數據組織與數據控制：掌握井然有序且可靠數據的秘訣
各位同學，歡迎來到「數據組織與數據控制」的筆記！別擔心，這個課題聽起來比實際複雜得多。我們會一起把它拆解！
想想你手機裡、學校記錄中，或是購物網站上的所有資料。它們是如何保持井然有序和準確無誤的呢？這就是我們這一章要探討的重點！我們將會學習數據是如何建構的，就像在圖書館整理書籍一樣；以及如何確保數據是正確和可靠的。這在我們的數碼世界中是個超級重要的技能！
1. 數據層次結構：資訊的基石
要了解電腦如何管理龐大的資訊，我們需要知道它們是如何組織資訊的。想像一下你用樂高積木來搭建。你從最小的積木開始，一步步建成一座巨型城堡。數據的組織方式也類似，從最小的單元到最大的集合。這種結構稱為數據的層次結構。
讓我們以學校的學生資訊系統為例：
想像你的學校有一個數碼檔案櫃，用來儲存每個學生的資料。
最小的單元：數據與字段
- 數據：這些是原始的、獨立的事實和數字。例如：「陳大文」、「17」、「6A班」。單獨看「17」並沒有太大意義。
- 字段：字段是關於某人或某事的一個類別或單一資訊。它就像一個貼有標籤的盒子，用來存放一種特定類型的數據。字段賦予數據意義和上下文。
例如：「學生姓名」字段存放「陳大文」這個數據。「年齡」字段存放「17」這個數據。
組合各個單元：記錄
- 記錄：記錄是關於一個特定的人物、項目或事件的一組完整的字段。它就像一張學生的單獨索引卡，包含他們的所有詳細資料。
例如：陳大文的記錄會包含他的姓名、年齡、班別、學生編號、地址等。
陳大文的記錄：[字段：學生姓名，數據：陳大文]，[字段：年齡，數據：17]，[字段：班別，數據：6A]
數據的歸檔：檔案
- 檔案：檔案是相關記錄的集合。你可以把它想像成檔案櫃裡的一個抽屜，裡面裝有學校所有學生的索引卡。
例如：「Students.dat」檔案會包含陳大文、王小明、李美玲以及其他所有學生的記錄。
全貌：數據庫
- 數據庫：數據庫是相關檔案的有組織集合。它就是整個檔案櫃！它可能有一個學生檔案、一個教師檔案、一個課程檔案，還有一個考試成績檔案，它們全部都互相連結。
例如：學校數據庫會包含「學生」檔案、「教師」檔案和「課程」檔案。
層次結構圖：
數據庫 (整個學校系統)
└── 檔案 (例如：「學生」檔案)
└── 記錄 (例如：陳大文的所有資料)
└── 字段 (例如：他的「年齡」)
└── 數據 (例如：「17」)
數據層次結構的重點
記住這個從大到小的順序：數據庫 -> 檔案 -> 記錄 -> 字段。
記憶小秘訣：「數字檔案記得字！」—— 一句有點傻氣的句子，幫助你記住順序！
2. 檔案存取方法：尋找你的數據
好的，我們已經將數據整齊地組織在檔案中。但電腦究竟是如何讀取這些資訊的呢？主要有兩種方法，稱為檔案存取方法。
循序存取：卡式錄音帶方法
採用循序存取時，記錄會按特定順序（循序地）一個接一個地儲存和讀取。要存取中間的記錄，你必須先經過它之前的所有記錄。
類比：想像一下音樂卡式錄音帶。要聽第5首歌，你必須快轉跳過前四首歌。你無法直接跳到那首歌。
- 優點：
- 實施和理解起來都很簡單。
- 如果你需要處理檔案中的所有記錄（例如：計算每個客戶的每月電費單），效率會非常高。
- 可以使用簡單、廉價的儲存媒體，例如磁帶。
- 缺點：
- 如果你只需要檔案中間或結尾的某個特定記錄，速度會非常慢。
- 更新或刪除中間的記錄很困難；你通常需要重寫整個檔案。
- 應用：
- 薪資系統：逐一處理每位員工的薪資。
- 計費系統：為所有客戶生成公用事業費用賬單。
- 備份系統：數據只是按順序寫出。
直接存取（或隨機存取）：MP3播放器方法
採用直接存取時，電腦可以跳過之前的記錄，直接跳到檔案中的任何記錄。每條記錄都有一個唯一的地址（就像門牌號碼一樣），系統可以利用它即時找到記錄。
類比：想像一下MP3播放器或Spotify。你可以即時選擇並播放任何你想聽的歌曲，無論它在播放列表的哪個位置。你不需要先聽之前的歌曲。
- 優點：
- 檢索單個記錄的速度非常快。
- 輕鬆更新、新增或刪除單個記錄，而不影響檔案的其餘部分。
- 缺點：
- 設定起來更複雜。
- 如果你需要處理所有記錄，效率可能會較低，因為系統可能需要在儲存設備上四處跳轉。
- 需要更複雜的儲存設備，例如硬碟或固態硬碟（SSD）。
- 應用：
- 自動櫃員機（ATM）系統：即時查找你的銀行賬戶資料。
- 航班訂票系統：快速查詢航班供應情況或特定預訂。
- 線上數據庫：在購物網站上查找特定產品。
檔案存取方法的重點
循序存取 = 按順序，一個接一個。（單個慢，所有快）。
直接存取 = 直接跳到那裡。（單個快，所有可能不快）。
3. 數據控制的必要性：為何要勞心費神？
