HDFS源码分析心跳汇报之数据块增量汇报

Posted 2023-01-24 lipeng_bigdata

        在《HDFS源码分析心跳汇报之BPServiceActor工作线程运行流程》一文中，我们详细了解了数据节点DataNode周期性发送心跳给名字节点NameNode的BPServiceActor工作线程，了解了它实现心跳的大体流程：

        1、与NameNode握手：

              1.1、第一阶段：获取命名空间信息并验证、设置；

              1.2、第二阶段：DataNode注册；

        2、周期性调用sendHeartBeat()方法发送心跳信息，并处理来自心跳响应中的命令；

        3、调用reportReceivedDeletedBlocks()方法发送数据库增量汇报：包括正在接收的、已接收的和已删除的数据块；

        4、调用blockReport()方法周期性进行数据块汇报，并处理返回的相关命令。

        本文，我们重点讲解下其中的第三步：调用reportReceivedDeletedBlocks()方法发送数据库增量汇报：包括正在接收的、已接收的和已删除的数据块。

        首先，这个数据块增量汇报是什么情况下发生的呢？在DataNode与NameNode握手并注册后实现心跳的offerService()方法的while循环内，有这么一段代码，如下：

        // 如果标志位sendImmediateIBR为true，或者数据块增量汇报时间已到，
        // 数据块增量汇报时间间隔是心跳时间间隔的100倍，默认情况下是5分钟
        if (sendImmediateIBR ||
            (startTime - lastDeletedReport > dnConf.deleteReportInterval)) 
          // 调用reportReceivedDeletedBlocks()方法发送数据块增量汇报
          reportReceivedDeletedBlocks();
          
          // 设置上次数据块增量汇报时间lastDeletedReport为startTime
          lastDeletedReport = startTime;
        

        首先，这个sendImmediateIBR是一个标志位，它标识着是否立即发送一个数据块增量汇报，在BPServiceActor工作线程初始化时默认为false。而数据块增量汇报是否发送，这里有两个条件，只要满足其中一个即可发送数据块增量汇报：

        1、是否立即发送一个数据块增量汇报的标志位sendImmediateIBR为true；

        2、数据块增量汇报的时间间隔已到：数据块增量汇报的时间间隔是心跳时间间隔的100倍，默认情况下是5分钟。

        在讲解reportReceivedDeletedBlocks()方法前，我们先看BPServiceActor工作线程的一个成员变量，定义如下：

  /**
   * Between block reports (which happen on the order of once an hour) the
   * DN reports smaller incremental changes to its block list. This map,
   * keyed by block ID, contains the pending changes which have yet to be
   * reported to the NN. Access should be synchronized on this object.
   * 
   * 在数据块汇报（通常一小时一次）之间，DataNode会汇报其数据块列表的增量变化情况。
   * 这个Map，包含尚未汇报给NameNode的DataNode上数据块正在发生的变化。
   * 访问它必须使用synchronized关键字。
   */
  private final Map<DatanodeStorage, PerStoragePendingIncrementalBR>
      pendingIncrementalBRperStorage = Maps.newHashMap();

        先说下这个pendingIncrementalBRperStorage变量对应的数据结构，它是一个Map，key为DatanodeStorage类型，value为PerStoragePendingIncrementalBR类型。而这个PerStoragePendingIncrementalBR类型在其内部封装了一个叫做pendingIncrementalBR的HashMap，key为blockId，value为ReceivedDeletedBlockInfo，ReceivedDeletedBlockInfo对Block做了一层封装了，它标识了对应Block在DataNode上的状态BlockStatus，BlockStatus是一个枚举类，包含的Block状态分别有正在接收的数据块RECEIVING_BLOCK(1)、已经接收的数据块RECEIVED_BLOCK(2)、已被删除的数据块DELETED_BLOCK(3)三种状态。

        也就是说，pendingIncrementalBRperStorage实际上存储了DataNode上每个DatanodeStorage到对应的增量数据块集合的映射关系，而这个增量数据块，包含正在接收的、已接受的和已删除的。

