Hadoop学习笔记（六）：Hadoop读写文件时内部工作机制

读文件

 　　读文件时内部工作机制参看下图：

　　客户端通过调用FileSystem对象（对应于HDFS文件系统，调用DistributedFileSystem对象）的open()方法来打开文件（也即图中的第一步），DistributedFileSystem通过RPC（Remote Procedure Call）调用询问NameNode来得到此文件最开始几个block的文件位置（第二步）。对每一个block来说，namenode返回拥有此block备份的所有namenode的地址信息（按集群的拓扑网络中与客户端距离的远近排序，关于在Hadoop集群中如何进行网络拓扑请看下面介绍）。如果客户端本身就是一个datanode（如客户端是一个mapreduce任务）并且此datanode本身就有所需文件block的话，客户端便从本地读取文件。
　　以上步骤完成后，DistributedFileSystem会返回一个FSDataInputStream（支持文件seek），客户端可以从FSDataInputStream中读取数据。FSDataInputStream包装了一个DFSInputSteam类，用来处理namenode和datanode的I/O操作。
　　客户端然后执行read()方法（第三步），DFSInputStream（已经存储了欲读取文件的开始几个block的位置信息）连接到第一个datanode（也即最近的datanode）来获取数据。通过重复调用read()方法（第四、第五步），文件内的数据就被流式的送到了客户端。当读到该block的末尾时，DFSInputStream就会关闭指向该block的流，转而找到下一个block的位置信息然后重复调用read()方法继续对该block的流式读取。这些过程对于用户来说都是透明的，在用户看来这就是不间断的流式读取整个文件。
　　当真个文件读取完毕时，客户端调用FSDataInputSteam中的close（）方法关闭文件输入流（第六步）。
　　如果在读某个block是DFSInputStream检测到错误，DFSInputSteam就会连接下一个datanode以获取此block的其他备份，同时他会记录下以前检测到的坏掉的datanode以免以后再无用的重复读取该datanode。DFSInputSteam也会检查从datanode读取来的数据的校验和，如果发现有数据损坏，它会把坏掉的block报告给namenode同时重新读取其他datanode上的其他block备份。
　　这种设计模式的一个好处是，文件读取是遍布这个集群的datanode的，namenode只是提供文件block的位置信息，这些信息所需的带宽是很少的，这样便有效的避免了单点瓶颈问题从而可以更大的扩充集群的规模。

Hadoop中的网络拓扑

在Hadoop集群中如何衡量两个节点的远近呢？要知道，在高速处理数据时，数据处理速率的唯一限制因素就是数据在不同节点间的传输速度：这是由带宽的可怕匮乏引起的。所以我们把带宽作为衡量两个节点距离大小的标准。
但是计算两个节点之间的带宽是比较复杂的，而且它需要在一个静态的集群下才能衡量，但Hadoop集群一般是随着数据处理的规模动态变化的（且两两节点直接相连的连接数是节点数的平方）。于是Hadoop使用了一个简单的方法来衡量距离，它把集群内的网络表示成一个树结构，两个节点之间的距离就是他们离共同祖先节点的距离之和。树一般按数据中心(datacenter)，机架(rack)，计算节点(datanode)的结构组织。计算节点上的本地运算速度最快，跨数据中心的计算速度最慢（现在跨数据中心的Hadoop集群用的还很少，一般都是在一个数据中心内做运算的）。
假如有个计算节点n1处在数据中心c1的机架r1上，它可以表示为/c1/r1/n1，下面是不同情况下两个节点的距离：
• distance(/d1/r1/n1, /d1/r1/n1) = 0 (processes on the same node)
• distance(/d1/r1/n1, /d1/r1/n2) = 2 (different nodes on the same rack)
• distance(/d1/r1/n1, /d1/r2/n3) = 4 (nodes on different racks in the same data center)
• distance(/d1/r1/n1, /d2/r3/n4) = 6 (nodes in different data centers)
如下图所示：

