[大数据]Hadoop权威指南笔记3——第三章：Hadoop分布式文件系统

第3章： Hadoop分布式文件系统

? 如果文件太大，那么一台机器肯定存不下，所以需要进行分块存储到不同的机器上。这就需要用到网络通信，同时保证文件不丢失。

? Hadoop的HDFS则实现了分布式存储。

? 本章具体介绍HDFS，以及其他的存储系统（本地文件系统、Amazon S3系统）

3.1 HDFS的设计

? HDFS以流数据访问模式来存储超大文件，运行于商业硬件集群上

? 下面具体解释上述句子中的各个词语的含义

（1）超大文件： MB，GB，TB甚至PB级别的文件。Hadoop都可以存储

（2）流式数据访问：

? 其基本思路为：一次写入、多次读取。所以读取更加频繁，所以读取的速度直接影响用户的体验。

（3）商用硬件：

? Hadoop并不需要运行在昂贵的硬件上，只需要运行在商用硬件（普通硬件）上。

? 这因为如此，故障率会很高，所以需要容错机制，让用户感觉不到故障。

（4）非低时间延迟的数据访问：

? HDFS不适合低延迟访问，无法在短时间（几十毫秒）内完成访问

? 对于低延迟访问，HBase是一个更好的选择

（5）大量的小文件：

? namenode的花名册记录了该集群所有分块文件的信息。

? 因此集群中分块的数量由namenode文件系统的容量决定。

? 如果有100万个数据库，那么namenode至少需要300MB内存，如果是数十亿，那么就无法完成了。

（6）不支持多用户写入，任意修改文件

? HDFS只允许单用户写入

? HDFS只允许添加，不允许修改。

3.2 HDFS的概念

3.2.1 数据块

? 在操作系统中，每个磁盘都会有默认的块大小，是磁盘写入（读取）数据的最小单位。

? HDFS也有块的概念，但是大得多，默认为128MB。将一个大文件分为若干块（chunk），作为独立的存储单元。

? 如果这个文件小于128MB，那么他是不会占用128MB的空间，只会是原来的大小。（如一个1MB的文件存储在128MB的块中，也是1MB）

? 使用块的好处一：任意的大文件都可以拆分成多个块，然后存储到不同的磁盘上。

? 使用块的好处二：使用固定大小的块，简化系统的设计，更容易管理和存储。

? 使用块的好处三：固定的块适合于备份提高容错能力。一般来说同一个块会存在3台不同的机器上

? 查看块信息的命令% hdfs fsck / -files -blocks

3.2.2 namenode 和 datanode

• HDFS集群有两类节点，一个namenode(管理节点)，多个datanode（工作节点）

• namenode：管理文件系统的命名空间。 维护文件系统树，该树内的所有文件和目录。

• namenode的系统信息以2个文件的形式保存，分别是（1）命名空间镜像文件（2）编辑日志文件

• namenode记录每个文件的块信息，但并不永久保存，系统重新启动后就会重新构建。

• namenode十分重要，如果namenode损坏，那么文件系统的所有文件将丢失。

• 客户端并不需要知道namenode是哪一个，根据接口就可以执行访问系统

• datanode：文件系统的工作节点，根据需要存储和检索数据块，并定期向namenode发送当前节点的块信息。

• Hadoop为namenode提供两种容错机制，防止namenode损坏。

  （1）备份namenode，在多个文件系统中保存元信息。

  （2）辅助namenode（secondaryNameNode)，该辅助定期合并编辑日志与命名空间镜像两个文件，防止编辑日志过大。

  ? 该辅助一般在单独的计算机上运行。该辅助会保存命名空间的副本，并在namenode发送故障时启用。

  ? 但是，辅助的状态落后于namenode，所以namenode失效后难免会丢失部分数据。将远程挂载的网络文件系统（NFS）上的namenode信息复制到辅助namenode（secondaryNameNode）作为新的namenode运行

