1.HDFS概述
1.1 HDFS产生背景
1）产生背景
随着数据量的增大，应该操作系统中存不下所有的数据，那么就要分配到更多的操作系统的磁盘中，但是又不方便管理与维护，需要一种系统来管理多台机器上的文件，这就是分布式文件管理系统。HDFS只是分布式文件管理系统中的一种。
2）HDFS定义
HDFS(Hadoop Distributed File System)，它是一个文件系统，用于存储文件，通过目录树来定位文件；其次是分布式,由很多机器联合起来实现功能，集群中的服务器有各自的角色。
HDFS的使用场景：一次写入，多次读出。一个文件经过创建、写入和关闭之后就不需要改变。
1.2 HDFS优点
1）高容错性
- 数据自动保存多个副本。
- 某一个副本丢失之后，可以自动恢复。
2）适合处理大数据
- 数据规模：能够处理数据规模达到
PB级别的数据 - 文件规模：能够处理
百万规模以上的文件数量
3）可创建在廉价机器上，通过多副本机制，提高可靠性
1.3 HDFS缺点
1）不适合低延时数据访问，比如毫秒级的存储数据，是做不到的
2）无法高效的对大量小文件进行存储
- 存储大量小文件的话，会占用namenode大量的内存来存储文件目录和块信息，这样是不可取的，因为namenode的内存是有限的。
- 小文件存储的寻址时间会超过读取时间，它违反了HDFS的设计目标
3）不支持并发写入、文件随机修改。
- 一个文件只能有一个写，不允许多个线程同时写；
只支持数据append，不支持文件的随机修改
1.4 HDFS组成架构
1）Namenode就是：master，管理者
- 管理HDFS的名称空间
- 配置副本策略
- 管理数据块(Block)映射信息
- 处理客户端读写请求
2）DataNode:就是Slave，Namenode下达命令，Datanode执行实际的操作。
- 存储实际的数据块
- 执行数据块的读\写操作
3）Client：就是客户端
- 文件切分。文件上传HDFS的时候，Client将文件切分成一个一个的Block，然后上传。
- 与Namenode交互，获取文件的位置信息
- 与DataNode交互，读取或者写入数据
- Client提供一些命令来管理HDFS，比如Namenode格式化
- Client可以通过一些命令来访问HDFS，比如对HDFS的增删改查操作
4）Seconday Namenode：并非Namenode的热备，当Namenode挂掉的时候，不能马上替换Namenode并提供服务 - 辅助Namenode，分担其工作量，比如定期合并Fsimage和Edits，并推送给Namenode
- 在紧急情况下，可以辅助恢复Namenode
1.5 HDFS文件块大小(面试重点)
HDFS中的文件在物理上是分块存储（Block），块的大小可以通过配置参数（dfs blocksize）来规定，默认大小是128M，1.x版本中是64M
思考;为什么block的大小不能设置太小，也不能设置太大
- HDFS的块设置
太小，会增加寻址时间。程序一直在寻找块的开始位置。 - 如果块设置
太大，从磁盘传输数据的时间会明显大于定位这个块开始位置所需要的时间，导致程序在处理这块数据时，会很慢。
总结：HDFS块的大小设置主要取决于磁盘的传输速率
2. HDFS的Shell操作(开发重点)
2.1基本语法
hadoop fs 具体命令 或者 hdfs dfs 具体命令
两者完全相同
2.2 命令大全
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ bin/hadoop fs
[-appendToFile <localsrc> ... <dst>]
[-cat [-ignoreCrc] <src> ...]
[-chgrp [-R] GROUP PATH...]
[-chmod [-R] <MODE[,MODE]... | OCTALMODE> PATH...]
[-chown [-R] [OWNER][:[GROUP]] PATH...]
[-copyFromLocal [-f] [-p] <localsrc> ... <dst>]
[-copyToLocal [-p] [-ignoreCrc] [-crc] <src> ... <localdst>]
[-count [-q] <path> ...]
[-cp [-f] [-p] <src> ... <dst>]
[-df [-h] [<path> ...]]
