HDFS写文件过程分析
- WBOY原創
- 2016-06-07 16:39:231249瀏覽
HDFS是一个分布式文件系统，在HDFS上写文件的过程与我们平时使用的单机文件系统非常不同，从宏观上来看，在HDFS文件系统上创建并写一个文件，流程如下图（来自《Hadoop：The Definitive Guide》一书）所示： 具体过程描述如下： Client调用DistributedFileSy
HDFS是一个分布式文件系统，在HDFS上写文件的过程与我们平时使用的单机文件系统非常不同，从宏观上来看，在HDFS文件系统上创建并写一个文件，流程如下图（来自《Hadoop：The Definitive Guide》一书）所示：
具体过程描述如下：
- Client调用DistributedFileSystem对象的create方法，创建一个文件输出流（FSDataOutputStream）对象
- 通过DistributedFileSystem对象与Hadoop集群的NameNode进行一次RPC远程调用，在HDFS的Namespace中创建一个文件条目（Entry），该条目没有任何的Block
- 通过FSDataOutputStream对象，向DataNode写入数据，数据首先被写入FSDataOutputStream对象内部的Buffer中，然后数据被分割成一个个Packet数据包
- 以Packet最小单位，基于Socket连接发送到按特定算法选择的HDFS集群中一组DataNode（正常是3个，可能大于等于1）中的一个节点上，在这组DataNode组成的Pipeline上依次传输Packet
- 这组DataNode组成的Pipeline反方向上，发送ack，最终由Pipeline中第一个DataNode节点将Pipeline ack发送给Client
- 完成向文件写入数据，Client在文件输出流（FSDataOutputStream）对象上调用close方法，关闭流
- 调用DistributedFileSystem对象的complete方法，通知NameNode文件写入成功
下面代码使用Hadoop的API来实现向HDFS的文件写入数据，同样也包括创建一个文件和写数据两个主要过程，代码如下所示：
static String[] contents = new String[] {
"aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa",
"bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb",
"cccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc",
"dddddddddddddddddddddddddddddddd",
"eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee",
};
public static void main(String[] args) {
String file = "hdfs://h1:8020/data/test/test.log";
Path path = new Path(file);
Configuration conf = new Configuration();
FileSystem fs = null;
FSDataOutputStream output = null;
try {
fs = path.getFileSystem(conf);
output = fs.create(path); // 创建文件
for(String line : contents) { // 写入数据
output.write(line.getBytes("UTF-8"));
output.flush();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
output.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
结合上面的示例代码，我们先从fs.create(path);开始，可以看到FileSystem的实现DistributedFileSystem中给出了最终返回FSDataOutputStream对象的抽象逻辑，代码如下所示：
public FSDataOutputStream create(Path f, FsPermission permission,
boolean overwrite,
int bufferSize, short replication, long blockSize,
Progressable progress) throws IOException {
statistics.incrementWriteOps(1);
return new FSDataOutputStream
(dfs.create(getPathName(f), permission, overwrite, true, replication, blockSize, progress, bufferSize), statistics);
}
上面，DFSClient dfs的create方法中创建了一个OutputStream对象，在DFSClient的create方法：
public OutputStream create(String src,
FsPermission permission,
boolean overwrite,
boolean createParent,
short replication,
long blockSize,
Progressable progress,
int buffersize
) throws IOException {
... ...