        在数据块汇报（通常一小时一次）之间，DataNode会汇报其数据块列表的增量变化情况，这个是作为一个小的（smaller）汇报进行的。这个Map，包含尚未汇报给NameNode的DataNode上数据块正在发生的变化，访问它必须使用synchronized关键字。而这个数据块增量汇报，其主要目的就应该是尽早让名字节点NameNode了解数据节点DataNode上数据块的变化情况，而不是通过正常的每小时一次的数据块汇报来告知名字节点，那样的话对于整个文件系统来说，是很被动的一见事。

        好了，我们再看下reportReceivedDeletedBlocks()方法，它是完成数据块增量汇报的核心方法，代码如下：

  /**
   * Report received blocks and delete hints to the Namenode for each
   * storage.
   *
   * @throws IOException
   */
  private void reportReceivedDeletedBlocks() throws IOException 

    // Generate a list of the pending reports for each storage under the lock
	  
	// 创建一个存储StorageReceivedDeletedBlocks的ArrayList列表reports，
	// 大小为pendingIncrementalBRperStorage的大小
	// StorageReceivedDeletedBlocks是对DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组的一个封装，
	// 实际上就是将pendingIncrementalBRperStorage由Map转换为List列表形式
    ArrayList<StorageReceivedDeletedBlocks> reports =
        new ArrayList<StorageReceivedDeletedBlocks>(pendingIncrementalBRperStorage.size());
    
    // 使用synchronized对pendingIncrementalBRperStorage进行同步：
    synchronized (pendingIncrementalBRperStorage) 
    	
      // 遍历pendingIncrementalBRperStorage
      for (Map.Entry<DatanodeStorage, PerStoragePendingIncrementalBR> entry :
           pendingIncrementalBRperStorage.entrySet()) 
        
    	// 取出每个DatanodeStorage、PerStoragePendingIncrementalBR进行处理
    	final DatanodeStorage storage = entry.getKey();
        final PerStoragePendingIncrementalBR perStorageMap = entry.getValue();

        // 如果perStorageMap中存在发生变化的数据块：
        if (perStorageMap.getBlockInfoCount() > 0) 
          // Send newly-received and deleted blockids to namenode
          // 发送新接收的或者已删除的数据块ID给NameNode
        	
          // 从perStorageMap中获得ReceivedDeletedBlockInfo数组
          ReceivedDeletedBlockInfo[] rdbi = perStorageMap.dequeueBlockInfos();
          
          // 将根据DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组构造的StorageReceivedDeletedBlocks加入reports列表
          reports.add(new StorageReceivedDeletedBlocks(storage, rdbi));
        
      
      
      // 立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为false
      sendImmediateIBR = false;
    

    if (reports.size() == 0) // reports大小为0的话，直接返回null
      // Nothing new to report.
      return;
    

    // Send incremental block reports to the Namenode outside the lock
    
    // 发送是否成功的标志位success初始化为false
    boolean success = false;
    try 
    	
      // 通过NameNode代理的blockReceivedAndDeleted()方法，将新接收的或者已删除的数据块汇报给NameNode，汇报的信息包括：
      // 1、数据节点注册信息DatanodeRegistration；
      // 2、数据块池ID；
      // 3、需要汇报的数据块及其状态信息列表StorageReceivedDeletedBlocks；
      bpNamenode.blockReceivedAndDeleted(bpRegistration,
          bpos.getBlockPoolId(),
          reports.toArray(new StorageReceivedDeletedBlocks[reports.size()]));
      
      // 发送是否成功的标志位success设置为true
      success = true;
     finally 
      if (!success) // 汇报不成功的话
        synchronized (pendingIncrementalBRperStorage) 
          for (StorageReceivedDeletedBlocks report : reports) 
            // If we didn't succeed in sending the report, put all of the
            // blocks back onto our queue, but only in the case where we
            // didn't put something newer in the meantime.
        	  