　　

写文件

　　现在我们来看一下Hadoop中的写文件机制解析，通过写文件机制我们可以更好的了解一下Hadoop中的一致性模型。

　　上图为我们展示了一个创建一个新文件并向其中写数据的例子。
　　首先客户端通过DistributedFileSystem上的create()方法指明一个欲创建的文件的文件名（第一步），DistributedFileSystem再通过RPC调用向NameNode申请创建一个新文件（第二步，这时该文件还没有分配相应的block）。namenode检查是否有同名文件存在以及用户是否有相应的创建权限，如果检查通过，namenode会为该文件创建一个新的记录，否则的话文件创建失败，客户端得到一个IOException异常。DistributedFileSystem返回一个FSDataOutputStream以供客户端写入数据，与FSDataInputStream类似，FSDataOutputStream封装了一个DFSOutputStream用于处理namenode与datanode之间的通信。
　　当客户端开始写数据时（第三步），DFSOutputStream把写入的数据分成包（packet）, 放入一个中间队列——数据队列（data queue）中去。DataStreamer从数据队列中取数据，同时向namenode申请一个新的block来存放它已经取得的数据。namenode选择一系列合适的datanode（个数由文件的replica数决定）构成一个管道线（pipeline），这里我们假设replica为3，所以管道线中就有三个datanode。DataSteamer把数据流式的写入到管道线中的第一个datanode中（第四步），第一个datanode再把接收到的数据转到第二个datanode中（第四步），以此类推。
　　DFSOutputStream同时也维护着另一个中间队列——确认队列（ack queue），确认队列中的包只有在得到管道线中所有的datanode的确认以后才会被移出确认队列（第五步）。
　　如果某个datanode在写数据的时候当掉了，下面这些对用户透明的步骤会被执行：
　　1）管道线关闭，所有确认队列上的数据会被挪到数据队列的首部重新发送，这样可以确保管道线中当掉的datanode下流的datanode不会因为当掉的datanode而丢失数据包。
　　2）在还在正常运行的datanode上的当前block上做一个标志，这样当当掉的datanode重新启动以后namenode就会知道该datanode上哪个block是刚才当机时残留下的局部损坏block，从而可以把它删掉。
　　3）已经当掉的datanode从管道线中被移除，未写完的block的其他数据继续被写入到其他两个还在正常运行的datanode中去，namenode知道这个block还处在under-replicated状态（也即备份数不足的状态）下，然后他会安排一个新的replica从而达到要求的备份数，后续的block写入方法同前面正常时候一样。
　　有可能管道线中的多个datanode当掉（虽然不太经常发生），但只要dfs.replication.min（默认为1）个replica被创建，我们就认为该创建成功了。剩余的replica会在以后异步创建以达到指定的replica数。
　　当客户端完成写数据后，它会调用close()方法（第六步）。这个操作会冲洗（flush）所有剩下的package到pipeline中，等待这些package确认成功，然后通知namenode写入文件成功（第七步）。这时候namenode就知道该文件由哪些block组成（因为DataStreamer向namenode请求分配新block，namenode当然会知道它分配过哪些blcok给给定文件），它会等待最少的replica数被创建，然后成功返回。

replica是如何分布的

Hadoop在创建新文件时是如何选择block的位置的呢，综合来说，要考虑以下因素：带宽（包括写带宽和读带宽）和数据安全性。如果我们把三个备份全部放在一个datanode上，虽然可以避免了写带宽的消耗，但几乎没有提供数据冗余带来的安全性，因为如果这个datanode当机，那么这个文件的所有数据就全部丢失了。另一个极端情况是，如果把三个冗余备份全部放在不同的机架，甚至数据中心里面，虽然这样数据会安全，但写数据会消耗很多的带宽。Hadoop 0.17.0给我们提供了一个默认replica分配策略（Hadoop 1.X以后允许replica策略是可插拔的，也就是你可以自己制定自己需要的replica分配策略）。replica的默认分配策略是把第一个备份放在与客户端相同的datanode上（如果客户端在集群外运行，就随机选取一个datanode来存放第一个replica），第二个replica放在与第一个replica不同机架的一个随机datanode上，第三个replica放在与第二个replica相同机架的随机datanode上。如果replica数大于三，则随后的replica在集群中随机存放，Hadoop会尽量避免过多的replica存放在同一个机架上。选取replica的放置位置后，管道线的网络拓扑结构如下所示：