  （3）使用高可用集群，在3.2.5 有详细的讨论

3.2.3 块缓存

? 通常，datanode都是从磁盘读取文件

? 但是如果某文件访问频繁，则可以被缓存在datanode的内存中，以堆外存缓存的形式存在。

? 通常情况，一个块只会缓存在一个datanode内存中，也可以通过配置文件修改缓存在datanode的数量。

? MapReduce、Spark等 可以通过缓存块，来提高运行速度。比如连接（join）就是一个很好的候选

? 用户通过缓存池（cache poole) 增加一个cache directive 来告诉namenode需要缓存哪些文件，以及缓存的时间。

3.2.4 联邦HDFS

? namenode的内存中保存着元数据，这个数据指明系统中的文件以及对于的块。

? 这也意味着namenode的内存大小限制了集群的数量。

? Hadoop2.x引入了联邦HDFS，将多个namenode组成一个联邦，联邦中的每个namenode管理命名空间的一部分，比如一个namenode可能管理/user下的所有文件，另一个namenode可能管理/share下的所有文件。

? 联邦中的每个namenode维护一个命名空间卷（namespace volume)。命名空间卷之间相互独立，互不通信。

? 每个命名空间卷由两部分组成（1）命名空间的元数据（2）一个数据块池（block pool)

? 数据池块不再切分，集群中的datanode需要注册到每个namenode，并且存储着来自多个数据池块中的数据块。换句话说，一个datanode由多个namenode管着，同样一个namenode管理多个datanode。

? 若要访问联邦HDFS集群，则需要使用客户端挂载数据将文件路径映射到namenode，通过ViewFileSystem和viewfs://URI 进行配置和管理

3.2.5 HDFS的高可用性

高可用HA之前存在的问题

? 通过备份namenode元数据和通过备用secondaryNameNode依然无法实现系统的高可用。

? 在上述情况，如果namenode失效了，那么所有的客户端，MapReduce都将停止。必须要重新配置一个namenode，再启动才行。该过程称为冷启动

? 重新配置namenode(冷启动)需要的过程（1）将命名空间导入内存（2）重新执行编辑日志（3）接收多个来自datanode的数据块报告，并退出安全模式。

HA高可用

? 针对上述问题，Hadoop2增加了对HDFS的高可用性（HA）。

? 在高可用中配置了active（活动）和standby（备用）两个namenode。当active的namenode失效，standby的namenode会立马接管。 这过程用户无法察觉到明显的中断。

HA在架构上的修改

? （1）namenode之间的编辑日志时共享的，所以当standby的namenode接管后，直接读取共享的编辑日志，以实现namenode的状态同步。

? （2）datanaode需要同时向两个namenode发送块信息。因为块信息存储在namenode的内存中

? （3）客户端要使用特定的方式处理namenode失效问题，且该方式对用户是透明的

? （4）standby的namenode同样包含辅助namenode(SecondaryNameNode)

? （5）standy的namenode为active的namenode进行定期检查命名空间。

? 对于上述点（1）编辑日志的共享存储，可以有两种选择。一种是NFS过滤器，另一种是日志管理器（QJM）。QJM是用HDFS实现，并且专门为共享编辑日志而设计的。

? 对于QJM，以一组日志节点（journal）的形式运行，每次编辑都写入多个日志节点，这样就可以防止数据彻底丢失。QJM的实现没有使用Zookeeper，但是工作方式与Zookeeper类似。

备用namenode为什么快速接管

? 活动（active）的namenode失效后，备用（standby）的namenode能够在几十秒内接管任务。

? 因为最小的状态存储在内存中：包括最新的编辑日志条目和最新的数据块映射信息。

? namenode失效后，备用并不会立马顶上，因为系统要确保namenode是否真的失效了。

? 若活动（active）的namenode和备用（standby）的namenode都失效后，依然可以声明一个namenode进行冷启动。

故障切换与规避

? 系统中有一个新实体，称为故障转移控制器（failover controller），管理着将活动namenode转移为备用namenode的过程

? 有多种故障转移控制器，但默认的是使用Zookeeper来确保有且仅有一个活动的namenode。

? 每个namenode都运行一个轻量级故障转移器，监视宿主namenode是否失效，并在失效的时候进行故障切换。

? 管理员可以手动发起故障转移，称之为”平稳的故障“，来致使namenode有序地切换角色。

当系统误以为namenode失效

? 如果当前网速非常慢，导致系统误以为namenode已经停止工作，从而引起故障转移。但之前的namenode并没有停止工作，高可用用规避的方式来确保运行的namenode不会危害系统。

