详解HDFS读写流程

Posted 2021-04-14 akari的数据人生

关于HDFS的 block、packet与chunk详解

block、packet与chunk

在DFSClient写HDFS的过程中，有三个需要搞清楚的单位：block、packet与chunk；

• block是最大的一个单位，它是最终存储于DataNode上的数据粒度，由dfs.block.size参数决定，默认是128M；注：这个参数由客户端配置决定；

• packet是中等的一个单位，它是数据由DFSClient流向DataNode的粒度，以dfs.write.packet.size参数为参考值，默认是64K；注：这个参数为参考值，是指真正在进行数据传输时，会以它为基准进行调整，调整的原因是一个packet有特定的结构，调整的目标是这个packet的大小刚好包含结构中的所有成员，同时也保证写到DataNode后当前block的大小不超过设定值；

• chunk是最小的一个单位，它是DFSClient到DataNode数据传输中进行数据校验的粒度，由io.bytes.per.checksum参数决定，默认是512B；

• 注：事实上一个chunk还包含4B的校验值，因而chunk写入packet时是516B；数据与检验值的比值为128:1，所以对于一个128M的block会有一个1M的校验文件与之对应;

HDFS写数据流程

我自己的一张图

1）客户端向namenode请求上传文件，namenode检查目标文件是否已存在，父目录是否存在。

2）namenode返回是否可以上传。

3）客户端请求第一个 block上传到哪几个datanode服务器上。

4）namenode返回3个datanode节点，分别为dn1、dn2、dn3。

5）客户端请求dn1上传数据，dn1收到请求会继续调用dn2，然后dn2调用dn3，将这个通信管道建立完成

6）dn1、dn2、dn3逐级应答客户端

7）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，dn2传给dn3；dn1每传一个packet会放入一个应答队列等待应答

8）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）

官方图解及API解释:

1. 客户端通过调用DistributedFileSystem的create方法创建新文件。

 

2. DistributedFileSystem通过RPC调用namenode去创建一个没有blocks关联的新文件，创建前， namenode会做各种校验，比如文件是否存在，客户端有无权限去创建等。如果校验通过， namenode就会记录下新文件，否则就会抛出IO异常。

 

3. 前两步结束后，会返回FSDataOutputStream的对象，与读文件的时候相似， FSDataOutputStream被封装成DFSOutputStream。DFSOutputStream可以协调namenode和 datanode。客户端开始写数据到DFSOutputStream，DFSOutputStream会把数据切成一个个小的packet，然后排成队 列data quene（数据队列）。

 

4. DataStreamer会去处理接受data quene，它先询问namenode这个新的block最适合存储的在哪几个datanode里（比如重复数是3，那么就找到3个最适合的 datanode），把他们排成一个pipeline。DataStreamer把packet按队列输出到管道的第一个datanode中，第一个 datanode又把packet输出到第二个datanode中，以此类推。

 

5. DFSOutputStream还有一个对列叫ack quene，也是由packet组成，等待datanode的收到响应，当pipeline（管道）中的所有datanode都表示已经收到的时候，这时ack quene（确认队列）才会把对应的packet包移除掉。

l 如果在写的过程中某个datanode发生错误，会采取以下几步： 

1) pipeline被关闭掉； 

2) 为了防止防止丢包ack quene里的packet会同步到data quene里； 

3) 把产生错误的datanode上当前在写但未完成的block删掉； 

4) block剩下的部分被写到剩下的两个正常的datanode中； 

5) namenode找到另外的datanode去创建这个块的复制。当然，这些操作对客户端来说是无感知的。

 

6. 客户端完成写数据后调用close方法关闭写入流。

 

7. DataStreamer把剩余得包都刷到pipeline里，然后等待ack信息，收到最后一个ack后，通知datanode把文件标视为已完成。

l 注意：客户端执行write操作后，写完的block才是可见的(注:和下面的一致性所对应)，正在写的block对客户端是不可见的，只有 调用sync方法，客户端才确保该文件的写操作已经全部完成，当客户端调用close方法时，会默认调用sync方法。是否需要手动调用取决你根据程序需 要在数据健壮性和吞吐率之间的权衡

写过程中的三层buffer(缓存)
写过程中会以chunk、packet及packet queue三个粒度做三层缓存；

• 首先，当数据流入DFSOutputStream时，DFSOutputStream内会有一个chunk大小的buffer，当数据写满这个buffer（或遇到强制flush(一致性原则)），会计算checksum值，然后填塞进packet；

• 当一个chunk填塞进入packet后，仍然不会立即发送，而是累积到一个packet填满后，将这个packet放入dataqueue队列；

• 进入dataqueue队列的packet会被另一线程按序取出发送到datanode；

• （注：生产者消费者模型，阻塞生产者的条件是dataqueue与ackqueue之和超过一个block的packet上限）

  
  

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HDFS读数据流程

我自己的一张图:

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放入流，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。

官方图解与API解释:

1. 首先调用FileSystem对象的open方法，其实是一个DistributedFileSystem的实例。

2. DistributedFileSystem通过rpc获得文件的第一批block的locations，同一个block按照重复数会返回多个locations，这些locations按照hadoop拓扑结构排序，距离客户端近的排在前面。

3. 前两步会返回一个FSDataInputStream对象，该对象会被封装DFSInputStream对象，DFSInputStream可 以方便的管理datanode和namenode数据流。客户端调用read方法，DFSInputStream最会找出离客户端最近的datanode 并连接。

4. 数据从datanode源源不断的流向客户端。

5. 如果第一块的数据读完了，就会关闭指向第一块的datanode连接，接着读取下一块。这些操作对客户端来说是透明的，客户端的角度看来只是读一个持续不断的流。

6. 如果第一批block都读完了， DFSInputStream就会去namenode拿下一批block的locations，然后继续读，如果所有的块都读完，这时就会关闭掉所有的流。 

7. 如果在读数据的时候， DFSInputStream和datanode的通讯发生异常，就会尝试正在读的block的排序第二近的datanode,并且会记录哪个 datanode发生错误，剩余的blocks读的时候就会直接跳过该datanode。 DFSInputStream也会检查block数据校验和，如果发现一个坏的block,就会先报告到namenode节点，然后 DFSInputStream在其他的datanode上读该block的镜像。

8. 该设计就是客户端直接连接datanode来检索数据并且namenode来负责为每一个block提供最优的datanode， namenode仅仅处理block location的请求，这些信息都加载在namenode的内存中，hdfs通过datanode集群可以承受大量客户端的并发访问。

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