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【Hadoop】HDFS - 创建文件流程详解

[日期:2015-05-13] 来源:博客园  作者:foreach_break [字体: ]

  1.本文目的

  通过解析客户端创建文件流程,认知hadoop的HDFS系统的一些功能和概念。


  2.主要概念

  2.1 NameNode(NN)

  HDFS系统核心组件,负责分布式文件系统的名字空间管理、INode表的文件映射管理。如果不开启备份/故障恢复/Federation模式,一般的HDFS系统就只有1个NameNode,当然这样是存在单点故障隐患的。

  NN管理两个核心的表:文件到块序列的映射、块到机器序列的映射。
  第一个表存储在磁盘中,第二表在NN每次启动后重建。

  2.2 NameNodeServer(NNS)

  负责NN和其它组件的通信接口的开放(IPC、http)等。
  NN通过客户端协议(ClientProtocol)和客户端通信,通过数据节点协议(DataNodeProtocol)和DN通信。

  2.3 FSNameSystem

  管理文件系统相关,承担了NN的主要职责。

  2.4 DataNode(DN)

  分布式文件系统中存放实际数据的节点,存储了一系列的文件块,一个DFS部署中通常有许多DN。
  DN和NN,DN和DN,DN和客户端都通过不同的IPC协议进行交互。
  通常,DN接受来自NN的指令,比如拷贝、删除文件块。
  客户端在通过NN获取了文件块的位置信息后,就可以和DN直接交互,比如读取块、写入块数据等。

  DN节点只管理一个核心表:文件块到字节流的映射。

  在DN的生命周期中,不断地和NN通信,报告自己所存储的文件块的状态,NN不直接向DN通信,而是应答DN的请求,比如在DN的心跳请求后,回复一些关于复制、删除、恢复文件块的命令(comands)。
  DN和外界通信的接口<host:port>会报告给NN,想和此DN交互的客户端或其它DN可以通过和NN通信来获取这一信息。

  2.5 Block

  文件块,hadoop文件系统的原语,hadoop分布式文件系统中存储的最小单位。一个hadoop文件就是由一系列分散在不同的DataNode上的block组成。

  2.6 BlockLocation

  文件块在分布式网络中的位置<host:port>,也包括一些块的元数据,比如块是否损坏、块的大小、块在文件中的偏移等。

  2.7 DFSClient

  分布式文件系统的客户端,用户可以获取一个客户端实例和NameNode及DataNode交互,DFSClient通过客户端协议和hadoop文件系统交互。

  2.8 Lease

  租约,当客户端创建或打开一个文件并准备进行写操作,NameNode会维护一个文件租约,以标记谁正在对此文件进行写操作。客户端需要定时更新租约,否则当租约过期,NN会关闭文件或者将文件的租约交给其它客户端。

  2.9 LeaseRenewer

  续约管控线程,当一个DFSClient调用申请租约后,如果此线程尚未启动,则启动,并定期向NameNode续约。


  三.创建一个文件

  当hadoop的分布式集群启动之后,可以通过FS或Shell来创建文件,FS创建文件的命令如下:

//cluser是hadoop集群,通过fs和集群文件系统交互
final DistributedFileSystem fs = cluster.getFileSystem();
// 要创建的文件名
final Path tmpFile1 = new Path("/tmpfile1.dat");

//创建文件
public static void createFile(FileSystem fs, Path fileName, long fileLen, 
      short replFactor, long seed) throws IOException {
    if (!fs.mkdirs(fileName.getParent())) {
      throw new IOException("Mkdirs failed to create " + 
                            fileName.getParent().toString());
    }
    FSDataOutputStream out = null;
    try {
      out = fs.create(fileName, replFactor);
      byte[] toWrite = new byte[1024];
      Random rb = new Random(seed);
      long bytesToWrite = fileLen;
      while (bytesToWrite>0) {
        rb.nextBytes(toWrite);
        int bytesToWriteNext = (1024<bytesToWrite)?1024:(int)bytesToWrite;

        out.write(toWrite, 0, bytesToWriteNext);
        bytesToWrite -= bytesToWriteNext;
      }
      out.close();
      out = null;
    } finally {
      IOUtils.closeStream(out);
    }
  }

  四、流程分析

  创建一个名为tmpfile1.dat的文件,主要流程如下:

这里写图片描述


  4.1 发送创建文件的请求(CreateFile)

  客户端向NN发起请求,获取文件信息,NN会在缓存中查找是否存在请求创建的文件项(file entry),如果没找到,就在NameSystem中创建一个新的文件项:

块管理器(BlockManager)检查复制因子是否在范围内,如果复制因子过小或过大就会异常。
同时会进行权限验证、加密、安全模式检测(如果在安全模式不能创建文件)等,并记录操作日志和事件日志,然后向客户端返回文件状态。


  4.2 申请文件租用权(beginFileLease)

  客户端取得文件状态后,对文件申请租用(lease),如果租用过期,客户端将无法再继续对文件进行访问,除非进行续租。


  4.3 数据流管控线程启动(DataStreamer & ResponseProcessor)

  DataStreamer线程负责数据的实际发送:

当数据队列(Data Queue)为空时,会睡眠,并定期苏醒以检测数据队列是否有新的数据需要发送、Socket套接字是否超时、是否继续睡眠等状态。

  ResponseProcessor负责接收和处理pipeline下游传回的数据接收确认信息pipelineACK


  4.4 发送添加块申请并初始化数据管道(AddBlock & Setup Pipeline)