? 同一时间QJM只允许一个namenode向编辑日志写入数据。为了防止之前活动的namenode继续运行，可以使用SSH杀死namenode的进程。

? 客户端的故障转移可以通过客户端类库实现透明处理。通过配置文件等信息来实现故障转移的控制。

3.3 命令行接口

? 通过命令行接口进一步认识HDFS

配置伪分布式配置文件

? （1）属性一：fs.defaultFS 设置为 hdfs://localhost/

? 用户设置Hadoop默认文件系统。 HDFS的守护进程通过该属性确定namenode所在的位置和端口。

? （2）属性二：dfs.replication 设置为1

? Hadoop每一块的副本个数，默认为3。即一个数据块会被存储到3个datanode上。因为是伪分布式，所以只需要设置为1即可。

文件系统的基本操作

? 基本操作包括读取文件、新建目录、移动文件、删除数据、列出目录等。

? 通过hadoop fs -help查看每个命令的详细帮助文档

? （1）从本地文件复制到HDFS

hadoop fs -copyFromLocal 本地路径 \ hdfs路径

hadoop fs -copyFromLocal input/docs/quangle.txt \ hdfs://localhost/user/tom/quangle.txt

? 因为在core-site.xml中已经指定了hdfs://localhost 所以可以省略为

hadoop fs -copyFromLocal input/docs/quangle.txt quangle.txt

? 在hdfs上新建一个目录

hadoop fs -mkdir books

? 在hdfs上查看当前文件夹里的文件

hadoop fs -ls .

3.4 文件系统

? Hadoop有一个抽象的文件系统概念，HDFS只是其中的一个实现。

? Java中定义抽象类 org.apache.hadoop.fs.FileSystem 定义了Hadoop文件系统客户端的接口，并且该抽象类有几个具体的实现。

列出本地文件系统根目录下的文件，可以使用命令

hadoop fs -ls file:///

接口

? Hadoop是用Java写的，可以通过JavaAPI调用Hadoop文件系统的操作。

? 文件系统的命令就是一个Java应用。

? Java使用FileSystem类来提供文件系统操作

? 除了使用Java外，还可以使用其他接口来访问文件系统，接下来具体介绍其他接口。

1、 HTTP

? 由WebHDFS协议提供了HTTP REST API来实现与HDFS进行交互。

? 由于HTTP接口比原生Java要慢，不到万不得已不要用来传输大文件。

? 通过HTTP访问HDFS有两种方法

? （1）直接访问

? （2）通过代理进行访问

? 两种方法都使用了WebHDFS协议

? 对于第（1）种方法，文件元数据由namenode管理，文件读写会首先发往namenode，由namenode重定向到datanode，再写入datanode

? 对于第（2）种方法，由于使用了代理，所以不直接访问namenode和datanode。使用代理可以用防火墙和带宽限制等策略，从而更加的安全。

2、C语言

? hadoop提供了一个名为libhdfs的C语言类库。

? 这个C语言API与Java的API非常类似，但开发滞后于Java API，因此有一些新的特性还不支持。

? 可以通过include头文件hdfs.h

3、NFS

? 使用Hadoop的NFSv3网关将HDFS挂载为本地客户端的文件系统。

? 然后就可以使用Unix的程序（ls或者cat）与文件系统进行交互

4、FUSE

? 用户空间文件系统（FUSE，Filesystem in Userspace）允许用户空间实现的文件系统作为Unix文件系统进行基础。

3.5 Java接口

? 深入探索Hadoop的Filesystem抽象类。主要聚焦于HDFS实例，即DistributedFileSystem实现鳄梨。

3.5.1 从Hadoop URL读取数据

? 从Hadoop文件系统读取文件。使用java.net.URL对象打开数据流

InputStream in = null;
try{
    in = new URL("hdfs://host/path").openStream();//打开数据流
}finally{
    // 出现异常，则关闭数据流
    IOUtils.closeStream(in);
}