[-du [-s] [-h] <path> ...]
[-get [-p] [-ignoreCrc] [-crc] <src> ... <localdst>]
[-getmerge [-nl] <src> <localdst>]
[-help [cmd ...]]
[-ls [-d] [-h] [-R] [<path> ...]]
[-mkdir [-p] <path> ...]
[-moveFromLocal <localsrc> ... <dst>]
[-moveToLocal <src> <localdst>]
[-mv <src> ... <dst>]
[-put [-f] [-p] <localsrc> ... <dst>]
[-rm [-f] [-r|-R] [-skipTrash] <src> ...]
[-rmdir [--ignore-fail-on-non-empty] <dir> ...]
<acl_spec> <path>]]
[-setrep [-R] [-w] <rep> <path> ...]
[-stat [format] <path> ...]
[-tail [-f] <file>]
[-test -[defsz] <path>]
[-text [-ignoreCrc] <src> ...]
2.3 常用命令实操
2.3.1 准备工作
1）启动Hadoop集群（方便后续的测试）
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ sbin/start-dfs.sh
[atguigu@hadoop103 hadoop-3.1.3]$ sbin/start-yarn.sh
2）-help：输出这个命令参数
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -help rm
3）创建/sanguo文件夹
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mkdir /sanguo
2.3.2 上传
1）-moveFromLocal：从本地剪切粘贴到HDFS
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim shuguo.txt
输入：
shuguo
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -moveFromLocal ./shuguo.txt /sanguo
2）-copyFromLocal：从本地文件系统中拷贝文件到HDFS路径去
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim weiguo.txt
输入：
weiguo
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -copyFromLocal weiguo.txt /sanguo
3）-put：等同于copyFromLocal，生产环境更习惯用put
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim wuguo.txt
输入：
wuguo
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -put ./wuguo.txt /sanguo
4）-appendToFile：追加一个文件到已经存在的文件末尾
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim liubei.txt
输入：
liubei
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -appendToFile liubei.txt /sanguo/shuguo.txt
2.3.3 下载
1）-copyToLocal：从HDFS拷贝到本地
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -copyToLocal /sanguo/shuguo.txt ./
2）-get：等同于copyToLocal，生产环境更习惯用get
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -get /sanguo/shuguo.txt ./shuguo2.txt
2.3.4 HDFS直接操作
1）-ls: 显示目录信息
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -ls /sanguo
2）-cat：显示文件内容
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -cat /sanguo/shuguo.txt
3）-chgrp、-chmod、-chown：Linux文件系统中的用法一样，修改文件所属权限
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -chmod 666 /sanguo/shuguo.txt
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -chown atguigu:atguigu /sanguo/shuguo.txt
4）-mkdir：创建路径
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mkdir /jinguo
5）-cp：从HDFS的一个路径拷贝到HDFS的另一个路径
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -cp /sanguo/shuguo.txt /jinguo
6）-mv：在HDFS目录中移动文件
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mv /sanguo/wuguo.txt /jinguo
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mv /sanguo/weiguo.txt /jinguo
7）-tail：显示一个文件的末尾1kb的数据
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -tail /jinguo/shuguo.txt
8）-rm：删除文件或文件夹
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -rm /sanguo/shuguo.txt
9）-rm -r：递归删除目录及目录里面内容
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -rm -r /sanguo
10）-du统计文件夹的大小信息
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -du -s -h /jinguo
27 81 /jinguo
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -du -h /jinguo
14 42 /jinguo/shuguo.txt
7 21 /jinguo/weiguo.txt
6 18 /jinguo/wuguo.tx
说明：27表示文件大小；81表示27*3个副本；/jinguo表示查看的目录
11）-setrep：设置HDFS中文件的副本数量
[atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -setrep 10 /jinguo/shuguo.txt
这里设置的副本数只是记录在NameNode的元数据中，是否真的会有这么多副本，还得看DataNode的数量。因为目前只有3台设备，最多也就3个副本，只有节点数的增加到10台时，副本数才能达到10。
