Разработка автоматизированной информационной системы: Методология и реализация CRUD-операций с типизированными файлами в Free Pascal (Lazarus)

1. Введение: Актуальность задачи и теоретические основы

Программирование структур данных является краеугольным камнем технического образования, а задача эффективного хранения и обработки информации на внешних носителях остается одной из самых актуальных в прикладной информатике. В рамках данной курсовой работы рассматривается разработка прототипа автоматизированной информационной системы (АИС) учета сотрудников, ключевой особенностью которой является использование нативных файловых механизмов языка Pascal (в среде Free Pascal/Lazarus) для работы со структурированными данными. Понимание этих механизмов, а не только готовых решений, обеспечивает специалисту уверенность в работе с любыми системами.

Выбор низкоуровневых файловых операций, а не готовых СУБД, позволяет студенту глубоко изучить принципы организации прямого доступа, управления физическим расположением данных и ручной оптимизации алгоритмов. Это формирует прочный фундамент понимания того, как работают системы управления данными на базовом уровне, и что, по сути, представляет собой любая современная система управления базами данных (СУБД).

Определение ключевых терминов

Для построения аналитической и программной части работы необходимо четко определить терминологию, на которой базируется вся логика:

• Файл: В контексте операционных систем и Pascal, файл — это именованная область внешней памяти (диска), представляющая собой упорядоченную совокупность произвольного числа однотипных компонент. Файл выступает как канал для потоковой передачи данных между оперативной памятью и внешним носителем.
• Запись (Record): Это структурированный тип данных, состоящий из фиксированного числа логически связанных компонент, называемых полями. Каждое поле может иметь свой собственный тип. В нашем случае, запись (TEmpRec) будет хранить всю информацию об одном сотруднике.
• Поток данных: Абстрактное понятие, используемое для описания процесса передачи данных. В Pascal файловые переменные (например, f: file of TEmpRec) являются связующим звеном, или потоком, между программной логикой и физическим файлом на диске.

2. Проектирование структуры данных и обоснование выбора файлового типа

Успех любой системы обработки данных зависит от адекватного выбора способа их хранения. Для курсовой работы, требующей реализации быстрого поиска, обновления и удаления, критически важным является обеспечение возможности прямого доступа к записям.

2.1. Классификация файлов и техническое преимущество типизированного формата

В языке Pascal/Free Pascal традиционно поддерживается три основных класса файлов, каждый из которых имеет свое назначение:

Тип Файла	Описание	Основное назначение	Преимущества для АИС
Текстовый (TextFile/text)	Последовательность символов, организованных в строки.	Хранение текстовой информации, логов, конфигурационных файлов.	Человекочитаемость, универсальность.
Типизированный (file of <тип>)	Последовательность компонент (записей) фиксированного размера.	Хранение структурированных двоичных данных.	Прямой доступ, высокая скорость I/O.
Нетипизированный (file)	Последовательность байтов.	Низкоуровневая работа с секторами, копирование блоков памяти.	Максимальная скорость, прямое управление буфером.

Обоснование выбора типизированного файла:

Типизированный файл является единственным из трех типов, который позволяет реализовать прямой доступ к произвольной записи. Это возможно благодаря тому, что все компоненты (записи) имеют одинаковую, фиксированную длину в байтах. Только при фиксированной длине программа может мгновенно рассчитать физическое смещение нужной записи на диске.

Ключевое техническое преимущество: Высокая скорость ввода-вывода достигается за счет отсутствия необходимости преобразования внутреннего двоичного представления данных (например, Real или LongInt) в текстовое строковое представление (ASCII/UTF-8) и обратно при каждой операции, что неизбежно для текстовых файлов. Типизированный файл считывает или записывает блок байтов, который напрямую соответствует структуре памяти (типу Record).

2.2. Определение записи о сотруднике и элемент логического контроля

Структура данных должна быть спроектирована с учетом требований к файлам фиксированной длины. В Free Pascal это означает, что строковые поля должны быть явно определены как фиксированная длина (string[N]) или ShortString, чтобы обеспечить предсказуемый размер записи. Использование динамических строк (AnsiString) в качестве компонентов типизированного файла не рекомендуется, поскольку они хранят указатели на динамическую память, нарушая принцип фиксированного размера записи.

Для нашей системы учета сотрудников (АИС) вводится тип TEmpRec:

Type
  TEmpRec = record
    EmpID: LongInt;          // Уникальный ID сотрудника (ключ для поиска)
    Name: string[50];        // ФИО сотрудника (фиксированная длина 50 символов)
    Position: string[30];    // Должность (фиксированная длина 30 символов)
    Salary: Real;            // Оклад
    Deleted: Boolean;        // Поле для логического удаления
  end;

var
  EmpFile: file of TEmpRec;

Элемент логического контроля: Введение поля Deleted: Boolean является критически важным для академически корректной реализации операции удаления. Поскольку в файловой системе Pascal отсутствует нативный оператор для удаления записи с физическим сдвигом всех последующих записей, мы используем этот флаг для логического удаления. Программа при чтении или обработке записей должна игнорировать те, у которых Deleted = True. Из этого следует, что логическое удаление требует последующей периодической процедуры сжатия файла для физического удаления неактуальных данных и освобождения места на диске.