如果數據是錯的，它就毫無用處！想像一下自動櫃員機給錯錢，或者學校錯誤地記錄你的考試分數。那將會是一場災難。數據控制是指為確保數據滿足以下條件而實施的流程和程序：
- 準確性：數據是正確且沒有錯誤的。
- 實時性：數據是最新的。（例如：你的住址是新的，而不是舊的）。
- 安全性：數據受到保護，防止未經授權的存取或更改。
- 一致性：同一數據在所有儲存位置都保持相同。
如果沒有數據控制，基於數據所作的決策將不可靠，導致錯誤、經濟損失和混亂。這就是我們需要檢查和保護數據的原因。
數據控制的重點
數據控制就是為了維護數據的品質和完整性，使我們能夠信任它。它就像資訊的品質控制一樣。
4. 錯誤偵測與預防：數據的守護者
那麼，我們到底如何控制數據並保持其準確性呢？我們會使用幾種巧妙的技術來發現（偵測）和阻止（預防）錯誤。別擔心，即使一開始覺得有點難，我們也會用簡單的例子來解釋。
方法一：驗證（你確定嗎？）
驗證是一種通過檢查輸入系統的數據是否與原始來源相符來預防錯誤的過程。它通常是以人為主導的檢查，用於捕捉打字錯誤。
- 運作方式：由人工檢查數據，或者系統要求用戶輸入兩次。
- 目標：確保數據被正確複製或輸入。
- 例子一：當你註冊新帳戶時，表格會要求你重新輸入一次密碼以「確認密碼」。這就是驗證你第一次輸入時沒有打錯字。
- 例子二：辦公室文員從紙本表格讀取數據，然後要求同事核對螢幕上輸入的資料。這也是驗證。
方法二：確認（這合理嗎？）
確認是一種自動電腦檢查，用於確保輸入的數據合理、有意義並符合一組規則。電腦無法知道你的名字是否真的叫陳大文，但它可以檢查你輸入的年齡是否像200歲這樣離譜的數字。
- 運作方式：電腦程式在數據輸入時即時執行檢查。
- 目標：確保數據是可接受且符合邏輯的。
- 常見的確認檢查：
- 範圍檢查：檢查數字是否在某個範圍內。（例如：考試分數必須介乎0到100之間）。
- 類型檢查：檢查數據是否為正確的類型。（例如：「年齡」字段應只接受數字，而不接受字母）。
- 格式檢查：檢查數據是否符合正確的模式。（例如：香港身份證號碼必須是1個字母後接6個數字，然後一個括號內有校驗碼的格式，例如「A123456(7)」）。
- 存在檢查：檢查字段是否未留空。（例如：「電郵地址」字段不能為空）。
快速回顧：兩者的巨大區別！
這是一個非常常見的考試題目，讓我們把它弄清楚！
驗證：我是否輸入正確？（檢查打字錯誤）
確認：我輸入的內容合理嗎？（檢查邏輯錯誤）
例子：想像你正在輸入學生的考試分數。試卷上的原始分數是85。
- 如果你不小心輸入了58，驗證（例如核對）會發現這個錯誤。但確認不會，因為58是一個介乎0到100之間完全有效的分數。
- 如果你不小心輸入了850，確認（範圍檢查）會發現這個錯誤，因為它超出了0到100的範圍。
方法三：同位檢查（數位傳輸的快速檢查）
同位檢查是一種簡單的方法，用於偵測數據從一個地方傳輸到另一個地方時（例如：通過網絡或從鍵盤到電腦）的錯誤。它檢查在傳輸過程中是否有單個位元（1或0）意外地被翻轉。
運作方式 — 逐步指南：
電腦會預先約定使用偶同位或奇同位。
- 電腦計算一個數據位元組（通常是7或8個位元）中「1」的數量。
- 它在數據末尾添加一個額外的位元，稱為同位位元。
-
- 在偶同位模式下，同位位元會設定為1或0，使「1」的總數（包括同位位元）成為一個偶數。
- 在奇同位模式下，同位位元會設定為使「1」的總數成為一個奇數。
- 接收電腦計算「1」的數量。如果計數與預設的同位（偶數或奇數）不符，它就知道發生了錯誤！
讓我們看看數據 `1011001` 和偶同位模式的例子：
1. 計算 `1011001` 中「1」的數量：有四個「1」。
2. 四是偶數嗎？是的。
3. 設定同位位元：由於我們已經有偶數個「1」，我們添加一個 `0` 作為同位位元，以保持偶數。
4. 發送數據：`10110010`（「1」的總數 = 4，是偶數。一切正常！）
如果數據是 `1111001`，並且是偶同位模式呢？
1. 計算 `1111001` 中「1」的數量：有五個「1」。
2. 五是偶數嗎？不是。
3. 設定同位位元：我們需要使「1」的總數成為偶數，所以我們添加一個 `1` 作為同位位元。
4. 發送數據：`11110011`（「1」的總數 = 6，是偶數。完美！）
你知道嗎？同位檢查是一種基本的錯誤偵測方法。它速度快，但有一個弱點：如果兩個位元被翻轉，它就無法偵測到錯誤，因為同位位元看起來仍然是正確的！（例如：偶數個錯誤）。
錯誤控制的最終重點
驗證 = 人工檢查打字錯誤。
確認 = 電腦檢查邏輯合理性。
同位檢查 = 簡單的位元計數檢查，用於傳輸錯誤。