Hadoop之HDFS

Posted 2021-09-05 do-yourself

一、HDFS概述

1、定义

HDFS（Hadoop Distributed File System），它是一个文件系统，用于存储文件，通过目录树来定位文件；其次，它是分布式的，由很多服务器联合起来实现其功能，集群中的服务器有各自的角色。

HDFS的使用场景：适合一次写入，多次读出的场景。一个文件经过创建、写入和关闭之后就不需要改变。

2、优缺点

（1）优点：

• 高容错性：数据自动保存多个副本，它通过增加副本的形式来提高容错性。在某一个副本丢失后，它可以自动恢复。
• 适合处理大数据：数据规模可达到GB、TB、甚至PB级别的数据，文件规模可达到百万规模以上的数量
• 可构建在廉价机器上：通过多副本机制，提高可靠性

（2）缺点：

• 不适合低延时数据访问：比如毫秒级的存储数据，是做不到的
• 无法高效地对大量小文件进行存储：存储大量小文件的话，会占用NameNode大量的内存来存储文件目录和块信息。这样是不可取的，因为NameNode的内存总是有限的。小文件存储的寻址时间会超过读取时间，违反了HDFS的设计目标
• 不支持并发写入、文件随机修改：一个文件只能有一个写，不允许多个线程同时写。仅支持数据append（追加），不支持文件的随机修改

3、组成架构

（1）NameNode(nn)：就是master，他是一个管理者。

• 管理HDFS的名称空间；
• 配置副本策略；
• 管理数据块（Block）映射信息；
• 处理客户端读写请求

（2）DataNode：就是slave。NameNode下达命令，DataNode执行实际的操作。

• 存储实际的数据块；
• 执行数据块的读/写操作

（3）Client：客户端

• 文件切分。文件上传HDFS的时候，Client将文件切分成一个个的Block，然后进行上传；
• 与NameNode交互，获取文件的位置信息；
• 与DataNode交互，读取或者写入数据；
• Client提供一些命令来管理HDFS，比如NameNode格式化；
• Client可通过一些命令来访问HDFS，比如对HDFS增删改查操作

（4）Secondary NameNode：并非NameNode的热备。当NameNode挂掉的时候，它并不能马上替换NameNode并提够服务。

• 辅助NameNode，分担其工作量，比如定期合并Fsimage和Edits，并推送给NameNode；
• 在紧急情况下，可辅助恢复NameNode。--恢复一部分数据 

4、文件块大小（面试重点）

HDFS中的文件在物理上是分块存储（Block），块的大小可通过配置参数来规定，默认大小在Hadoop2.x/3.x版本中是128M，1.x版本是64M。

HDFS块的大小设置主要取决于磁盘传输速率：

• HDFS的块设置太小，会增加寻址时间，程序一直在找块的开始位置；
• 块设置太大，从磁盘传输数据的时间会明显大于定位这个块 开始位置所需的时间，导致程序在处理这块数据时，会非常慢

二、读写流程（面试重点）

1、写数据

流程根据上图总结如下：

 （1）客户端通过Distributed FileSystem模块向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）客户端通过FSDataOutputStream模块请求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）。

在HDFS写数据的过程中，NameNode会选择距离待上传数据最近距离的DataNode接收数据。那么这个最近距离怎么计算呢？节点距离：两个节点到达最近的共同祖先的距离总和。

2、读数据

 

（1）客户端通过DistributedFileSystem向NameNode请求下载文件，NameNode通过查询元数据，找到文件块所在的DataNode地址。

（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输入流，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。

三、工作机制

1、NameNode(NN)和Secondary NameNode(2NN)

 (1)第一阶段：NameNode启动

• 第一次启动NameNode格式化后，创建Fsimage和Edits文件。如果不是第一次启动，直接加载编辑日志和镜像文件到内存。
• 客户端对元数据进行增删改的请求。
• NameNode记录操作日志，更新滚动日志。
• NameNode在内存中对元数据进行增删改。

