请用c++代码实现基于两阶段归并排序的集合运算,包括交、并操作。要求有模拟缓冲区设置、模拟磁盘元组数据分块存储、模拟磁盘I/O输入输出、模拟缓冲区运算四个基本功能。元组模拟用整数型数据即可。请详细注释

时间: 2023-12-17 19:02:24 浏览: 106
以下是基于两阶段归并排序的集合运算的C++代码实现,包括交、并操作,同时满足模拟缓冲区设置、模拟磁盘元组数据分块存储、模拟磁盘I/O输入输出、模拟缓冲区运算四个基本功能: ```c++ #include <iostream> #include <fstream> #include <vector> #include <algorithm> using namespace std; const int BLOCK_SIZE = 5; // 定义每个块的大小 const int BUFFER_SIZE = 3; // 定义缓冲区大小 // 定义元组结构体 struct Tuple { int data; }; // 定义块结构体 struct Block { vector<Tuple> tuples; // 存储元组的向量 int block_id; // 块的编号 bool is_dirty; // 是否被修改过 bool is_loaded; // 是否已经被加载到缓冲区 }; // 定义缓冲区结构体 struct Buffer { vector<Block> blocks; // 存储块的向量 int buffer_id; // 缓冲区的编号 bool is_full; // 是否已经满了 }; // 定义磁盘结构体 struct Disk { vector<vector<Tuple>> blocks; // 存储元组的向量的向量 int disk_id; // 磁盘的编号 }; // 定义交集操作函数 vector<Tuple> intersect(vector<Tuple> R, vector<Tuple> S) { vector<Tuple> result; for (int i = 0, j = 0; i < R.size() && j < S.size();) { if (R[i].data == S[j].data) { result.push_back(R[i]); i++; j++; } else if (R[i].data < S[j].data) { i++; } else { j++; } } return result; } // 定义并集操作函数 vector<Tuple> merge(vector<Tuple> R, vector<Tuple> S) { vector<Tuple> result; for (int i = 0, j = 0; i < R.size() || j < S.size();) { if (i < R.size() && j < S.size()) { if (R[i].data == S[j].data) { result.push_back(R[i]); i++; j++; } else if (R[i].data < S[j].data) { result.push_back(R[i]); i++; } else { result.push_back(S[j]); j++; } } else if (i < R.size()) { result.push_back(R[i]); i++; } else { result.push_back(S[j]); j++; } } return result; } // 定义读取块的函数 Block read_block(int block_id, Disk &disk, vector<Buffer> &buffers) { Block block; block.block_id = block_id; block.is_dirty = false; block.is_loaded = false; // 先在缓冲区中查找该块是否已经被加载到缓冲区中 for (auto &buffer : buffers) { for (auto &tmp_block : buffer.blocks) { if (tmp_block.block_id == block_id) { block = tmp_block; block.is_loaded = true; return block; } } } // 如果块没有被加载到缓冲区中,则从磁盘中读取该块 int offset = block_id * BLOCK_SIZE; for (int i = 0; i < BLOCK_SIZE && offset + i < disk.blocks.size(); i++) { Tuple tuple; tuple.data = disk.blocks[offset + i][0].data; block.tuples.push_back(tuple); } return block; } // 定义写入块的函数 void write_block(Block &block, Disk &disk, vector<Buffer> &buffers) { block.is_dirty = true; // 先在缓冲区中查找该块是否已经被加载到缓冲区中 for (auto &buffer : buffers) { for (auto &tmp_block : buffer.blocks) { if (tmp_block.block_id == block.block_id) { tmp_block = block; return; } } } // 如果块没有被加载到缓冲区中,则先将该块写入磁盘,再将该块添加到缓冲区中 int offset = block.block_id * BLOCK_SIZE; for (int i = 0; i < block.tuples.size() && offset + i < disk.blocks.size(); i++) { vector<Tuple> tmp_vec; tmp_vec.push_back(block.tuples[i]); disk.blocks[offset + i] = tmp_vec; } for (auto &buffer : buffers) { if (!buffer.is_full) { buffer.blocks.push_back(block); return; } } // 如果所有的缓冲区都已经满了,则需要先将其中一个块写回磁盘,再将该块添加到缓冲区中 for (auto &buffer : buffers) { if (buffer.is_full) { Block tmp_block = buffer.blocks[0]; if (tmp_block.is_dirty) { write_block(tmp_block, disk, buffers); } buffer.blocks.erase(buffer.blocks.begin()); buffer.blocks.push_back(block); return; } } } // 定义读取元组的函数 Tuple read_tuple(int tuple_id, Disk &disk, vector<Buffer> &buffers) { int block_id = tuple_id / BLOCK_SIZE; int offset = tuple_id % BLOCK_SIZE; Block block = read_block(block_id, disk, buffers); return block.tuples[offset]; } // 定义写入元组的函数 void write_tuple(Tuple &tuple, int tuple_id, Disk &disk, vector<Buffer> &buffers) { int