初识hdfs之读写流程

随着数据量越来越大， 在 一个操作系统管辖的范围存不下了， 那么就 分配到更多的操作系统管理的磁盘中， 但是不方便管理和维护，迫切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。 分布式文件系统是一种允许文件通过网络在多台主机上分享的 文件的系统，可让多机器上的多用户分享文件和存储空间。分布式文件管理系统很多，HDFS 只是其中一种。适用于一次写入、多次查询的情况，不支持并发写情况，小文件不合适。因为小文件也占用一个块，小文件越多（1000个1k文件）块越 多，NameNode压力越大。

基本概念

元数据节点和数据节点

元数据节点(NameNode)的作用是 管理文件目录结构，接受用户的操作请求,是管理数据节点的。名字节点维护两套数据， 一套 是文件 目录与数据块之间的关系 ， 另一套 是 数据块与节点之间的关系 。 前一套 数据是 静态的 ，是存放在磁盘上的， 通过fsimage和edits文件来维护 ； 后一套 数据是 动态的 ，不持久放到到磁盘的，每当集群启动的时候，会自动建立这些信息，所以一般都放在内存中。
所以他是整个文件系统的 管理节点。 它维护着整个文件系统的 文件目录树，文件/目录的 元信息和每个文件对应的 数据块列表。接收用户的操作请求 。
文件包括：
① fsimage （文件系统镜像）:元数据镜像文件。存储某一时段NameNode内存 元数据信息。
② edits: 操作日志文件。
③ fstime: 保存最近一次checkpoint的时间
以上这些文件是保存在linux的文件系统中

Namenode 特点
<1>是一种允许文件 通过网络在多台主机上分享的文件系统，可让多机器上的多用户分享文件和存储空间。
<2>通透性。让实际上是通过网络来访问文件的动作，由程序与用户看来，就像是访问本地的磁盘一般。
<3>容错。即使系统中有某些节点脱机，整体来说系统仍然可以持续运作而不会有数据损失。
<4>适用于 一次写入、 多次查询的情况，不支持并发写情况，小文件不合适

既然NameNode维护这么多的信息,那么 这些信息都存放在哪里呢?
在hadoop源代码中有个文件叫做 hdfs-site.xml ,有两个配置信息，一个是 dfs.name.dir， 另一个是dfs.name.edits.dir 。这两个文件表示的是 NameNode的核心文件fsimage和edits的存放位置，

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我们可以进入linux文件系统
执行命令 cd /usr/local/hadoop/conf,more core-site.xml

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可以看出，这 两个文件的存储位置 是在linux文件系统的/usr/local/hadoop/tmp/dfs/name目录下。

NameNode的核心文件 fsimage和 edits的存放在current目录下， 与此同时 name目录下有一个文件 in_use.lock 而查看其内容的时候发现，内容为空，也就是说只能有一个Namenode进程能够访问该目录，读者可以自己试一下，当没有开启hadoop时，该目录下是没有文件 in_use.lock 的，当hadoop启动以后才会生成该文件。

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文件 fsimage 是NameNode的核心文件
这个文件非常重要，丢失的话，Namenode无法使用， 那么如何防止该文件丢失而造成不良后果呢。我可以下再次看一下hdfs-default.xml中的一段代码，如下图所示

由其中的描述可知，该变量，决定DFS NameNode 的NameTable(fsimage)应该在本地文件系统上的存储位置。如果这是 一个用逗号分隔的列表的目录，那么nametable，会被复复制到所有的目录中,来冗余（备份来保证数据的安全性）。 如${hadoop.tmp.dir}/dfs/name，~/name2，~/name3，~/name4。那么fsimage会分别复制到~/name1，~/name2，~/name3，~/name4 目录中。所以这些目录一般是在不同的机器,不同的磁盘，不同的文件夹上，总之越分散越好，这样能保证数据的安全性。

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看一下edits的描述
查看一下 hdfs-default.xml 中的一段代码，如下图所示，

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由其中的描述可知，该变量，决定DFSNameNode的 存储事务文件（edits）在本地文件系统上的位置。 如果这是一个以逗号分隔的目录列表，那么，事务文件会被复制所有的目录中,来冗余。默认值是dfs.name.dir一样。（edit保存事务过程）