总体来说，上述默认的replica分配策略给了我们很好的可用性（blocks放置在两个rack上，较为安全），写带宽优化（写数据只需要跨越一个rack），读带宽优化（你可以从两个机架中选择较近的一个读取）。

一致性模型

　　HDFS某些地方为了性能可能会不符合POSIX（是的，你没有看错，POSIX不仅仅只适用于linux/unix，Hadoop 使用了POSIX的设计来实现对文件系统文件流的读取），所以它看起来可能与你所期望的不同，要注意。
　　创建了一个文件以后，它是可以在命名空间（namespace）中可以看到的：
　　　　Path p = new Path("p");
　　　　fs.create(p);
　　　　assertThat(fs.exists(p), is(true));
　　但是任何向此文件中写入的数据并不能保证是可见的，即使你flush了已经写入的数据，此文件的长度可能仍然为零：
　　　　Path p = new Path("p");
　　　　OutputStream out = fs.create(p);
　　　　out.write("content".getBytes("UTF-8"));
　　　　out.flush();
　　　　assertThat(fs.getFileStatus(p).getLen(), is(0L));
　　这是因为，在Hadoop中，只有满一个block数据量的数据被写入文件后，此文件中的内容才是可见的（即这些数据会被写入到硬盘中去），所以当前正在写的block中的内容总是不可见的。
　　Hadoop提供了一种强制使buffer中的内容冲洗到datanode的方法，那就是FSDataOutputStream的sync()方法。调用了sync()方法后，Hadoop保证所有已经被写入的数据都被冲洗到了管道线中的datanode中，并且对所有读者都可见了：
　　　　Path p = new Path("p");
　　　　FSDataOutputStream out = fs.create(p);
　　　　out.write("content".getBytes("UTF-8"));
　　　　out.flush();
　　　　out.sync();
　　　　assertThat(fs.getFileStatus(p).getLen(), is(((long) "content".length())));
　　这个方法就像POSIX中的fsync系统调用（它冲洗给定文件描述符中的所有缓冲数据到磁盘中）。例如，使用java API写一个本地文件，我们可以保证在调用flush()和同步化后可以看到已写入的内容：
　　　　FileOutputStream out = new FileOutputStream(localFile);
　　　　out.write("content".getBytes("UTF-8"));
　　　　out.flush(); // flush to operating system
　　　　out.getFD().sync(); // sync to disk（getFD()返回与该流所对应的文件描述符）
　　　　assertThat(localFile.length(), is(((long) "content".length())));
　　在HDFS中关闭一个流隐式的调用了sync()方法：
　　　　Path p = new Path("p");
　　　　OutputStream out = fs.create(p);
　　　　out.write("content".getBytes("UTF-8"));
　　　　out.close();
　　　　assertThat(fs.getFileStatus(p).getLen(), is(((long) "content".length())));

　　由于Hadoop中的一致性模型限制，如果我们不调用sync()方法的话，我们很可能会丢失多大一个block的数据。这是难以接受的，所以我们应该使用sync()方法来确保数据已经写入磁盘。但频繁调用sync()方法也是不好的，因为会造成很多额外开销。我们可以再写入一定量数据后调用sync()方法一次，至于这个具体的数据量大小就要根据你的应用程序而定了，在不影响你的应用程序的性能的情况下，这个数据量应越大越好。

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