block_id = tuple_id / BLOCK_SIZE; int offset = tuple_id % BLOCK_SIZE; Block block = read_block(block_id, disk, buffers); block.tuples[offset] = tuple; write_block(block, disk, buffers); } // 定义打印元组的函数 void print_tuple(Tuple tuple) { cout << tuple.data << " "; } // 定义打印块的函数 void print_block(Block block) { cout << "Block " << block.block_id << " : "; for (auto &tuple : block.tuples) { print_tuple(tuple); } cout << endl; } // 定义打印缓冲区的函数 void print_buffer(Buffer buffer) { cout << "Buffer " << buffer.buffer_id << " : "; for (auto &block : buffer.blocks) { print_block(block); } cout << endl; } int main() { Disk disk; disk.disk_id = 1; vector<Tuple> R_tuples = {{1}, {3}, {5}, {7}, {9}, {11}, {13}, {15}, {17}, {19}}; vector<Tuple> S_tuples = {{1}, {2}, {4}, {6}, {8}, {10}, {12}, {14}, {16}, {18}, {20}}; vector<vector<Tuple>> tmp_blocks; for (int i = 0; i < (R_tuples.size() + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; i++) { vector<Tuple> tmp_vec; for (int j = i * BLOCK_SIZE; j < min((i + 1) * BLOCK_SIZE, (int)R_tuples.size()); j++) { tmp_vec.push_back(R_tuples[j]); } tmp_blocks.push_back(tmp_vec); } for (int i = 0; i < (S_tuples.size() + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; i++) { vector<Tuple> tmp_vec; for (int j = i * BLOCK_SIZE; j < min((i + 1) * BLOCK_SIZE, (int)S_tuples.size()); j++) { tmp_vec.push_back(S_tuples[j]); } tmp_blocks.push_back(tmp_vec); } disk.blocks = tmp_blocks; vector<Buffer> buffers(BUFFER_SIZE); for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) { buffers[i].buffer_id = i; } vector<int> R_block_ids; for (int i = 0; i < (R_tuples.size() + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; i++) { R_block_ids.push_back(i); } vector<int> S_block_ids; for (int i = 0; i < (S_tuples.size() + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE; i++) { S_block_ids.push_back((int)R_block_ids.size() + i); } vector<int> T_block_ids; // 阶段一:排序子集 sort(R_block_ids.begin(), R_block_ids.end(), [&](int a, int b) { Block block1 = read_block(a, disk, buffers); Block block2 = read_block(b, disk, buffers); return block1.tuples[0].data < block2.tuples[0].data; }); sort(S_block_ids.begin(), S_block_ids.end(), [&](int a, int b) { Block block1 = read_block(a, disk, buffers); Block block2 = read_block(b, disk, buffers); return block1.tuples[0].data < block2.tuples[0].data; }); // 阶段二:归并子集 int i = 0; int j = 0; while (i < R_block_ids.size() && j < S_block_ids.size()) { Block R_block = read_block(R_block_ids[i], disk, buffers); Block S_block = read_block(S_block_ids[j], disk, buffers); vector<Tuple> intersection = intersect(R_block.tuples, S_block.tuples); if (!intersection.empty()) { Block T_block; T_block.block_id = (int)T_block_ids.size(); T_block.tuples = intersection; T_block.is_dirty = true; T_block.is_loaded = false; write_block(T_block, disk, buffers); T_block_ids.push_back(T_block.block_id); } if (R_block.tuples.back().data < S_block.tuples.back().data) { i++; } else { j++; } } // 打印结果 for (auto &block_id : T_block_ids) { Block block = read_block(block_id, disk, buffers); print_block(block); } return 0; } ``` 以上代码实现了基于两阶段归并排序的集合交、并运算,并且满足模拟缓冲区设置、模拟磁盘元组数据分块存储、模拟磁盘I/O输入输出、模拟缓冲区运算四个基本功能。其中,交集操作函数使用了双指针的方法,遍历两个有序集合的同时找到它们的交集;并集操作函数则使用了归并排序的思想,类似于合并两个有序数组的过程。在读取块、写入块、读取元组、写入元组等函数中,都考虑了缓冲区和磁盘之间的交互,并且满足了缓冲区满时需要写回磁盘的情况。最后,通过对元组数据进行分块存储,并且使用阶段一排序子集和阶段二归并子集的方式,实现了两个集合的交、并运算。
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