3. Алгоритмическая реализация базовых операций (CRUD)

CRUD (Create, Read, Update, Delete) — это набор фундаментальных операций, которые должен поддерживать любой программный комплекс по работе с данными. Реализация этих операций с типизированными файлами требует строгого соблюдения синтаксиса и логики прямого доступа.

3.1. Инициализация и операции Создания/Чтения (Create & Sequential Read)

Работа с любым файлом начинается с его связывания с файловой переменной и последующего открытия.

1. Связывание: AssignFile(EmpFile, ‘staff_data.dat’);
2. Открытие для записи (Создание): Если файл нужно создать или перезаписать, используется Rewrite(EmpFile).
3. Открытие для чтения/добавления: Если файл уже существует, используется Reset(EmpFile). Указатель файла устанавливается на начало.

Операции записи (Create): Добавление новой записи всегда происходит в конец файла (при открытии через Reset или Rewrite, если указатель смещен к концу с помощью Seek(EmpFile, FileSize(EmpFile))).

procedure AddRecord(const Rec: TEmpRec);
begin
  AssignFile(EmpFile, 'staff_data.dat');
  {$I-} // Отключение проверки ошибок для ручной обработки
  Reset(EmpFile);
  if IOResult <> 0 then // Если файл не существует, создаем
    Rewrite(EmpFile);
  {$I+}

  // Перемещаем указатель в конец файла для добавления
  Seek(EmpFile, FileSize(EmpFile));
  Write(EmpFile, Rec);
  CloseFile(EmpFile);
end;

Операции последовательного чтения (Sequential Read): Используются для вывода полного списка данных.

procedure DisplayAllRecords;
var
  CurrentRec: TEmpRec;
begin
  AssignFile(EmpFile, 'staff_data.dat');
  Reset(EmpFile);
  while not EOF(EmpFile) do
  begin
    Read(EmpFile, CurrentRec);
    // Игнорируем логически удаленные записи
    if not CurrentRec.Deleted then
    begin
      // Вывод данных CurrentRec
    end;
  end;
  CloseFile(EmpFile);
end;

3.2. Алгоритм прямого обновления (Update)

Обновление существующей записи требует прямого доступа к ее физическому местоположению. Центральной процедурой здесь является Seek(f, N).

Техническая основа процедуры Seek: Смещение указателя в байтах для процедуры Seek(f, N) рассчитывается операционной системой на основе фиксированной длины компонента. Фактическая физическая позиция в байтах = N × Размер_{компонента}, где N — номер компонента (отсчет с 0), а Размер_{компонента} определяется функцией SizeOf(TEmpRec).

Подробный алгоритм обновления:

1. Определить номер записи N, которую необходимо обновить (например, по ID, найдя ее позицию в файле).
2. Открыть файл: Reset(EmpFile).
3. Перевести указатель на позицию N: Seek(EmpFile, N).
4. Считать запись в буферную переменную в памяти: Read(EmpFile, TempRec).
5. Модифицировать поля TempRec (например, изменить оклад).
6. Снова перевести указатель на позицию N (поскольку Read сдвинул его на N+1): Seek(EmpFile, N).
7. Записать модифицированную переменную обратно в файл: Write(EmpFile, TempRec).
8. Закрыть файл: CloseFile(EmpFile).

3.3. Реализация логического удаления записи (Delete)

Поскольку прямое физическое удаление записи из типизированного файла без перезаписи всего оставшегося содержимого невозможно (это нарушило бы принцип прямого доступа, сместив все последующие записи), в курсовой работе используется метод логического удаления.

Метод заключается в пометке записи как неактуальной, без ее физического удаления:

1. Определить номер записи N, которую нужно "удалить".
2. Использовать прямой доступ (Seek(EmpFile, N)) для перехода к записи.
3. Считать запись: Read(EmpFile, TempRec).
4. Установить поле-флаг: TempRec.Deleted := True.
5. Вернуть указатель на ту же позицию: Seek(EmpFile, N).
6. Перезаписать запись с установленным флагом: Write(EmpFile, TempRec).

Физическое удаление (Сжатие файла): Периодически система должна выполнять процедуру "сжатия" (garbage collection), которая создает новый временный файл, последовательно копирует в него только те записи, у которых Deleted = False, а затем переименовывает временный файл, заменяя исходный. Эта операция трудоемка и выполняется редко, но является жизненно необходимой для поддержания оптимального размера файла.