  当有新的数据需要发送,并且块创建阶段处于PIPELINE_SETUP_CREATE,DataStreamer会和NameNode通信,调用AddBlock方法,通知NN创建、分配新的块及位置,NN返回后,初始化Pipeline和发送流。


  4.5 DataNode数据接收服务线程启动(DataXceiverServer & DataXceiver)

  当DataNode启动后,其内部的DataXceiverServer组件启动,此线程管理向其所属的DN发送数据的连接建立工作,新连接来时,DataXceiverServer会启动一个DataXceiver线程,此线程负责流向DN的数据接收工作。


  4.6 在Pipeline中处理数据的发送和接收

  客户端在获取了NameNode分配的文件块的网络位置之后,就可以和存放此块的DataNode交互。
客户端通过SASL加密方式和DN建立连接,并通过pipeline来发送数据。


  4.6.1 从pipeline接收数据

  pipeline由数据源节点、多个数据目的节点组成,请参考上面的流程图。

  位于pipeline中的第一个DataNode会接收到来自客户端的数据流,其内部DataXceiver组件,通过读取操作类型(OP),来区分进行何种操作,如下所示:

  protected final void processOp(Op op) throws IOException {
    switch(op) {
    case READ_BLOCK:
      opReadBlock();
      break;
    //本例中将会使用WRITE_BLOCK指令
    case WRITE_BLOCK:
      opWriteBlock(in);
      break;
	
	//略...
	
    default:
      throw new IOException("Unknown op " + op + " in data stream");
    }
  }

  如果OP是WRITE_BLOCK,调用写数据块的方法,此方法会根据数据源是客户端还是其他DataNode、块创建的阶段等条件进行不同的逻辑。


  4.6.2 数据在pipeline中流动

  在本例中,第一个收到数据的DN会再启动一个blockReceiver线程,以接收实际的块数据,在本地保存了块数据后,其负责向pipeline中的后续DN继续发送块数据。

  每次向下游DN节点发送数据,标志着数据目的节点的targets数组都会排除自身,这样,就控制了pipeline的长度。

  下游收到块数据的DN会向上游DN或者客户端报告数据接收状态。

这种链式或者序列化的数据转移方式,就像数据在管道中从上游流向下游,所以这种方式称作pipeline


  4.6.3 pipeline的生命周期

这里写图片描述
  在本例中:

DataStreamer线程启动后,pipeline进入PIPELINE_SETUP_CREATE阶段;
数据流初始化后,pipeline进入DATA_STREAMING阶段;
数据发送完毕后,pipeline进入PIPELINE_CLOSE阶段。

  客户端在DataStreamer线程启动后,同时启动了一个ResponseProcessor线程,此线程用于接收pipeline中来自下游节点的数据接收状态报告pipelineACK,同时此线程和DataStreamer线程协调管理pipeline状态。

  当DataStreamer向pipeline发送数据时,会将发送的数据包(packet)从数据队列(Data Queue)中移除,并加入数据确认队列(Ack Queue):

//DataStreamer发送数据后,将dataQueue的第一个元素出队,并加入ackQueue
one = dataQueue.getFirst();
dataQueue.removeFirst();
ackQueue.addLast(one);

  而当ResponseProcessor收到下游的pipelineAck后,据此确认信息来判断pipeline状态,是否需要重置和重新调整。如果确认信息是下游节点数据接收成功了,就将确认队列(AckQueue)的第一个数据包删除。

//ResponseProcessor收到成功的Ack,就将ackQueue的第一个包移除
lastAckedSeqno = seqno;
ackQueue.removeFirst();
dataQueue.notifyAll();

  通过这样的方式,DataStreamer可以确认数据包是否发送成功,也可以确认全部的数据包是否已经发送完毕。

显然,当AckQueue空了,并且已经发送的数据包是块里的最后一个包,数据就发送完毕了。

  发送完毕的判断如下所示:

          if (one.lastPacketInBlock) {
            // wait for all data packets have been successfully acked
            synchronized (dataQueue) {
              while (!streamerClosed && !hasError && 
                  ackQueue.size() != 0 && dfsClient.clientRunning) {
                try {
                  // wait for acks to arrive from datanodes
                  dataQueue.wait(1000);
                } catch (InterruptedException  e) {
                  DFSClient.LOG.warn("Caught exception ", e);
                }
              }
            }
            if (streamerClosed || hasError || !dfsClient.clientRunning) {
              continue;
            }
            //在没有错误的情况下,AckQueue为空,并且包one是block的最后一个包,数据就发送完了
            stage = BlockConstructionStage.PIPELINE_CLOSE;
          }

  4.7 发送文件操作完成请求(completeFile)

  客户端向NameNode发送completeFile请求:

NN收到请求后,验证块的BlockPoolId是否正确,接着对操作权限、文件写锁(write lock)、安全模式、租约、INode是否存在、INode类型等等进行验证,最后记录操作日志并返回给客户端。


  4.8 停止文件租约(endFileLease)

  客户端在完成文件写操作后,调用leaseRenewer(LR)实例,从LR管理的续约文件表中删除此文件,表明不再更新租约,一段时间后,租约在NN端自然失效。


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