HDFS跨集群数据合并方案之ViewFileSystem

Posted 2021-04-14 程序人生

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前言

在很多时候,我们会碰到数据融合的需求,比如说原先有A集群,B集群,后来管理员认为有2套集群,数据访问不方便,于是设法将A,B集群融合为一个更大的集群,将他们的数据都放在同一套集群上.一种办法就是用Hadoop自带的DistCp工具,将数据进行跨集群的拷贝.当然这会带来很多的问题,如果数据量非常庞大的话.本文给大家介绍另外一种解决方案,ViewFileSystem,姑且可以叫做视图文件系统.大意就是让不同集群间维持视图逻辑上的唯一性,不同集群间还是各管各的.

传统数据合并方案

为了形成对比,下面描述一下数据合并中常用的数据合并的做法,就是搬迁数据.举例在HDFS中,也会想到用DistCp工具进行远程拷贝.虽然DistCp本身就是用来干这种事情的,但是随着数据量规模的升级,会有以下问题的出现:

1.拷贝周期太长,如果数据量非常大,在机房总带宽有限的情况,拷贝的时间将会非常长.
2.数据在拷贝的过程中,一定会有原始数据的变更与改动,如何同步这方面的数据也是需要考虑的方面.

以上2点,是我想到的比较突出的问题.OK,下面就要隆重介绍一下ViewFileSystem的概念了,可能还不是被很多人所熟知.

ViewFileSystem:视图文件系统

前言中也部分提到了ViewFileSystem的概念,首先要明白一个核心原则

ViewFileSystem不是一个新的文件系统,只是逻辑上的一个视图文件系统,在逻辑上是唯一的.

这句话怎么理解呢,ViewFileSystem就帮大家做了一件事情

将各个集群的真实文件路径与ViewFileSystem的新定义的路径进行关联映射

上面这句话的意思就好比文件系统中的mount,挂载的意思.进一步地说,ViewFileSystem会在每个客户端中维护一份mount-table挂载关系表,就是上面说的集群物理路径->视图文件系统路径这样的指向关系.但是在mount-table中,关系当然不止1个,会有很多个.比如下面所示的多对关系:

/user          -> hdfs://nn1/containingUserDir/user
/project/foo   -> hdfs://nn2/projects/foo
/project/bar   -> hdfs://nn3/projects/bar

前面是ViewFileSystem中的路径,后者才是代表的真正集群路径.所以你可以理解为ViewFileSystem真正干的事情就是路径的路由解析.下面给出简单的原理图:

具体如何进行配置使用会在下文中给出使用方法.

ViewFileSystem内部实现原理

在上文中我们已经基本了解到了ViewFileSystem的作用基本是一个路由解析的角色,真实的请求处理还是在各自真实的集群上.这小节探讨的内容是ViewFileSystem内部是如何实现这个”路由解析“的角色呢?继续往下看.

目录挂载点

因为要做的是路由解析,所以挂载点的设计就显得非常重要了.下面看一下ViewFileSystem中是如何定义此类的.

static public class MountPoint {
    // 源路径
    private Path src;       // the src of the mount
    // 目录指向路径,也就是真实路径,可以为多个
    private URI[] targets; //  target of the mount; Multiple targets imply mergeMount
    MountPoint(Path srcPath, URI[] targetURIs) {
      src = srcPath;
      targets = targetURIs;
    }
    Path getSrc() {
      return src;
    }
    URI[] getTargets() {
      return targets;
    }
  }

一般情况下,挂载节点是一对一的,但是如果存在不同集群间有相同名称目录的情况,也是可以进行一对多的,在Hadoop中叫做MergeCount,不过这个功能目前尚未完成,还在开发中, 相关issueHADOOP-8298.