}
创建了一个DFSOutputStream对象，如下所示：
final DFSOutputStream result = new DFSOutputStream(src, masked,
overwrite, createParent, replication, blockSize, progress, buffersize,
conf.getInt("io.bytes.per.checksum", 512));
下面，我们从DFSOutputStream类开始，说明其内部实现原理。
DFSOutputStream内部原理
打开一个DFSOutputStream流，Client会写数据到流内部的一个缓冲区中，然后数据被分解成多个Packet，每个Packet大小为64k字节，每个Packet又由一组chunk和这组chunk对应的checksum数据组成，默认chunk大小为512字节，每个checksum是对512字节数据计算的校验和数据。
当Client写入的字节流数据达到一个Packet的长度，这个Packet会被构建出来，然后会被放到队列dataQueue中，接着DataStreamer线程会不断地从dataQueue队列中取出Packet，发送到复制Pipeline中的第一个DataNode上，并将该Packet从dataQueue队列中移到ackQueue队列中。ResponseProcessor线程接收从Datanode发送过来的ack，如果是一个成功的ack，表示复制Pipeline中的所有Datanode都已经接收到这个Packet，ResponseProcessor线程将packet从队列ackQueue中删除。
在发送过程中，如果发生错误，所有未完成的Packet都会从ackQueue队列中移除掉，然后重新创建一个新的Pipeline，排除掉出错的那些DataNode节点，接着DataStreamer线程继续从dataQueue队列中发送Packet。
下面是DFSOutputStream的结构及其原理，如图所示：
我们从下面3个方面来描述内部流程：
- 创建Packet
Client写数据时，会将字节流数据缓存到内部的缓冲区中，当长度满足一个Chunk大小（512B）时，便会创建一个Packet对象，然后向该Packet对象中写Chunk Checksum校验和数据，以及实际数据块Chunk Data，校验和数据是基于实际数据块计算得到的。每次满足一个Chunk大小时，都会向Packet中写上述数据内容，直到达到一个Packet对象大小（64K），就会将该Packet对象放入到dataQueue队列中，等待DataStreamer线程取出并发送到DataNode节点。
- 发送Packet
DataStreamer线程从dataQueue队列中取出Packet对象，放到ackQueue队列中，然后向DataNode节点发送这个Packet对象所对应的数据。
- 接收ack
发送一个Packet数据包以后，会有一个用来接收ack的ResponseProcessor线程，如果收到成功的ack，则表示一个Packet发送成功。如果成功，则ResponseProcessor线程会将ackQueue队列中对应的Packet删除。
DFSOutputStream初始化
首先看一下，DFSOutputStream的初始化过程，构造方法如下所示：
DFSOutputStream(String src, FsPermission masked, boolean overwrite,
boolean createParent, short replication, long blockSize, Progressable progress,
int buffersize, int bytesPerChecksum) throws IOException {
this(src, blockSize, progress, bytesPerChecksum, replication);
computePacketChunkSize(writePacketSize, bytesPerChecksum); // 默认 writePacketSize=64*1024（即64K），bytesPerChecksum=512（没512个字节计算一个校验和）,
try {
if (createParent) { // createParent为true表示，如果待创建的文件的父级目录不存在，则自动创建
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite, replication, blockSize);
} else {
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite, false, replication, blockSize);
}
} catch(RemoteException re) {
throw re.unwrapRemoteException(AccessControlException.class,
FileAlreadyExistsException.class,
FileNotFoundException.class,
NSQuotaExceededException.class,
DSQuotaExceededException.class);
}
streamer.start(); // 启动一个DataStreamer线程，用来将写入的字节流打包成packet，然后发送到对应的Datanode节点上
}