4. Оптимизация и академическое обоснование: Индексирование

Для курсовой работы, претендующей на высокий балл, необходимо продемонстрировать понимание алгоритмической эффективности. При работе с файлами, содержащими тысячи записей, неэффективный поиск становится критическим узким местом. Как же обеспечить мгновенный доступ к данным, не прибегая к мощным СУБД?

4.1. Сравнительный анализ сложности алгоритмов поиска

Нативный последовательный перебор файла (как в примере DisplayAllRecords) имеет предсказуемую, но низкую эффективность.

• Последовательный поиск (Brute-Force): Временная сложность O(n).

  Обоснование: В худшем случае (когда искомая запись находится в конце или отсутствует) программе придется прочитать n записей. Это означает, что время поиска растет линейно с увеличением количества записей (n).

Переход к индексным методам позволяет резко снизить сложность, приближаясь к эффективности поиска в сбалансированных структурах данных, таких как B-деревья, используемых в промышленных СУБД.

• Индексный поиск с двоичным поиском: Временная сложность O(log₂n).

  Обоснование: Если индексный файл отсортирован по ключевому полю (например, EmpID), мы можем применить двоичный поиск, который на каждом шаге делит область поиска пополам. Для файла, содержащего 1 миллион записей (n = 10⁶), последовательный поиск потребует до 10⁶ операций, тогда как двоичный поиск — всего log₂(10⁶) ≈ 20 операций. Это обеспечивает значительное преимущество в скорости.

4.2. Механизм построения и использования индексного файла

Индексирование — это процесс создания вспомогательной структуры, которая обеспечивает быстрый доступ к данным.

Структура индексного файла: Создается второй типизированный файл (например, EmpIndexFile: file of TIndexRec), где TIndexRec содержит только два ключевых поля:

Type
  TIndexRec = record
    KeyID: LongInt;          // Ключевое поле (например, EmpID)
    RecordNumber: LongInt;   // Позиция записи в основном файле (отсчет с 0)
  end;

Алгоритм поиска с использованием индекса:

1. Загрузить содержимое индексного файла (EmpIndexFile) в оперативную память (например, в динамический массив или список записей) при старте программы, поскольку индексный файл значительно меньше основного.
2. Выполнить быстрый двоичный поиск по полю KeyID в массиве, находящемся в памяти.
3. Если ключ найден, получить соответствующее значение RecordNumber (позицию записи).
4. Использовать это число в процедуре прямого доступа к основному файлу: Seek(EmpFile, RecordNumber).
5. Считать искомую запись: Read(EmpFile, ResultRec).

Таким образом, дорогостоящая операция поиска, требующая множества дисковых операций в основном файле, заменяется на одну быструю операцию Seek после молниеносного поиска в памяти.

5. Архитектура программного комплекса и сравнение систем

Разработка в среде Lazarus (современная IDE для Free Pascal) требует применения принципов модульного программирования для создания сопровождаемого и структурированного проекта.

5.1. Модульная архитектура проекта в Lazarus

Для курсовой работы, посвященной АИС, рекомендуется следующая модульная структура, которая соответствует стандартам разработки ПО:

Модуль	Назначение	Ключевые элементы
DataTypes.pas	Определение всех структур данных и глобальных типов.	TEmpRec, TIndexRec, файловые переменные (EmpFile, EmpIndexFile).
FileHandler.pas	Инкапсуляция всей логики работы с файлами.	Процедуры AddRecord, UpdateRecord, DeleteRecord, FindRecordByID, BuildIndex и обработка ошибок I/O.
MainUnit.pas	Модуль формы (GUI/Интерфейс).	Визуальные компоненты (кнопки, таблицы), обработчики событий, вызовы процедур из FileHandler.pas.

Такое разделение повышает читаемость кода, позволяет легко тестировать бизнес-логику независимо от пользовательского интерфейса и соответствует требованиям академического проектирования. Все файловые операции, включая AssignFile, Reset, Rewrite, Seek, должны быть инкапсулированы внутри модуля FileHandler.pas.

5.2. Сравнительный анализ: Нативные файлы Pascal vs. СУБД (Access/Excel)

В технической части курсовой работы важно провести сравнительный анализ, чтобы позиционировать разработанный продукт.

Типизированные файлы Pascal представляют собой низкоуровневую систему хранения, тогда как Access (Microsoft Access Database) или Excel (как хранилище данных) являются высокоуровневыми инструментами или полноценными системами управления базами данных (СУБД).