        	// 将数据块再放回到perStorageMap
            PerStoragePendingIncrementalBR perStorageMap =
                pendingIncrementalBRperStorage.get(report.getStorage());
            perStorageMap.putMissingBlockInfos(report.getBlocks());
            
            // 立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为true
            sendImmediateIBR = true;
          
        
      
    
  

        这个reportReceivedDeletedBlocks()方法的大致处理流程如下：

        1、创建一个存储StorageReceivedDeletedBlocks的ArrayList列表reports：

              大小为pendingIncrementalBRperStorage的大小。StorageReceivedDeletedBlocks是对DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组的一个封装，实际上就是将pendingIncrementalBRperStorage由Map转换为List列表形式；

        2、使用synchronized对pendingIncrementalBRperStorage进行同步，遍历pendingIncrementalBRperStorage：

              2.1、取出每个DatanodeStorage、PerStoragePendingIncrementalBR进行处理；

              2.2、如果perStorageMap中存在发生变化的数据块，发送新接收的或者已删除的数据块ID给NameNode：

                       2.2.1、从perStorageMap中获得ReceivedDeletedBlockInfo数组；

                       2.2.3、将根据DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组构造的StorageReceivedDeletedBlocks加入reports列表；

        3、立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为false；

        4、reports大小为0的话，直接返回null；

        5、发送是否成功的标志位success初始化为false；

        6、通过NameNode代理bpNamenode的blockReceivedAndDeleted()方法，将新接收的或者已删除的数据块汇报给NameNode，汇报的信息包括：

               6.1、数据节点注册信息DatanodeRegistration；

               6.2、数据块池ID；

               6.3、需要汇报的数据块及其状态信息列表StorageReceivedDeletedBlocks；

        7、 发送是否成功的标志位success设置为true；

        8、汇报不成功的话，遍历reports：

               8.1、将数据块再放回到perStorageMap；

               8.2、立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为true。

        针对上述流程，我们先说下是否应立即汇报增量数据块信息的标志位sendImmediateIBR。当BPServiceActor工作线程创建时，这个标志位默认为false，即不会立即发送数据块增量汇报，而是周期性的到期才会发送。而当该发送数据块增量汇报时，无论标志位之前为true还是false，统一设置为false，因为此时数据块增量汇报已经发送了，下次没必要再立即发送了。而只有当数据块增量汇报不成功时，该标志位才会被设置为true，以便下次循环直接发送之前未成功的数据块增量汇报，而不用管数据块增量汇报的时间间隔是否到期。这个标志位就是为了在数据块增量汇报失败的情况下，下次循环中能立即发送出去，以便让NameNode及时了解DataNode数据块情况。

        那么，数据块增量汇报是如何发送给NameNode的呢？我们先看下NameNode在DataNode上的代理bpNamenode，它的定义如下：

  DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB bpNamenode;

        它是BPServiceActor线程中一个DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB类型的变量，也就意味着每个与NameNode通讯的BPServiceActor工作线程，都持有一个NameNode的代理，其初始化是在BPServiceActor工作线程与NameNode连接时完成的，我们看下DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB类中完成数据块增量汇报的blockReceivedAndDeleted()方法，代码如下：

  @Override
  public void blockReceivedAndDeleted(DatanodeRegistration registration,
      String poolId, StorageReceivedDeletedBlocks[] receivedAndDeletedBlocks)
      throws IOException 
    BlockReceivedAndDeletedRequestProto.Builder builder = 
        BlockReceivedAndDeletedRequestProto.newBuilder()
        .setRegistration(PBHelper.convert(registration))
        .setBlockPoolId(poolId);
    for (StorageReceivedDeletedBlocks storageBlock : receivedAndDeletedBlocks) 
      StorageReceivedDeletedBlocksProto.Builder repBuilder = 
          StorageReceivedDeletedBlocksProto.newBuilder();
      repBuilder.setStorageUuid(storageBlock.getStorage().getStorageID());  // Set for wire compatibility.
      repBuilder.setStorage(PBHelper.convert(storageBlock.getStorage()));
      for (ReceivedDeletedBlockInfo rdBlock : storageBlock.getBlocks()) 
        repBuilder.addBlocks(PBHelper.convert(rdBlock));
      