挂载点的解析与存放

在ViewFileSystem初始化操作中,挂载点的解析与存放其中一个非常重要的过程.其中的过程执行又是在下面这个变量中进行的:

InodeTree<FileSystem> fsState;  // the fs state; ie the mount table

进入ViewFileSystem的initialize实现:

 public void initialize(final URI theUri, final Configuration conf)
      throws IOException {
    super.initialize(theUri, conf);
    setConf(conf);
    config = conf;
    // Now build  client side view (i.e. client side mount table) from config.
    final String authority = theUri.getAuthority();
    try {
      myUri = new URI(FsConstants.VIEWFS_SCHEME, authority, "/", null, null);
      // 传入conf信息进行fsState初始化
      fsState = new InodeTree<FileSystem>(conf, authority) {
        ...

然后进入InodeTree的构造方法中

protected InodeTree(final Configuration config, final String viewName)
      throws UnsupportedFileSystemException, URISyntaxException,
    ...

    final String mtPrefix = Constants.CONFIG_VIEWFS_PREFIX + "." +
                            vName + ".";
    final String linkPrefix = Constants.CONFIG_VIEWFS_LINK + ".";
    final String linkMergePrefix = Constants.CONFIG_VIEWFS_LINK_MERGE + ".";
    boolean gotMountTableEntry = false;
    final UserGroupInformation ugi = UserGroupInformation.getCurrentUser();
    for (Entry<String, String> si : config) {
      final String key = si.getKey();
      // 判断源key名是否是前缀fs.viewfs.mounttable开头的
      if (key.startsWith(mtPrefix)) {
        ...
        // 获取目标映射的真实路径,可能为多个,以','隔开
        final String target = si.getValue(); // link or merge link
        createLink(src, target, isMergeLink, ugi);
      }
    }
    ...

真正实现挂载点关系的存储其实是在createLink方法中,进入此方法

private void createLink(final String src, final String target,
      final boolean isLinkMerge, final UserGroupInformation aUgi)
      throws URISyntaxException, IOException,
    FileAlreadyExistsException, UnsupportedFileSystemException {
    // Validate that src is valid absolute path
    final Path srcPath = new Path(src);
    if (!srcPath.isAbsoluteAndSchemeAuthorityNull()) {
      throw new IOException("ViewFs:Non absolute mount name in config:" + src);
    }

    // 将待添加的路径按照'/'分隔符进行拆分
    final String[] srcPaths = breakIntoPathComponents(src);
    // 设置当前节点为根节点
    INodeDir<T> curInode = root;
    ...

注意上面执行的最后一行代码处,出现了INodeDir的类,而且设置了当前curInode为根节点.这实际上是非常有用意的.继续查看INodeDir类的定义.

/**
   * Internal class to represent an internal dir of the mount table
   * @param <T>
   */
  static class INodeDir<T> extends INode<T> {
    // 孩子节点
    final Map<String,INode<T>> children = new HashMap<String,INode<T>>();
    // 与此挂载目录相关的文件系统
    T InodeDirFs =  null; // file system of this internal directory of mountT
    boolean isRoot = false;
    ...

从上面,我们可以看出这里是一个父亲-孩子的关系,并且每个目录会有对应自身的目标文件系统,而且孩子中可能还是InodeDir或是INode的子类.再联系到之前路径按照符号’/’进行划分,我们大致可以推测出,ViewFileSystem是按照书写结构的存放方式进行挂载点的存储的.

后面的代码基本上也验证了此时的猜想,下面是最相近的目录树的寻找:

 ...
    int i;
    // Ignore first initial slash, process all except last component
    // 忽略第一个空字符串,遍历其后的每一个子段
    for (i = 1; i < srcPaths.length-1; i++) {
      // 获取当前的子段字符串
      final String iPath = srcPaths[i];
      // 从当前的目录Inode中进行查找,
      INode<T> nextInode = curInode.resolveInternal(iPath);
      // 如果没有查找到,意味着当前的节点中没有此路径下对应的信息
      if (nextInode == null) {
        // 新增此路径对应的targetFileSystem的信息
        INodeDir<T> newDir = curInode.addDir(iPath, aUgi);
        newDir.InodeDirFs = getTargetFileSystem(newDir);
        // 并以此作为下个节点的,即为找到的目标节点
        nextInode = newDir;
      }
      // 如果此节点已经是INodeLink信息,则抛异常
      if (nextInode instanceof INodeLink) {
        // Error - expected a dir but got a link
        throw new FileAlreadyExistsException("Path " + nextInode.fullPath +
            " already exists as link");
      } else {
        // 如果还是Inode目录,则将子目录作为当前目录,往下寻找
        assert(nextInode instanceof INodeDir);
        curInode = (INodeDir<T>) nextInode;
      }
    }
    ...