Характеристика	Типизированные Файлы Pascal	СУБД (Access, MySQL)
Скорость I/O	Максимальная, за счет прямого двоичного чтения/записи.	Высокая, но с накладными расходами на транзакции и буферизацию.
Целостность данных	Низкая; требуется ручная реализация проверок и обработки ошибок (IOResult).	Высокая; встроенная поддержка реляционных ограничений, первичных и внешних ключей.
Язык запросов	Отсутствует; все операции (фильтрация, сортировка) должны быть написаны алгоритмически на Pascal.	Присутствует декларативный язык запросов (SQL).
Многопользовательский доступ	Отсутствует; требуется низкоуровневая ручная реализация блокировок (fpFlock или OS API).	Встроенная поддержка, автоматическое управление транзакциями и блокировками.
Развертывание	Простота; не требуется установка внешнего сервера.	Требуется установка сервера или внешнего компонента (например, MS Access).

Вывод для курсовой работы: Курсовой проект, основанный на типизированных файлах, демонстрирует максимальный контроль над хранением данных и высокую скорость, что является идеальным решением для однопользовательских систем с ограниченными ресурсами. Однако, он не подходит для корпоративных решений, где критически важны многопользовательский доступ, транзакции и встроенная реляционная целостность, которые обеспечиваются СУБД. Именно поэтому изучение нативных файловых механизмов позволяет понять, какие именно слои абстракции добавляют промышленные решения.

Заключение: План реализации и ожидаемые результаты

На основе разработанной методологии студент получает четкий и академически обоснованный план реализации курсовой работы.

Ключевые этапы реализации:

1. Проектирование: Определение структур TEmpRec и TIndexRec с учетом фиксированной длины полей.
2. Модульность: Создание трех ключевых модулей (DataTypes, FileHandler, MainUnit).
3. CRUD-логика: Реализация процедур AssignFile, Reset, Rewrite, Read, Write и, главное, Seek для обеспечения прямого доступа при обновлении и логическом удалении.
4. Оптимизация: Реализация алгоритма построения и использования индексного файла с применением двоичного поиска для ускорения операций.
5. Интерфейс: Разработка GUI в Lazarus для визуализации данных (например, использование компонента StringGrid или DBGrid с ручной привязкой к данным).
6. Тестирование: Проведение тестирования производительности путем замера времени выполнения операций последовательного и индексного поиска на файлах различного объема (например, 1000, 10000, 50000 записей) для демонстрации эффективности O(log₂n) по сравнению с O(n).

Реализация данной методологии позволит создать полноценную, эффективную программу для обработки структурированных данных, которая не только соответствует техническим требованиям, но и демонстрирует глубокое понимание структур данных, алгоритмов и архитектуры программного обеспечения, что является основной целью курсовой работы.

Список использованной литературы

1. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. Г. Численные методы. Москва: Лаборатория Базовых Знаний, 2008. 640 с.
2. Буслов В. А., Яковлев С. Л. Численные методы II. Решение уравнений. Курс лекций. Санкт-Петербург: СПбГУ, Физ. фак. Каф. Выч. Физ., 2001. 44 с.
3. Васильев А., Андреев А. VBA в Office 2000. Санкт-Петербург: Питер, 2001. 432 с.
4. Вержбицкий В.М. Основы численных методов. Москва: Высшая школа, 2002. 840 с.
5. Волков Е. А. Численные методы. Санкт-Петербург: Лань, 2004. 256 с.
6. Гарнаев А. Самоучитель VBA. Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2004. 542 с.
7. Программирование на Lazarus. Лекция 21: Файлы. URL: http://www.intuit.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
8. Record/ru. URL: https://wiki.freepascal.org/Record/ru (дата обращения: 24.10.2025).
9. Типизированные файлы — Основы программирования | Язык Паскаль. URL: https://pas1.ru (дата обращения: 24.10.2025).
10. Файловый ввод-вывод (Паскаль): Типизированные файлы. URL: http://www.informatics.msk.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
11. Структура проекта Lazarus. URL: https://lazarus-studio.ru (дата обращения: 24.10.2025).
12. Паскаль: Занятие № 12 Часть2. Работа с файлами в паскале (типизированные файлы). URL: http://labs-org.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
13. Типизированные файлы — Pascal — Online учебник по Pascal. URL: http://edusite.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
14. Изучаем Паскаль. Файлы. URL: http://www.vspu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
15. File Handling In Pascal/ru. URL: https://wiki.freepascal.org/File_Handling_In_Pascal/ru (дата обращения: 24.10.2025).
16. ЛЕКЦИЯ 1. Файловые системы. Понятие СУБД. Функции СУБД. URL: http://www.donnu.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
17. Программирование на Lazarus. Структура программ Lazarus. URL: http://studfile.net/ (дата обращения: 24.10.2025).
18. Типизированные файлы. Бестиповые файлы. URL: http://appmat.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
19. Pascal: что это за язык программирования, где применяется, особенности. URL: https://skillfactory.ru/ (дата обращения: 24.10.2025).
20. Записи (Record) — Основы программирования | Язык Паскаль. URL: https://pas1.ru (дата обращения: 24.10.2025).