3.HDFS的API操作
1） 在IDEA中创建一个Maven工程HdfsClientDemo，并导入相应的依赖坐标+日志添加
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.apache.hadoop</groupId>
<artifactId>hadoop-client</artifactId>
<version>3.1.3</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>junit</groupId>
<artifactId>junit</artifactId>
<version>4.12</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.slf4j</groupId>
<artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>
<version>1.7.30</version>
</dependency>
</dependencies>
2）在项目的src/main/resources目录下，新建一个文件，命名为“log4j.properties”，在文件中填入
log4j.rootLogger=INFO, stdout
log4j.appender.stdout=org.apache.log4j.ConsoleAppender
log4j.appender.stdout.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.stdout.layout.ConversionPattern=%d %p [%c] - %m%n
log4j.appender.logfile=org.apache.log4j.FileAppender
log4j.appender.logfile.File=target/spring.log
log4j.appender.logfile.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.logfile.layout.ConversionPattern=%d %p [%c] - %m%n
3）创建包名：com.atguigu.hdfs
4）创建HdfsClient类
public class HdfsClient {
@Test
public void testMkdirs() throws IOException, URISyntaxException, InterruptedException {
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
// FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration);
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration,"atguigu");
// 2 创建目录
fs.mkdirs(new Path("/xiyou/huaguoshan/"));
// 3 关闭资源
fs.close();
}
}
5）执行程序
客户端去操作HDFS时，是有一个用户身份的。默认情况下，HDFS客户端API会从采用Windows默认用户访问HDFS，会报权限异常错误。所以在访问HDFS时，一定要配置用户。
org.apache.hadoop.security.AccessControlException: Permission denied: user=56576, access=WRITE, inode="/xiyou/huaguoshan":atguigu:supergroup:drwxr-xr-x
3.2 HDFS的API案例实操
3.2.1 HDFS文件上传（测试参数优先级）
1）编写源代码
@Test
public void testCopyFromLocalFile() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException {
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
configuration.set("dfs.replication", "2");
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "atguigu");
// 2 上传文件
fs.copyFromLocalFile(new Path("d:/sunwukong.txt"), new Path("/xiyou/huaguoshan"));
// 3 关闭资源
fs.close();
｝
2）将hdfs-site.xml拷贝到项目的resources资源目录下
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<?xml-stylesheet type="text/xsl" href="configuration.xsl"?>
<configuration>
<property>
<name>dfs.replication</name>
<value>1</value>
</property>
</configuration>
3）参数优先级
参数优先级排序：（1）客户端代码中设置的值 >（2）ClassPath下的用户自定义配置文件 >（3）然后是服务器的自定义配置（xxx-site.xml） >（4）服务器的默认配置（xxx-default.xml）
3.2.2 HDFS文件下载
@Test
public void testCopyToLocalFile() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException{
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "atguigu");
// 2 执行下载操作
// boolean delSrc 指是否将原文件删除
// Path src 指要下载的文件路径
// Path dst 指将文件下载到的路径
// boolean useRawLocalFileSystem 是否开启文件校验
fs.copyToLocalFile(false, new Path("/xiyou/huaguoshan/sunwukong.txt"), new Path("d:/sunwukong2.txt"), true);
// 3 关闭资源
fs.close();
}
注意：如果执行上面代码，下载不了文件，有可能是你电脑的微软支持的运行库少，需要安装一下微软运行库。
3.2.3 HDFS文件更名和移动
@Test
public void testRename() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException{
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "atguigu");
// 2 修改文件名称
fs.rename(new Path("/xiyou/huaguoshan/sunwukong.txt"), new Path("/xiyou/huaguoshan/meihouwang.txt"));
// 3 关闭资源
fs.close();
}
3.2.4 HDFS删除文件和目录
@Test
public void testDelete() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException{
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "atguigu");
// 2 执行删除