找到最近一层的目录树后,在此下加入新的URI的Link关联信息

 ...
    // 到此基本找到了最底层的目录,然后在此目录下添加INodeLink链接
    final INodeLink<T> newLink;
    final String fullPath = curInode.fullPath + (curInode == root ? "" : "/")
        + iPath;
    // 将目录URL链接等信息全部传入INodeLink中,
    if (isLinkMerge) { // Target is list of URIs
      String[] targetsList = StringUtils.getStrings(target);
      URI[] targetsListURI = new URI[targetsList.length];
      int k = 0;
      for (String itarget : targetsList) {
        targetsListURI[k++] = new URI(itarget);
      }
      newLink = new INodeLink<T>(fullPath, aUgi,
          getTargetFileSystem(targetsListURI), targetsListURI);
    } else {
      newLink = new INodeLink<T>(fullPath, aUgi,
          getTargetFileSystem(new URI(target)), new URI(target));
    }
    //将构造完毕的INodeLink作为子节点加入到当前节点中
    curInode.addLink(iPath, newLink);
    // 同时加入到挂载节点列表中
    mountPoints.add(new MountPoint<T>(src, newLink));
    ...

所以可以看到,最终的指向文件系统和具体信息都在INodeLink中.然后所有的挂载目录点的位置都被以key字符串被树形的拆开存放.换句话说,在 viewFileSystem中输入一个viewFileSystem中配置的查询路径,会被逐层解析到对应的InodeDir,最终取出对应的 InodeLink.存储模型图如下:

解析的逻辑与此完全类型,也是通过INodeDir的存储关系一步一步往里找,这里就不花篇幅重新介绍了.

ViewFileSystem的请求处理

现在又一个问题出现了,viewFileSystem是如何处理客户端发来的各种HDFS的请求的呢?以mkdir为例:

@Override
  public boolean mkdirs(final Path dir, final FsPermission permission)
      throws IOException {
    // 通过fsState对象进行解析
    InodeTree.ResolveResult<FileSystem> res =
      fsState.resolve(getUriPath(dir), false);
    // 获取目标真实文件系统进行对应的请求处理
   return  res.targetFileSystem.mkdirs(res.remainingPath, permission);
  }

这里的fsState.resolve就会到之前提到的INodeDir中进行逐层寻找.找到的对应的文件系统后,就会把后面最终起作用的路径作为参数传入真实的文件系统中.

此过程的调用流程图如下:

ViewFileSystem的路径包装

ViewFileSystem作为一个视图文件系统,要保持在逻辑上的完全一致,所有对于文件的返回属性信息,要做一层包装和适配.比如下面这个例子:
我事先设定了挂载信息

 /project/viewFsTmp   -> hdfs://nn1/projects/Tmp

前者是我的ViewFileSystem路径,后者是真实文件系统存放路径.在真实文件系统中假设存在3个子文件:

 /projects/Tmp/child1
/projects/Tmp/child2
/projects/Tmp/child3

在viewFileSystem的情况下,我用hadoop fs -ls /project/viewFsTmp的命令下去看,出现的信息应该是这样的

/projects/viewFsTmp/child1
/projects/viewFsTmp/child2
/projects/viewFsTmp/child3

因为挂掉点信息文件路径已经被我变更了,一切都会安装viewFileSystem中所配置的路径来.所以这需要我们对真实返回的FileStatus做一层包装,对应一些大小,修改时间等基本属性信息,直接返回原来的就行,当时对于一些Path的返回,就要做一层修改了.
于是就衍生出了ViewFsFileStatus这个类

class ViewFsFileStatus extends FileStatus {
   // 原FileStatus信息
   final FileStatus myFs;
   // 修改的路径信息
   Path modifiedPath;
   ViewFsFileStatus(FileStatus fs, Path newPath) {
     myFs = fs;
     modifiedPath = newPath;
   }
   ...