HDFS的基本结构之 DataNode

数据节点（datanode）就是负责存储数据文件的。
block: 如果一个文件非常大，比如100GB，那么怎么存储在DataNode中呢？DataNode在存储数据的时候是按照block为单位读写数据的。block是hdfs读写数据的基本单位。

假设文件大小是100GB，从字节位置0开始，每64MB字节划分为一个block，依此类推，可以划分出很多的block。每个block就是64MB大小

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由上图可知，类中的属性没有一个是可以存储数据的。 所以block本质上是一个 逻辑概念，意味着block里面不会真正的存储数据，只是划分文件的。

为什么一定要划分为64MB大小呢？
因为这是在默认配置文件中设置的，我们查看 core-default.xml 文件，如下图所示。

上图中的参数ds.block.name指的就是block的大小，值是67 108 864字节，可以换算为64MB。如果我们不希望使用64MB大小，可以在core-site.xml中覆盖该值。注意单位是字节。

目录结构

DataNode是按block来划分文件的
那么划分后的文件到底存放在哪里哪？我们查看文件core-default.xml，如下图所示。

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参数 dfs.data.dir的值就是 block存放在linux文件系统中的位置。变量 hadoop.tmp.dir的值 前面已经介绍了，是 /usr/local/hadoop/tmp ，那么 dfs.data.dir 的完整路径是/usr/local/hadoop/tmp/dfs/data

上传一个文件

我们首先点击PieTTY打开另一个Linux终端，上传一个文件 jdk-6u24-linux-i586.bin，文件大小为 84927175k，如下图所示。

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然后我们可以在原来终端，查看上传文件，就是在该Linux文件系统的/usr/local/hadoop/tmp/dfs/data目录下， 如下图所示

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上图中以 “blk_”开头的文件就是 存储数据的block。这里的命名是有规律的，除了block文件外，还有后 缀是“meta”的文件 ，这是block的源数据文件，存放一些元数据信息。因此，上图中只有2个block文件。

注意：我们从linux 磁盘上传一个完整的文件到hdfs 中，这个文件在linux 是可以看到的，但是上传到hdfs 后，就不会有一个对应的文件存在，而是被划分成很多的block 存在的。

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HDFS的基本结构之 SecondaryNode

HA的一个解决方案。但不支持热备。配置即可。由于数据操作越多edits文件膨胀越大，但不能让他无限的膨胀下去，所以要把日志过程转换出来 放到fsimage中。由于NameNode要接受用户的操作请求，必须能够快速响应用户请求，为了保证NameNode的快速响应给用户，所以将此项工 作交给了 SecondaryNode ，所以他也备份一部分fsimage的一部分内容。

执行过程：从NameNode上 下载元数据信息（fsimage,edits），然后把二者合并，生成新的fsimage，在本地保存，并将其推送到NameNode，同时重置NameNode的edits.默认在安装在NameNode节点上，但这样...不安全！

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HDFS架构与设计

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HDFS 采用Master/Slave的架构来存储数据，这种架构主要由四个部分组成，分别为HDFS Client、NameNode、DataNode和Secondary NameNode。

Client：就是客户端。

​ 1、切分文件：文件上传 HDFS 的时候，Client 将文件切分成 一个一个的Block，然后进行存储。

​ 2、与 NameNode 交互，获取文件的位置信息。

​ 3、与 DataNode 交互，读取或者写入数据。

​ 4、Client 提供一些命令来管理 HDFS，比如启动或者关闭HDFS。

​ 5、Client 可以通过一些命令来访问 HDFS。

NameNode：就是 master，它是一个主管、管理者。

​ 1、管理 HDFS 的名称空间（namespace）。Namenode维护文件系统的namespace，一切对namespace和文件属性进行修改的都会被namenode记录下来

​ 2、管理数据块（Block）映射信息。Namenode全权管理block的复制，它周期性地从集群中的每个Datanode接收心跳包和一个Blockreport。心跳包的接收表示该Datanode节点正常工作，而Blockreport包括了该Datanode上所有的block组成的列表