上面computePacketChunkSize方法计算了一个packet的相关参数，我们结合代码来查看，如下所示：
int chunkSize = csize + checksum.getChecksumSize();
int n = DataNode.PKT_HEADER_LEN + SIZE_OF_INTEGER;
chunksPerPacket = Math.max((psize - n + chunkSize-1)/chunkSize, 1);
packetSize = n + chunkSize*chunksPerPacket;
我们用默认的参数值替换上面的参数，得到：
int chunkSize = 512 + 4;
int n = 21 + 4;
chunksPerPacket = Math.max((64*1024 - 25 + 516-1)/516, 1); // 127
packetSize = 25 + 516*127;
上面对应的参数，说明如下表所示：
| 参数名称 | 参数值 | 参数含义 |
| chunkSize | 512+4=516 | 每个chunk的字节数（数据+校验和） |
| csize | 512 | 每个chunk数据的字节数 |
| psize | 64*1024 | 每个packet的最大字节数（不包含header） |
| DataNode.PKT_HEADER_LEN | 21 | 每个packet的header的字节数 |
| chunksPerPacket | 127 | 组成每个packet的chunk的个数 |
| packetSize | 25+516*127=65557 | 每个packet的字节数（一个header+一组chunk） |
在计算好一个packet相关的参数以后，调用create方法与Namenode进行RPC请求，请求创建文件：
if (createParent) { // createParent为true表示，如果待创建的文件的父级目录不存在，则自动创建
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite, replication, blockSize);
} else {
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite, false, replication, blockSize);
}
远程调用上面方法，会在FSNamesystem中创建对应的文件路径，并初始化与该创建的文件相关的一些信息，如租约（向Datanode节点写数据的凭据）。文件在FSNamesystem中创建成功，就要初始化并启动一个DataStreamer线程，用来向Datanode写数据，后面我们详细说明具体处理逻辑。
Packet结构与定义
Client向HDFS写数据，数据会被组装成Packet，然后发送到Datanode节点。Packet分为两类，一类是实际数据包，另一类是heatbeat包。一个Packet数据包的组成结构，如图所示：
上图中，一个Packet是由Header和Data两部分组成，其中Header部分包含了一个Packet的概要属性信息，如下表所示：
| 字段名称 | 字段类型 | 字段长度 | 字段含义 |
| pktLen | int | 4 | 4 + dataLen + checksumLen |
| offsetInBlock | long | 8 | Packet在Block中偏移量 |
| seqNo | long | 8 | Packet序列号，在同一个Block唯一 |
| lastPacketInBlock | boolean | 1 | 是否是一个Block的最后一个Packet |
| dataLen | int | 4 | dataPos – dataStart，不包含Header和Checksum的长度 |
Data部分是一个Packet的实际数据部分，主要包括一个4字节校验和（Checksum）与一个Chunk部分，Chunk部分最大为512字节。
在构建一个Packet的过程中，首先将字节流数据写入一个buffer缓冲区中，也就是从偏移量为25的位置（checksumStart）开始写Packet数据的Chunk Checksum部分，从偏移量为533的位置（dataStart）开始写Packet数据的Chunk Data部分，直到一个Packet创建完成为止。如果一个Packet的大小未能达到最大长度，也就是上图对应的缓冲区中，Chunk Checksum与Chunk Data之间还保留了一段未被写过的缓冲区位置，这种情况说明，已经在写一个文件的最后一个Block的最后一个Packet。在发送这个Packet之前，会检查Chunksum与Chunk Data之间的缓冲区是否为空白缓冲区（gap），如果有则将Chunk Data部分向前移动，使得Chunk Data 1与Chunk Checksum N相邻，然后才会被发送到DataNode节点。
我们看一下Packet对应的Packet类定义，定义了如下一些字段：
ByteBuffer buffer; // only one of buf and buffer is non-null
byte[] buf;
long seqno; // sequencenumber of buffer in block
long offsetInBlock; // 该packet在block中的偏移量
boolean lastPacketInBlock; // is this the last packet in block?