      builder.addBlocks(repBuilder.build());
    
    try 
    	
      // 通过实现了DatanodeProtocolPB接口的blockReceivedAndDeleted()方法发送的
      // rpcProxy最终加载的是参数rpc.engine.DatanodeProtocolPB配置的类
      rpcProxy.blockReceivedAndDeleted(NULL_CONTROLLER, builder.build());
     catch (ServiceException se) 
      throw ProtobufHelper.getRemoteException(se);
    
  

        而rpcProxy最终加载的是参数rpc.engine.DatanodeProtocolPB配置的类，实际上也就是DatanodeProtocolServerSideTranslatorPB类，由它负责向NamNode发送RPC请求，而NameNode对应RPC请求处理的方法在NameNodeRpcServer类中的blockReceivedAndDeleted()方法，代码如下：

  @Override // DatanodeProtocol
  public void blockReceivedAndDeleted(DatanodeRegistration nodeReg, String poolId,
      StorageReceivedDeletedBlocks[] receivedAndDeletedBlocks) throws IOException 
    verifyRequest(nodeReg);
    metrics.incrBlockReceivedAndDeletedOps();
    if(blockStateChangeLog.isDebugEnabled()) 
      blockStateChangeLog.debug("*BLOCK* NameNode.blockReceivedAndDeleted: "
          +"from "+nodeReg+" "+receivedAndDeletedBlocks.length
          +" blocks.");
    
    for(StorageReceivedDeletedBlocks r : receivedAndDeletedBlocks) 
    	
      // 最终遍历StorageReceivedDeletedBlocks数组，针对每个StorageReceivedDeletedBlocks，
      // 调用FSNamesystem的processIncrementalBlockReport()方法进行处理
      namesystem.processIncrementalBlockReport(nodeReg, r);
    
  

        最终遍历StorageReceivedDeletedBlocks数组，针对每个StorageReceivedDeletedBlocks，调用FSNamesystem的processIncrementalBlockReport()方法进行处理。ok，继续追踪，如下：

  public void processIncrementalBlockReport(final DatanodeID nodeID,
      final StorageReceivedDeletedBlocks srdb)
      throws IOException 
<span style="white-space:pre">	</span>  
<span style="white-space:pre">	</span>// 典型的写锁模式
<span style="white-space:pre">	</span>  
<span style="white-space:pre">	</span>// 获取写锁
    writeLock();
    try 
    <span style="white-space:pre">	</span>
      // 调用BlockManager的processIncrementalBlockReport()方法处理数据块增量汇报
      blockManager.processIncrementalBlockReport(nodeID, srdb);
     finally 
    <span style="white-space:pre">	</span>
      // 释放写锁
      writeUnlock();
    
  

        FSNamesystem的processIncrementalBlockReport()方法是典型的一个读写锁中写锁模式，获取写锁，try模块中处理业务逻辑，finally模块中释放写锁。而业务逻辑的处理，则是通过调用BlockManager的processIncrementalBlockReport()方法来完成的。FSNamesystem相当于名字节点NameNod门面模式中的门面，由它负责一切文件系统操作相关的处理。而BlockManager则是名字节点NameNode中针对所有block状态保持、变更处理等的大管家，我们会在后续文章后陆续介绍这两个重要的变量。

        好吧，我们先看下BlockManager的processIncrementalBlockReport()方法，代码如下：

  /**
   * The given node is reporting incremental information about some blocks.
   * This includes blocks that are starting to be received, completed being
   * received, or deleted.
   * 
   * This method must be called with FSNamesystem lock held.
   */
  public void processIncrementalBlockReport(final DatanodeID nodeID,
      final StorageReceivedDeletedBlocks srdb) throws IOException 
    assert namesystem.hasWriteLock();
    int received = 0;
    int deleted = 0;
    int receiving = 0;
    final DatanodeDescriptor node = datanodeManager.getDatanode(nodeID);
    if (node == null || !node.isAlive) 
      blockLog
          .warn("BLOCK* processIncrementalBlockReport"
              + " is received from dead or unregistered node "
              + nodeID);
      throw new IOException(
          "Got incremental block report from unregistered or dead node");
    