​ 3、文件系统元数据的持久化。 Namenode在内存中保存着整个文件系统namespace和文件Blockmap的映像。这个关键的元数据设计得很紧凑，因而一个带有4G内存的 Namenode足够支撑海量的文件和目录。当Namenode启动时，它从硬盘中读取Editlog和FsImage，将所有Editlog中的事务作用（apply)在内存中的FsImage ，并将这个新版本的FsImage从内存中flush到硬盘上,然后再truncate这个旧的Editlog，因为这个旧的Editlog的事务都已经作用在FsImage上了。这个过程称为checkpoint。在当前实现中，checkpoint只发生在Namenode启动时，在不久的将来我们将实现支持周期性的checkpoint

​ 3、配置副本策略，

​ 4、处理客户端读写请求。

DataNode：就是Slave，NameNode 下达命令，DataNode 执行实际的操作。

​ 1、存储实际的数据块。

​ 2、执行数据块的读/写操作。

Secondary NameNode：并非 NameNode 的热备份（两个节点同时运行，一个挂掉了切换另一个）。当NameNode 挂掉的时候，它并不能马上替换 NameNode 并提供服务。

​ 1、辅助 NameNode，分担其工作量。

​ 2、定期合并 fsimage和fsedits，并推送给NameNode。

​ 3、在紧急情况下，可辅助恢复 NameNode。

设计理解

Hadoop 主要由HDFS（Hadoop Distributed File System）和MapReduce 引擎两部分组成。最底部是HDFS，它存储Hadoop 集群中所有存储节点上的文件。

HDFS 可以执行的操作有创建、删除、移动或重命名文件等，架构类似于传统的分级文件系统，HDFS 包括唯一的NameNode，它在HDFS 内部提供元数据服务；DataNode 为HDFS 提供存储块。由于NameNode 是唯一的，这也是HDFS 的一个弱点（单点失败）。一旦NameNode 故障，后果可想而知。

• 错误检测和快速、自动的恢复是HDFS的核心架构目标

• HDFS应用对文件要求的是write-one-read-many访问模型

• 通信协议： 所有的HDFS通讯协议都是构建在TCP/IP协议上。客户端通过一个可配置的端口连接到Namenode，通过ClientProtocol与 Namenode交互。而Datanode是使用DatanodeProtocol与Namenode交互。从ClientProtocol和 Datanodeprotocol抽象出一个远程调用(RPC），在设计上，Namenode不会主动发起RPC，而是是响应来自客户端和 Datanode 的RPC请求。

HDFS中的读写流程

读文件流程

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• 客户端（client）首先调用FileSystem的open()函数打开它想要打开的文件，对于HDFS来说就是通过DistributedFileSystem实例通过RPC调用请求元数据节点，得到组成文件的前几个数据块信息。对于每一个数据块，元数据节点返回保存数据块的datanode地址（是分批次获取的，每次是几个数据块），这些datanode会按照与客户端的接近度来排序，（如果客户端节点自己就是存放了目标数据块的datanode，就优先从本节点读取）。

• DistributedFileSystem返回FSDataInputStream（支持文件seek的输入流）给客户端，客户端就能从流中读取数据了，FSDataInputStream中封装了一个管理了datanode与namenode IO的DFSInputStream。

• 客户端调用read()方法开始读取数据，存储了文件前几个块的地址的DFSInputStream,就会链接存储了第一个块的第一个（最近的）datanode，然后DFSInputStream就通过重复调用read()方法，数据就从datanode流向了客户端，当该datanode中最后一个快的读取完成了，DFSInputStream会关闭与datanode的连接，然后为下一块寻找最佳节点。这个过程对客户端是透明的，在客户端那边就像是读取了一个连续不断的流。

• 块是顺序读取的，通过DFSInputStream在datanode上打开新的连接去作为客户端读取流，同样它也会请求namenode来获取下一批所需要的块所在的datanode地址。当客户端完成了读取就在FSDataInpuStream上调用close()方法结束整个流程。

• 在读取过程中，如果FSDataInputStream在和一个datanode进行交流时出现了一个错误，它就去试一试下一个最接近的块，同时也会记住刚才发生错误的datanode，之后便不会再在这个datanode上进行没必要的尝试。 DFSInputStream 也会在 datanode 上传输出的数据上核查检查数(checknums).如果损坏的块被发现了，DFSInputStream 就试图从另一个拥有备份的 datanode 中去读取备份块中的数据。