int numChunks; // number of chunks currently in packet
int maxChunks; // 一个packet中包含的chunk的个数
int dataStart;
int dataPos;
int checksumStart;
int checksumPos;
Packet类有一个默认的没有参数的构造方法，它是用来做heatbeat的，如下所示：
Packet() {
this.lastPacketInBlock = false;
this.numChunks = 0;
this.offsetInBlock = 0;
this.seqno = HEART_BEAT_SEQNO; // 值为-1
buffer = null;
int packetSize = DataNode.PKT_HEADER_LEN + SIZE_OF_INTEGER; // 21+4=25
buf = new byte[packetSize];
checksumStart = dataStart = packetSize;
checksumPos = checksumStart;
dataPos = dataStart;
maxChunks = 0;
}
通过代码可以看到，一个heatbeat的内容，实际上只有一个长度为25字节的header数据。通过this.seqno = HEART_BEAT_SEQNO;的值可以判断一个packet是否是heatbeat包，如果seqno为-1表示这是一个heatbeat包。
Client发送Packet数据
可以DFSClient类中看到，发送一个Packet之前，首先需要向选定的DataNode发送一个Header数据包，表明要向DataNode写数据，该Header的数据结构，如图所示：
上图显示的是Client发送Packet到第一个DataNode节点的Header数据结构，主要包括待发送的Packet所在的Block（先向NameNode分配Block ID等信息）的相关信息、Pipeline中另外2个DataNode的信息、访问令牌（Access Token）和校验和信息，Header中各个字段及其类型，详见下表：
| 字段名称 | 字段类型 | 字段长度 | 字段含义 |
| Transfer Version | short | 2 | Client与DataNode之间数据传输版本号，由常量DataTransferProtocol.DATA_TRANSFER_VERSION定义，值为17 |
| OP | int | 4 | 操作类型，由常量DataTransferProtocol.OP_WRITE_BLOCK定义，值为80 |
| blkId | long | 8 | Block的ID值，由NameNode分配 |
| GS | long | 8 | 时间戳（Generation Stamp），NameNode分配blkId的时候生成的时间戳 |
| DNCnt | int | 4 | DataNode复制Pipeline中DataNode节点的数量 |
| Recovery Flag | boolean | 1 | Recover标志 |
| Client | Text | Client主机的名称，在使用Text进行序列化的时候，实际包含长度len与主机名称字符串ClientHost | |
| srcNode | boolean | 1 | 是否发送src node的信息，默认值为false，不发送src node的信息 |
| nonSrcDNCnt | int | 4 | 由Client写的该Header数据，该数不包含Pipeline中第一个节点（即为DNCnt-1） |
| DN2 | DatanodeInfo | DataNode信息，包括StorageID、InfoPort、IpcPort、capacity、DfsUsed、remaining、LastUpdate、XceiverCount、Location、HostName、AdminState | |
| DN3 | DatanodeInfo | DataNode信息，包括StorageID、InfoPort、IpcPort、capacity、DfsUsed、remaining、LastUpdate、XceiverCount、Location、HostName、AdminState | |
| Access Token | Token | 访问令牌信息，包括IdentifierLength、Identifier、PwdLength、Pwd、KindLength、Kind、ServiceLength、Service | |
| CheckSum Header | DataChecksum | 1+4 | 校验和Header信息，包括type、bytesPerChecksum |
Header数据包发送成功，Client会收到一个成功响应码（DataTransferProtocol.OP_STATUS_SUCCESS = 0），接着将Packet数据发送到Pipeline中第一个DataNode上，如下所示：
Packet one = null;
one = dataQueue.getFirst(); // regular data packet
ByteBuffer buf = one.getBuffer();
// write out data to remote datanode
blockStream.write(buf.array(), buf.position(), buf.remaining());
if (one.lastPacketInBlock) { // 如果是Block中的最后一个Packet，还要写入一个0标识该Block已经写入完成
blockStream.writeInt(0); // indicate end-of-block
}
否则，如果失败，则会与NameNode进行RPC调用，删除该Block，并把该Pipeline中第一个DataNode加入到excludedNodes列表中，代码如下所示：
if (!success) {
LOG.info("Abandoning " + block);
namenode.abandonBlock(block, src, clientName);
if (errorIndex