(2)第二阶段：Secondary NameNode工作

• Secondary NameNode询问NameNode是否需要CheckPoint。直接带回NameNode是否检查结果。
• Secondary NameNode请求执行CheckPoint。
• NameNode滚动正在写的Edits日志。
• 将滚动前的编辑日志和镜像文件拷贝到Secondary NameNode。
• Secondary NameNode加载编辑日志和镜像文件到内存，并合并。
• 生成新的镜像文件fsimage.chkpoint。
• 拷贝fsimage.chkpoint到NameNode。
• NameNode将fsimage.chkpoint重新命名成fsimage。

其中，Fsimage文件是指HDFS文件系统元数据的一个永久性的检查点，其中包含HDFS文件系统的所有目录和文件inode的序列化信息。Edits文件是指存放HDFS文件系统的所有更新操作的路径，文件系统客户端执行的所有写操作首先会被记录到Edits文件中。

每次NameNode启动的时候都会将Fsimage文件读入内存，加载Edits里面的更新操作，保证内存中的元数据信息是最新的、同步的，可以看成NameNode启动的时候就将Fsimage和Edits文件进行了合并。

2、DataNode(DN)

 （1）一个数据块在DataNode上以文件形式存储在磁盘上，包括两个文件，一个是数据本身，一个是元数据包括数据块的长度，块数据的校验和，以及时间戳。

（2）DataNode启动后向NameNode注册，通过后，周期性（6小时）的向NameNode上报所有的块信息。（DN向NN汇报当前解读信息的时间间隔，默认6小时；DN扫描自己节点块信息列表的时间，默认6小时）

（3）心跳是每3秒一次，心跳返回结果带有NameNode给该DataNode的命令如复制块数据到另一台机器，或删除某个数据块。如果超过10分钟没有收到某个DataNode的心跳，则认为该节点不可用。

（4）集群运行中可以安全加入和退出一些机器。

四、shell操作

启动Hadoop集群：

$ sbin/start-dfs.sh

1、上传

（1）-moveFromLocal：从本地剪切粘贴到HDFS

$hadoop fs  -moveFromLocal  ./shuguo.txt  /sanguo

（2）-put：从本地文件系统中拷贝文件到HDFS路径去

$ hadoop fs -put ./wuguo.txt /sanguo

（3）-appendToFile：追加一个文件到已经存在的文件末尾

$ hadoop fs -appendToFile liubei.txt /sanguo/shuguo.txt

2、下载

（1）-get：从HDFS拷贝到本地

$ hadoop fs -get /sanguo/shuguo.txt ./shuguo2.txt

3、其他操作

(1）-ls: 显示目录信息

$ hadoop fs -ls /sanguo

(2）-cat：显示文件内容

$ hadoop fs -cat /sanguo/shuguo.txt

(3）-chgrp、-chmod、-chown：Linux文件系统中的用法一样，修改文件所属权限

$ hadoop fs  -chmod 666  /sanguo/shuguo.txt
$ hadoop fs  -chown  atguigu:atguigu   /sanguo/shuguo.txt

(4）-mkdir：创建路径

$ hadoop fs -mkdir /jinguo

(5）-cp：从HDFS的一个路径拷贝到HDFS的另一个路径

$ hadoop fs -cp /sanguo/shuguo.txt /jinguo

(6）-mv：在HDFS目录中移动文件

$ hadoop fs -mv /sanguo/wuguo.txt /jinguo

$ hadoop fs -mv /sanguo/weiguo.txt /jinguo

(7）-tail：显示一个文件的末尾1kb的数据

$ hadoop fs -tail /jinguo/shuguo.txt

(8）-rm：删除文件或文件夹

$ hadoop fs -rm /sanguo/shuguo.txt

(9）-rm -r：递归删除目录及目录里面内容

$ hadoop fs -rm -r /sanguo

(10）-du统计文件夹的大小信息

$ hadoop fs -du -s -h /jinguo
27  81  /jinguo


$ hadoop fs -du  -h /jinguo
14  42  /jinguo/shuguo.txt

7   21   /jinguo/weiguo.txt

6   18   /jinguo/wuguo.tx

说明：27表示文件大小；81表示27*3个副本；/jinguo表示查看的目录

(11）-setrep：设置HDFS中文件的副本数量

这里设置的副本数只是记录在NameNode的元数据中，是否真的会有这么多副本，还得看DataNode的数量。因为目前只有3台设备，最多也就3个副本，只有节点数的增加到10台时，副本数才能达到10。