在此类中就对getPath做了改动:

@Override
   public Path getPath() {
     // 重载返回Path的方法,返回的是修改过的Path信息
     return modifiedPath;
   }

对于其他的基本属性方法,直接调用原来的

...
   @Override
   public short getReplication() {
     return myFs.getReplication();
   }

   @Override
   public long getModificationTime() {
     return myFs.getModificationTime();
   }

   @Override
   public long getAccessTime() {
     return myFs.getAccessTime();
   }
...

于是就实现了我们前面所述的例子.这一点,大家可以亲自尝试以下.下面是一张包含关系图:

ViewFileSystem性能优化

这里的viewFileSystem性能优化点主要是针对其中最频繁的Resolve解析路径的操作.这里其实可以有比较大的性能提升.因为在前文中已经 描述过,目前viewFileSystem通过将路径进行拆分,保存到一个树型的结构中,然后解析的时候同样需要拆分路径,进行逐层解析.这个方法本身没有问题,但是在mount table数量很少的情况下,效率就不见得很高了,而且频繁的拆分,合并字符串本身不是非常快的操作.所以在viewFileSystem中,声明了一段To-Do的声明,就是将来可以做的改进:

// TO DO: - more efficient to not split the path, but simply compare

也就是说,可以直接保存到一个map的关系结构中,然后直接做字符串的简单比较,然后也不需要保存什么复杂的父亲-孩子的结构,当然这对mount table记录比较少的情况.近一步的说,我们选择目录映射的时候,肯定不会搞很多的关系,通常我们主要映射几个顶级目录就可以了,所以一般记录数也不会很多.当然,如果这要改的话,那么添加Link和解析的路径的逻辑都要变.

ViewFileSystem的使用

最后简单介绍一些viewFileSystem是如何配置使用的.分为以下几个步骤.

第一步:创建viewfs名称
在core-site.xml中配置fs.defaultFS属性,例如如下

<property>
    <name>fs.defaultFS</name>
    <value>viewfs://MultipleCluster</value>
</property>

第二步:添加挂载关系

  <property><name>fs.viewfs.mounttable.MultipleCluster.link./viewfstmp</name>
    <value>hdfs://nn1/tmp</value>
  </property>

这里的nn1就是真实的集群路径.注意这里的fs.viewfs.mounttable.MultipleCluster.link中的link前面的名称必须与之前viewfs中定义的名称一致.

经过这2个步骤,就基本完成了viewFileSystem的配置,其实非常的简单.

然后你用fs -ls的命令去分别在未配置前和配置后的集群中运行此命令,你会发现,子目录文件信息完全一致:
操作前在nn1所在集群

$ hadoop fs -ls /tmp
Found 2 items

-rw-r--r--   2 data    supergroup  193488274 2016-04-13 14:21 /tmp/share.tar.gz
drwxr-xr-x   - data    supergroup          0 2016-03-15 15:39 /tmp/sparkjars

配置后的集群中:

$ hadoop fs -ls /viewfstmp
Found 2 items

-rw-r--r--   2 data    supergroup  193488274 2016-04-13 14:21 /viewfstmp/share.tar.gz
drwxr-xr-x   - data    supergroup          0 2016-03-15 15:39 /viewfstmp/spark jars

倘若你在配置后的集群中还是用hadoop fs -ls /tmp去找,他就会报找不到文件的提示.

$ hadoop fs -ls /tmp
ls: `/tmp': No such file or directory

因为在逻辑上,这个目录已经被挂载到viewfs的/viewfstmp下了.这些mount信息都会维护在客户端的内存中,同时也不需要重启namenode,datanode.

.

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