Hbase存储详解

Hbase是bigtable的开源山寨版本。是建立的hdfs之上，提供高可靠性、高性能、列存储、可伸缩、实时读写的数据库系统。

它介于nosql和RDBMS之间，仅能通过主键(row key)和主键的range来检索数据，仅支持单行事务。主要用来存储非结构化和半结构化的松散数据。

与hadoop一样，Hbase目标主要依靠横向扩展，通过不断增加廉价的商用服务器，来增加计算和存储能力。

Hbase中的表一般有这样的特点：

1 大：一个表可以有上亿行，上百万列

2 面向列:面向列(族)的存储和权限控制，列(族)独立检索。

3 稀疏:对于为空(null)的列，并不占用存储空间，因此，表可以设计的非常稀疏。

下面一幅图是Hbase在Hadoop Ecosystem中的位置。

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二、逻辑视图

Hbase以表的形式存储数据。表有行和列组成。列划分为若干个列族(row family)

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Row Key

与nosql数据库们一样,row key是用来检索记录的主键。访问Hbase table中的行，只有三种方式：

1 通过单个row key访问

2 通过row key的range

3 全表扫描

Row key行键 (Row key)可以是任意字符串(最大长度是 64KB，实际应用中长度一般为 10-100bytes)，在Hbase内部，row key保存为字节数组。

存储时，数据按照Row key的字典序(byte order)排序存储。设计key时，要充分排序存储这个特性，将经常一起读取的行存储放到一起。

注意：

字典序对int排序的结果是1,10,100,11,12,13,14,15,16,17,18,19,2,20,21,…,9,91,92,93,94,95,96,97,98,99。要保持整形的自然序，行键必须用0作左填充。

行的一次读写是原子操作 (不论一次读写多少列)。

列族

Hbase表中的每个列，都归属与某个列族。列族是表的chema的一部分(而列不是)，必须在使用表之前定义。列名都以列族作为前缀。例如courses:history，courses:math

都属于courses 这个列族。

时间戳

Hbase中通过row和columns确定的为一个存贮单元称为cell。每个 cell都保存着同一份数据的多个版本。版本通过时间戳来索引。时间戳的类型是 64位整型。时间戳可以由Hbase(在数据写入时自动 )赋值，此时时间戳是精确到毫秒的当前系统时间。时间戳也可以由客户显式赋值。如果应用程序要避免数据版本冲突，就必须自己生成具有唯一性的时间戳。每个 cell中，不同版本的数据按照时间倒序排序，即最新的数据排在最前面。

Cell

由{row key, column, version} 唯一确定的单元。cell中的数据是没有类型的，全部是字节码形式存贮。

三、物理存储

1 已经提到过，Table中的所有行都按照row key的字典序排列。

2 Table 在行的方向上分割为多个Hregion。

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3 region按大小分割的，每个表一开始只有一个region，随着数据不断插入表，region不断增大，当增大到一个阀值的时候，Hregion就会等分会两个新的Hregion。当table中的行不断增多，就会有越来越多的Hregion。

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4 HRegion是Hbase中分布式存储和负载均衡的最小单元。最小单元就表示不同的Hregion可以分布在不同的HRegion server上。但一个Hregion是不会拆分到多个server上的。

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5 HRegion虽然是分布式存储的最小单元，但并不是存储的最小单元。

事实上，HRegion由一个或者多个Store组成，每个store保存一个columns family。

每个Strore又由一个memStore和0至多个StoreFile组成。如图：

StoreFile以HFile格式保存在HDFS上。

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Hbase基本组件说明：

Client

包含访问HBase的接口，并维护cache来加快对HBase的访问，比如region的位置信息

Master

为Region server分配region

负责Region server的负载均衡

发现失效的Region server并重新分配其上的region

管理用户对table的增删改查操作

Region Server

Regionserver维护region，处理对这些region的IO请求

Regionserver负责切分在运行过程中变得过大的region

Zookeeper作用

通过选举，保证任何时候，集群中只有一个master，Master与RegionServers 启动时会向ZooKeeper注册

存贮所有Region的寻址入口

实时监控Region server的上线和下线信息。并实时通知给Master

存储HBase的schema和table元数据

默认情况下，HBase 管理ZooKeeper 实例，比如， 启动或者停止ZooKeeper

Zookeeper的引入使得Master不再是单点故障

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Write-Ahead-Log（WAL）HLog

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该机制用于数据的容错和恢复：

每个HRegionServer中都有一个HLog对象，HLog是一个实现Write Ahead Log的类，在每次用户操作写入MemStore的同时，也会写一份数据到HLog文件中（HLog文件格式见后续），HLog文件定期会滚动出新的，并删除旧的文件（已持久化到StoreFile中的数据）。当HRegionServer意外终止后，HMaster会通过Zookeeper感知到，HMaster首先会处理遗留的 HLog文件，将其中不同Region的Log数据进行拆分，分别放到相应region的目录下，然后再将失效的region重新分配，领取 到这些region的HRegionServer在Load Region的过程中，会发现有历史HLog需要处理，因此会Replay HLog中的数据到MemStore中，然后flush到StoreFiles，完成数据恢复

HBase容错性
Master容错：Zookeeper重新选择一个新的Master
无Master过程中，数据读取仍照常进行；
无master过程中，region切分、负载均衡等无法进行；
RegionServer容错：定时向Zookeeper汇报心跳，如果一旦时间内未出现心跳，Master将该RegionServer上的Region重新分配到其他RegionServer上，失效服务器上“预写”日志由主服务器进行分割并派送给新的RegionServer
Zookeeper容错：Zookeeper是一个可靠地服务，一般配置3或5个Zookeeper实例

HBase存储数据其底层使用的是HDFS来作为存储介质，HBase的每一张表对应的HDFS目录上的一个文件夹，文件夹名以HBase表进行命名（如果没有使用命名空间，则默认在default目录下），在表文件夹下存放在若干个Region命名的文件夹，Region文件夹中的每个列簇也是用文件夹进行存储的，每个列簇中存储就是实际的数据，以HFile的形式存在。路径格式如下：

/hbase/data/default/<tbl_name>/<region_id>/<cf>/<hfile_id>