fs.delete(new Path("/xiyou"), true);
// 3 关闭资源
fs.close();
}
3.2.5 HDFS文件详情查看
查看文件名称、权限、长度、块信息
@Test
public void testListFiles() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException {
// 1获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "atguigu");
// 2 获取文件详情
RemoteIterator<LocatedFileStatus> listFiles = fs.listFiles(new Path("/"), true);
while (listFiles.hasNext()) {
LocatedFileStatus fileStatus = listFiles.next();
System.out.println("========" + fileStatus.getPath() + "=========");
System.out.println(fileStatus.getPermission());
System.out.println(fileStatus.getOwner());
System.out.println(fileStatus.getGroup());
System.out.println(fileStatus.getLen());
System.out.println(fileStatus.getModificationTime());
System.out.println(fileStatus.getReplication());
System.out.println(fileStatus.getBlockSize());
System.out.println(fileStatus.getPath().getName());
// 获取块信息
BlockLocation[] blockLocations = fileStatus.getBlockLocations();
System.out.println(Arrays.toString(blockLocations));
}
// 3 关闭资源
fs.close();
}
3.2.6 HDFS文件和文件夹判断
@Test
public void testListStatus() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException{
// 1 获取文件配置信息
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "atguigu");
// 2 判断是文件还是文件夹
FileStatus[] listStatus = fs.listStatus(new Path("/"));
for (FileStatus fileStatus : listStatus) {
// 如果是文件
if (fileStatus.isFile()) {
System.out.println("f:"+fileStatus.getPath().getName());
}else {
System.out.println("d:"+fileStatus.getPath().getName());
}
}
// 3 关闭资源
fs.close();
}
4.HDFS的读写流程（面试重点）
4.1 HDFS写数据流程
4.1.1剖析文件写入
- 客户端通过Distributed FileSystem模块向namenode请求上传文件，namenode检查目标文件是否存在，父目录是否存在
- namenode返回是否可以上传
- 客户端请求第一个block上传到哪几个datanode服务器上
- namenode返回3个datanode节点，分别是dn1，dn2，dn3
- 客户端通过FSDataOutputStream模块请求dn1上传数据，dn1收到请求后会继续调用dn2，然后dn2调用dn3，将这个通信管道简历完成
- dn1、dn2、dn3逐级应答客户端
- 客户端开始往dn1上传第一个block(先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存，以packet为单位，dn1收到一个packet就会传给dn2，db2传给dn3：dn1
每传一个packet会放入一个应答队列等待应答)。 - 当一个Block传输完成之后，客户端再次请求Namenode上传第二个Block的服务器（重复执行3-7步）
4.1.2 网络拓扑-节点距离计算
在HDFS写数据的过程中，NameNode会选择距离待上传数据最近距离的DataNode接受数据，那么这个最近距离怎么计算？
节点距离：两个节点达到最近的共同祖先的距离总和。
4.1.3 机架感知（副本存储节点选择）
（1）机架感知说明
For the common case, when the replication factor is three, HDFS’s placement policy is to put one replica on the local machine if the writer is on a datanode, otherwise on a random datanode, another replica on a node in a different (remote) rack, and the last on a different node in the same remote rack. This policy cuts the inter-rack write traffic which generally improves write performance. The chance of rack failure is far less than that of node failure; this policy does not impact data reliability and availability guarantees. However, it does reduce the aggregate network bandwidth used when reading data since a block is placed in only two unique racks rather than three. With this policy, the replicas of a file do not evenly distribute across the racks. One third of replicas are on one node, two thirds of replicas are on one rack, and the other third are evenly distributed across the remaining racks. This policy improves write performance without compromising data reliability or read performance.
（2）源码说明
Crtl + n 查找BlockPlacementPolicyDefault，在该类中查找chooseTargetInOrder方法。
4.2 HDFS读数据流程
（1）客户端通过DistributedFileSystem向NameNode请求下载文件，NameNode通过查询元数据，找到文件块所在的DataNode地址。
（2）挑选一台DataNode（就近原则，然后随机）服务器，请求读取数据。
（3）DataNode开始传输数据给客户端（从磁盘里面读取数据输入流，以Packet为单位来做校验）。
（4）客户端以Packet为单位接收，先在本地缓存，然后写入目标文件。