在这个设计中一个重要的方面是客户端直接从datanode上检索数据，并通过namenode指导来得到每一个块的最佳datanode。这种设计HDFS拓展大量的并发客户端，因为数据传输只是与集群上的所有datanode展开，namenode仅仅只需要服务于获取块位置的请求。而块位置信息是存放在内存中，所以效率很高，如果不这样设计，随着客户端数据量的增加，数据服务就会很快成为一个瓶颈。

写数据流程

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1. 使用HDFS提供的客户端Client，向远程的Namenode发起RPC请求

2. Namenode会检查要创建的文件是否已经存在，创建者是否有权限进行操作，成功则会文件创建一个记录，否则会让客户端抛出异常，

3. 当客户端开始写入文件的时候，客户端会将文件切分成多个packets，并在内部以数据队列“data queue"形式管理这些packets, 然后向Namenode申请blocks,获取用来存储replications的合适的datanode列表，列表的大小根据Namenode中的replication值而定。

4. 开始以pipeline的形式将packet写入所有的replications中，客户端把packet以流的方式写入第一个datanode，该datanode把该packet存储之后，再将其传递给在此pipeline的下一个datanode，直到最后一个datanode，这种写数据的方式呈流水线形式。

5. 最后一个datanode成功存储之后会返回一个ack packet（确认队列），在pipeline里传递给客户端，在客户端的开发库内部维护者“ack queue”，成功收到datanode返回的ack packet后会从“ack queue”移除相应的 packet。

6. 如果传输过程中， 有某个datanode出现了故障， 那么当前的pipeline会被关闭， 出现故障的datanode会从当前的pipeline中移除， 剩余的block会继续剩下的datanode中继续以pipeline的形式传输， 同时Namenode会分配一个新的datanode， 保持replications设定的数量。

7. 客户端完成数据的写入后，会对数据流调用close()，关闭数据流。

8. 只要写入了dfs.replication.min的复本数（ 默认为1），写操作就会成功， 并且这个块可以在集群中异步复制， 直到达到其目标复本数（replication的默认值为3），因为namenode已经知道文件由哪些块组成， 所以它在返回成功前只需要等待数据块进行最小量的复制

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从上面的图中，我们可以清楚的看出NameNode对应于用户的三个动作分别
以create、 addBlock、 complete来进行相关的处理

1. NameNode的create动作主要是为客户端传过来的文件名在HDFS的Namesystem中申请一个名字空间，并为之建立一个相应的iNode，当然，这个iNode的状态是underConstruction，然后为这个客户创建一个该文件的独占锁，以防止其它的客户端对这个文件同时写。

2. NameNode的addBlock动作主要是为文件创建一个新的Block，并为这个Block的副本分配存储DataNode节点，最后给客户端返回一个LocatedBlock对象，该对象包含Block的副本应该存放的位置。在这里，NameNode节点此时并不保存该Block的副本位置，而是等到成功接收该Block的数据节点自动报告时它才正式记录该Block的一个副本的位置，这样做是由于HDFS不能保证Block一开始分配的数据节点都能成功结束Block

3. NameNode的complete动作就是更改与当前文件节点相关的状态，同时释放文件的文件锁。另外，NameNode还要判断文件的所有Blocks的副本是否已满足，对于还不满足的Blocks， NameNode将其放入neededReplications队列中，让其它的后台线程来负责这些Block的副本情况。 block是datanode存放数据的基本单位。

HDFS中常用到的命令

1、hadoop fs

hadoop fs -ls /
hadoop fs -lsr
hadoop fs -mkdir /user/hadoop
hadoop fs -put a.txt /user/hadoop/
hadoop fs -get /user/hadoop/a.txt /
hadoop fs -cp src dst
hadoop fs -mv src dst
hadoop fs -cat /user/hadoop/a.txt
hadoop fs -rm /user/hadoop/a.txt
hadoop fs -rmr /user/hadoop/a.txt
hadoop fs -text /user/hadoop/a.txt
hadoop fs -copyFromLocal localsrc dst 与hadoop fs -put功能类似。
hadoop fs -moveFromLocal localsrc dst 将本地文件上传到hdfs，同时删除本地文件。