    DatanodeStorageInfo storageInfo =
        node.getStorageInfo(srdb.getStorage().getStorageID());
    if (storageInfo == null) 
      // The DataNode is reporting an unknown storage. Usually the NN learns
      // about new storages from heartbeats but during NN restart we may
      // receive a block report or incremental report before the heartbeat.
      // We must handle this for protocol compatibility. This issue was
      // uncovered by HDFS-6094.
      storageInfo = node.updateStorage(srdb.getStorage());
    

    // 取出每个ReceivedDeletedBlockInfo进行处理
    for (ReceivedDeletedBlockInfo rdbi : srdb.getBlocks()) 
      switch (rdbi.getStatus()) 
      case DELETED_BLOCK:// 如果是已被删除的数据块
    	  
    	// 调用removeStoredBlock()方法在NameNode中移除node对应数据块元信息
        removeStoredBlock(rdbi.getBlock(), node);
        
        // 计数器deleted加1
        deleted++;
        
        break;
      case RECEIVED_BLOCK:// 如果是已接收的数据块
    	  
    	// 调用addBlock()方法在NameNode中添加数据块元信息
        addBlock(storageInfo, rdbi.getBlock(), rdbi.getDelHints());
        
        // 计数器received加1
        received++;
        break;
      case RECEIVING_BLOCK:// 如果是正在接收的数据块
    	  
    	// 计数器receiving加1
        receiving++;
        
        // 调用processAndHandleReportedBlock()方法在NameNode中处理正在接收的数据块
        processAndHandleReportedBlock(storageInfo, rdbi.getBlock(),
                                      ReplicaState.RBW, null);
        break;
      default:
        String msg = 
          "Unknown block status code reported by " + nodeID +
          ": " + rdbi;
        blockLog.warn(msg);
        assert false : msg; // if assertions are enabled, throw.
        break;
      
      if (blockLog.isDebugEnabled()) 
        blockLog.debug("BLOCK* block "
            + (rdbi.getStatus()) + ": " + rdbi.getBlock()
            + " is received from " + nodeID);
      
    
    blockLog.debug("*BLOCK* NameNode.processIncrementalBlockReport: " + "from "
        + nodeID + " receiving: " + receiving + ", " + " received: " + received
        + ", " + " deleted: " + deleted);
  

        整个逻辑非常清晰，取出每个ReceivedDeletedBlockInfo进行处理：

        1、如果是已被删除的数据块：

             1.1、调用removeStoredBlock()方法在NameNode中移除node对应数据块元信息；

             1.2、计数器deleted加1；

        2、如果是已接收的数据块：

             2.1、调用addBlock()方法在NameNode中添加数据块元信息；

             2.2、计数器received加1；

        3、如果是正在接收的数据块：

            3.1、计数器receiving加1；

            3.2、调用processAndHandleReportedBlock()方法在NameNode中处理正在接收的数据块。

        至于NameNode的BlockManager到底是何如处理的，我们留到以后分析NameNode和BlockManager时再做详细分析吧！


        这里做个简单总结：

        数据块增量汇报是负责向NameNode发送心跳信息工作线程BPServiceActor中周期性的一个工作，它负责向NameNode及时汇报DataNode节点上数据块的变化情况，比如数据块正在接收、已接收或者已被删除。它的工作周期要小于正常的数据块汇报，目的就是为了能够让NameNode及时掌握DataNode上数据块变化情况，以便HDFS系统运行正常，略显机智！而且，当数据块增量汇报不成功时，下一个循环会接着立即发送数据块增量汇报，而不是等其下一个周期的到来，这显示了HDFS良好的容错性，是一个值得我们借鉴的设计方法。