用Java实现类似于Linux中的cat命令

public class URLCat{
    static{
        URL.setURLStreamHandlerFactory(new FsUrlStreamHandlerFactory());
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        InputStream in = null;
        try{
            in = new URL(args[0]).openStream();//打开数据流
            //将结果复制到System.out，就是输出到界面。 4096表示缓冲区大小， false表示结束后不关闭数据流
            IOUtils.copyBytes(in,System.out,4096,false);
        }finally{
            IOUtils.closeStream(in);//关闭
        }
    }
}

3.5.2 通过FileSystem API读取数据

使用FileSystem以标准输出格式显示Hadoop文件系统中的文件

public class FileSystemCat{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        String uri = args[0];
        Configuration conf = new Configuration();//获得conf类
        FileSystem fs = FileSystem.get(URI.create(uri),conf);
        InputStream in = null;
        try{
            in = fs.open(new Path(uri));
            //将结果复制到System.out，就是输出到界面。 4096表示缓冲区大小， false表示结束后不关闭数据流
            IOUtils.copyBytes(in,System.out,4096,false);
        }finally{
            IOUtils.closeStream(in);
        }
    }
}

// 执行命令
// hadoop FileSystemCat hdfs://localhost/user/tom/quangle.txt

FSDataImputStream对象

? FileSystem对象中的open()方法返回的是FSDataInputStream对象，而不是标准的java.io类对象。 这个类继承了java.io.DataInputStream的一个特殊类，并支持随机访问。

public class FileSystemDoubleCat{
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        String uri = args[0];
        Configuration conf = new Configuration();
        FileSystem fs = FileSystem.get(URI.create(uri),conf);
        FSDataInputStream in = null;
        try{
            in = fs.open(new Path(uri));
            IOUtils.copyBytes(in,System.out,4096,false);
            in.seek(0);//返回到文件的开头
            IOUtils.copyBytes(in,System.out.4096,false);
        }finally{
            IOUtils.closeStream(in);
        }
    }
}
// 执行命令
// hadoop FileSystemDoubleCat hdfs://localhost/user/tom/quangle.txt

3.5.3 写入数据

将本地文件复制到Hadoop文件系统

public class FileCopyWithProgress{
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        String localStr = args[0];//原始地址
        String dst = args[1];// 目标地址
        InputStream in = new BufferedInputStream(new FileInputStream(localSrc)); //定义输入流
        
        Configuration conf = new Configuration();
        FileSystem fs = FileSystem.get(URI.create(dst),conf);
        OutputStream out = fs.create(new Path(dst), new Progressable(){
            public void progress(){
                System.out.println(".")
            }
        });// 定义输出流，progress是为了显示进度
        // 将输入流的数据复制到输出流
        IOUtils.copyBytes(in,out,4096,true);
    } 
}

3.5.4 目录

? Filesystem实例提供了创建目录的方法

public boolean mkdirs(Path f) throws IOException

3.5.5 查询文件系统

展示文件状态信息

public class ShowFileStatusTest{
    // 定义一个集群类
    private MiniDFSCluster cluster;
    private FileSystem fs;
    
    @Before
    public void setUp throws IOException{
        Configuration conf = new Configuration();
        if(System.getProperty("test.build.data") == null){
            System.setProperty("test.build.data","/tmp");
        }
        cluster = new MiniDFSCluster.Builder(conf).build();
        fs = cluster.getFileSystem();
        OutputStream out = fs.create(new Path("/dir/file"));
        out.write("content".getBytes("UTF-8"));
        out.close;
    }
    
    @After
    public void tearDown() throws IOException{
        if (fs !=null){
            fs.close();
        }
        if (cluster != null){
            cluster.shutdown();
        }
    }
    
    @Test
    public void fileStatusForfile() throws IOException{
        Path file = new Path("/dir/file");
        FileStatus stat = fs.getFileStatus(file);
        assertThat(stat.getPath().toUri().getPath(),is("/dir/file"))
    }
    
