，每个桶为一个分组，直到所有桶处理完毕。

最后计算分组结果，输出结果。

基于散列的并、交和差

第一趟，将表R和表S分别采用相同的hash函数h，分别hash到数量相等的桶中，那么桶的数量为2M；

第二趟时，对于不同操作：

对于集合的并，因为相同的元组分配在相同的桶中，比如表R的每i个桶记为Ri,而表S的第i个桶记为Si；那么取Ri和Si执行并集操作，对于两个中都出现的元组，重复元组只输出一次到结果缓冲区块上；这样依次对应取两个桶，直到所有桶处理完毕。
对于包的并，也是对应的取Ri和Si两个桶的数据块，将两个桶中的数据，输出到结果缓冲区中；其实一趟算法就足够了；
对于集合交，也是对应的取Ri和Si两个桶的数据块，对于两个桶中都出现的元组输出到结果缓冲区中；
对于包的交，加载对应的取Ri和Si两个桶的数据块，对于出现次数相同的元组，输出到结果缓冲区中；

基于散列的连接

假设表R(X,Y)与表S(Y,Z)进行等值连接；

第一趟，将表R和表S分别采用相同的hash函数h，分别hash到数量相等的桶中，那么桶的数量为2M，而hash键值采用两表的连接属性列，这样对于属性列Y相同的元组都在Ri与Si桶中。

第二趟时，对于对应的Ri与Si桶加载到内存中，采用一趟散连连接算法就可以完成。

代价分析

将表R，在第一趟hash成M个桶时，会读取表R的所有数据块B，然后将各个桶对应的数据块写到磁盘上，写磁盘的数据块也近似为B；

在第二趟中，会将各桶的数据块读出，数据块数为B；如果不计结果的写入。

那么在整个基于散列的两趟算法中，磁盘IO的数量为表R的数据块的数量的3倍。

总结

对于大表来讲，不能一次性加载到内存，那么我们可以采用基于散列的两趟操作，实现一元操作去重，分组和聚集，二元操作并，差，交，连接等。

以下是使用访问者模式编写输出"Hello World"的C语言代码：

#include <stdio.h>// 定义抽象数据类型
typedef struct {void (*accept)(void *data, void (*print)(void *data));
} Visitor;// 定义具体数据类型
typedef struct {char message[100];
} Data;// 定义访问者函数
void printVisitor(void *data) {Data *myData = (Data *)data;printf("%s\n", myData->message);
}// 定义具体数据类型的构造函数和访问者函数调用
Visitor visitor = { .accept = printVisitor };
Data data = { .message = "Hello World" };
data.accept(&visitor, printVisitor);

在上述代码中，我们定义了一个抽象数据类型Visitor，其中包含一个accept方法，用于接受具体数据类型的实例并调用其访问者方法。接着，我们定义了一个具体数据类型Data，其中包含一个字符串消息。然后，我们定义了一个访问者函数printVisitor，用于输出具体数据类型的字符串消息。最后，我们定义了一个具体数据类型的构造函数和访问者函数调用，创建了一个Data实例并使用accept方法将其传递给访问者对象，并调用访问者函数输出字符串消息。