<p><strong>DataNode端服务组件</strong></p>
<p>数据最终会发送到DataNode节点上，在一个DataNode上，数据在各个组件之间流动，流程如下图所示：<br>
<img alt="hdfs-write-pipeline-single" class="alignnone size-full wp-image-947" style="max-width:90%" src="http://www.68idc.cn/help/uploads/allimg/150119/0RA42a0-4.png" style="max-width:90%"><br>
DataNode服务中创建一个后台线程DataXceiverServer，它是一个SocketServer，用来接收来自Client（或者DataNode Pipeline中的非最后一个DataNode节点）的写数据请求，然后在DataXceiverServer中将连接过来的Socket直接派发给一个独立的后台线程DataXceiver进行处理。所以，Client写数据时连接一个DataNode Pipeline的结构，实际流程如图所示：<br>
<img alt="hdfs-write-pipeline-datanodes" class="alignnone size-full wp-image-948" style="max-width:90%" src="http://www.68idc.cn/help/uploads/allimg/150119/0RA440a-5.png" style="max-width:90%"><br>
每个DataNode服务中的DataXceiver后台线程接收到来自前一个节点（Client/DataNode）的Socket连接，首先读取Header数据：</p>
<pre class="brush:php;toolbar:false">
Block block = new Block(in.readLong(), dataXceiverServer.estimateBlockSize, in.readLong());
LOG.info("Receiving " + block + " src: " + remoteAddress + " dest: " + localAddress);
int pipelineSize = in.readInt(); // num of datanodes in entire pipeline
boolean isRecovery = in.readBoolean(); // is this part of recovery?
String client = Text.readString(in); // working on behalf of this client
boolean hasSrcDataNode = in.readBoolean(); // is src node info present
if (hasSrcDataNode) {
srcDataNode = new DatanodeInfo();
srcDataNode.readFields(in);
}
int numTargets = in.readInt();
if (numTargets accessToken = new Token<blocktokenidentifier>();
accessToken.readFields(in);
</blocktokenidentifier>
上面代码中，读取Header的数据，与前一个Client/DataNode写入Header字段的顺序相对应，不再累述。在完成读取Header数据后，当前DataNode会首先将Header数据再发送到Pipeline中下一个DataNode结点，当然该DataNode肯定不是Pipeline中最后一个DataNode节点。接着，该DataNode会接收来自前一个Client/DataNode节点发送的Packet数据，接收Packet数据的逻辑实际上在BlockReceiver中完成，包括将来自前一个Client/DataNode节点发送的Packet数据写入本地磁盘。在BlockReceiver中，首先会将接收到的Packet数据发送写入到Pipeline中下一个DataNode节点，然后再将接收到的数据写入到本地磁盘的Block文件中。
DataNode持久化Packet数据
在DataNode节点的BlockReceiver中进行Packet数据的持久化，一个Packet是一个Block中一个数据分组，我们首先看一下，一个Block在持久化到磁盘上的物理存储结构，如下图所示：
每个Block文件（如上图中blk_1084013198文件）都对应一个meta文件（如上图中blk_1084013198_10273532.meta文件），Block文件是一个一个Chunk的二进制数据（每个Chunk的大小是512字节），而meta文件是与每一个Chunk对应的Checksum数据，是序列化形式存储。
写文件过程中Client/DataNode与NameNode进行RPC调用
Client在HDFS文件系统中写文件过程中，会发生多次与NameNode节点进行RPC调用来完成写数据相关操作，主要是在如下时机进行RPC调用：
- 写文件开始时创建文件：Client调用create在NameNode节点的Namespace中创建一个标识该文件的条目
- 在Client连接Pipeline中第一个DataNode节点之前，Client调用addBlock分配一个Block（blkId+DataNode列表+租约）
- 如果与Pipeline中第一个DataNode节点连接失败，Client调用abandonBlock放弃一个已经分配的Block
- 一个Block已经写入到DataNode节点磁盘，Client调用fsync让NameNode持久化Block的位置信息数据
- 文件写完以后，Client调用complete方法通知NameNode写入文件成功
- DataNode节点接收到并成功持久化一个Block的数据后，DataNode调用blockReceived方法通知NameNode已经接收到Block
具体RPC调用的详细过程，可以参考源码。
原文地址：HDFS写文件过程分析, 感谢原作者分享。