}

3.6 数据流

3.6.1 剖析文件读取

? 本章具体介绍了HDFS、namenode和datanode之间的数据流是什么样的。

? （1）客户端通过调用FileSystem对象的open()方法打开文件，该对象HDFS的具体实现类为DistributedFileSystem

? （2）DistributedFileSystem通过远程过程调用（RPC）来调用namenode

? （3）namenode返回该文件所有块的datanode地址，因为一个块有多个副本，所以其返回的规则是就近原则（返回距离近的datanode)。

? （4）如果namenode本身也是datanode，就将其自身返回

? （5）返回的datanode地址被封装进FSDataInputStream对象，再封装进DFSInputStream，返回给客户端。

? （6）客户端接收到第一个datanode的地址后，调用read（）方法读取具体信息。读取完毕后，再请求下一个datanode地址，循环至全部读取完毕。

? （7）如果客户端在与datanode连接出现错误，则会去连接另一个最近邻的datanode，并且将之前故障的datanode记录，将损坏记录告诉datanode。

注！ 正是因为namenode只告诉客户端datanode地址，而不是具体的内容，才能保证namenode能够接收更多客户端的连接。

3.6.2 剖析文件写入

? （1）客户端通过对DistributedFileSystem对象调用create()方法来创建文件。

? （2）DistributedFileSystem通过RPC调用，申请在namenode创建一个新的文件。

? （3）namenode会执行这种检查，包括文件是否存在，客户端是否有权限。检查通过后则创建一条成功的记录，否则就抛出IOException异常。

? （4）DistributedFileSystem给客户端返回一个FSDataOutputStream对象，客户端开始写入数据

? （5）同样，FSDataOutputStream封装进DFSOutputStream对象，该对象负责datanode和namenode的通信。

? （6）DFSOutputStream将数据分成一个一个数据包，并放入队列中。

? （7）DataStreamer处理数据队列，挑选适合存储的一组datanode（组内的datanode数量由副本数决定）。

? （8）若副本数设置为3，则会先写入第1个datanode，然后第1个datanode发送给第2个datanode，第2个datanode发送给第3个datanode。

? （9）一组中的每个datanode都会将写入成功的结果返回给客户端（DFSOutputStream）

? （10）若写入的时候发生故障，首先关闭管线，把还没有写入的数据包都返回给正常datanode指定的新标识中，然后告诉namenode发送故障的地点，namenode则删除故障节点的残余数据。删除后，正常的datanode沿着另一条管线继续走。

? （11）当设置dfs.namenode.replication.min=1时，只要写入1个datnode就算写入成功，剩下的两个则由namenode自己复制。

? （12）写入完成后，调用close()方法。该操作将剩余的所有数据写入datanode管线，并告知namenode这些datanode的地址。namenode等最小量（min）写入成功后，就由namenode进行复制。

3.6.3 一致模型

? 一致模型保证文件读和写的可见性。

? 但是在HDFS中为了性能，牺牲了一部分一致性模型。

? 在HDFS中写入的文件，并非立马就能看见。

? 所以，HDFS提供了刷缓存（hflush）的方法，缓存刷新后，写入的数据就可以看见了。

Path p = new Path("p");
FSDataOutputStream out = fs.create(p);
out.write("content".getBytes("UTF-8"));
out.hflush();
assertThat(fs.getFileStatus(p).getLen(),is(((long) "content".length())));

? hflush()不保证datanode在磁盘中，而是保证在datanode内存中。可以使用hsync()替代。

FileOutputStream out = new FileOutputStream(localFile);
out.write("content".getBytes("UTF-8"));
out.flush();
out.getFD().sync();
assertThat(localFile.length(),is(((long) "content".length())));

3.7 通过distcp进行复制

? Hadoop自带的应用程序distcp。

? distcp程序可以并行从Hadoop文件系统复制大量数据，也可以将数据复制到Hadoop中。

复制文件

% hadoop distcp file1 file2

复制目录

% hadoop distcp dir1 dir2

更新目录

%hadoop distcp -update dir1 dir2

distcp是一个MapReduce程序，该复制作业是通过集群并行的map完成，并没有reducer。

保持HDFS集群的均衡

? 向HDFS复制数据时，考虑集群的均衡性也是相当重要的。

? 如果只由一个map来执行复制作业，那么一个map会把单一的节点磁盘给塞满。就无法达到均衡。

? 所以设定多个map可以避免这个问题，默认是使用20个map来执行distcp命令。