【Hadoop】HDFS - 创建文件流程详解

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1.本文目的

　　通过解析客户端创建文件流程，认知hadoop的HDFS系统的一些功能和概念。

　　2.主要概念

　　2.1 NameNode（NN）：

　　HDFS系统核心组件，负责分布式文件系统的名字空间管理、INode表的文件映射管理。如果不开启备份/故障恢复/Federation模式，一般的HDFS系统就只有1个NameNode，当然这样是存在单点故障隐患的。
　　NN管理两个核心的表：文件到块序列的映射、块到机器序列的映射。

　　第一个表存储在磁盘中，第二表在NN每次启动后重建。

　　2.2 NameNodeServer（NNS）：

　　负责NN和其它组件的通信接口的开放（IPC、http）等。

　　NN通过客户端协议（ClientProtocol）和客户端通信，通过数据节点协议（DataNodeProtocol）和DN通信。

　　2.3 FSNameSystem：

　　管理文件系统相关，承担了NN的主要职责。

　　2.4 DataNode（DN）：

　　分布式文件系统中存放实际数据的节点，存储了一系列的文件块，一个DFS部署中通常有许多DN。

　　DN和NN，DN和DN，DN和客户端都通过不同的IPC协议进行交互。

　　通常，DN接受来自NN的指令，比如拷贝、删除文件块。

　　客户端在通过NN获取了文件块的位置信息后，就可以和DN直接交互，比如读取块、写入块数据等。
　　DN节点只管理一个核心表：文件块到字节流的映射。
　　在DN的生命周期中，不断地和NN通信，报告自己所存储的文件块的状态，NN不直接向DN通信，而是应答DN的请求，比如在DN的心跳请求后，回复一些关于复制、删除、恢复文件块的命令（comands）。

　　DN和外界通信的接口

<host:port>

会报告给NN，想和此DN交互的客户端或其它DN可以通过和NN通信来获取这一信息。

　　2.5 Block

　　文件块，hadoop文件系统的原语，hadoop分布式文件系统中存储的最小单位。一个hadoop文件就是由一系列分散在不同的DataNode上的block组成。

　　2.6 BlockLocation

　　文件块在分布式网络中的位置

<host:port>

，也包括一些块的元数据，比如块是否损坏、块的大小、块在文件中的偏移等。

　　2.7 DFSClient

　　分布式文件系统的客户端，用户可以获取一个客户端实例和NameNode及DataNode交互，DFSClient通过客户端协议和hadoop文件系统交互。

　　2.8 Lease

　　租约，当客户端创建或打开一个文件并准备进行写操作，NameNode会维护一个文件租约，以标记谁正在对此文件进行写操作。客户端需要定时更新租约，否则当租约过期，NN会关闭文件或者将文件的租约交给其它客户端。

　　2.9 LeaseRenewer

　　续约管控线程，当一个DFSClient调用申请租约后，如果此线程尚未启动，则启动，并定期向NameNode续约。

　　三.创建一个文件

　　当hadoop的分布式集群启动之后，可以通过FS或Shell来创建文件，FS创建文件的命令如下：

//cluser是hadoop集群,通过fs和集群文件系统交互
final DistributedFileSystem fs = cluster.getFileSystem();
// 要创建的文件名
final Path tmpFile1 = new Path("/tmpfile1.dat");

//创建文件
public static void createFile(FileSystem fs, Path fileName, long fileLen,
short replFactor, long seed) throws IOException {
if (!fs.mkdirs(fileName.getParent())) {
throw new IOException("Mkdirs failed to create " +
fileName.getParent().toString());
}
FSDataOutputStream out = null;
try {
out = fs.create(fileName, replFactor);
byte[] toWrite = new byte[1024];
Random rb = new Random(seed);
long bytesToWrite = fileLen;
while (bytesToWrite>0) {
rb.nextBytes(toWrite);
int bytesToWriteNext = (1024<bytesToWrite)?1024:(int)bytesToWrite;

out.write(toWrite, 0, bytesToWriteNext);
bytesToWrite -= bytesToWriteNext;
}
out.close();
out = null;
} finally {
IOUtils.closeStream(out);
}
}

　　四、流程分析

　　创建一个名为

tmpfile1.dat

的文件，主要流程如下：

　　4.1 发送创建文件的请求（CreateFile）

　　客户端向NN发起请求，获取文件信息，NN会在缓存中查找是否存在请求创建的文件项（file entry），如果没找到，就在NameSystem中创建一个新的文件项：

块管理器（BlockManager）检查复制因子是否在范围内，如果复制因子过小或过大就会异常。

同时会进行权限验证、加密、安全模式检测（如果在安全模式不能创建文件）等，并记录操作日志和事件日志，然后向客户端返回文件状态。

　　4.2 申请文件租用权（beginFileLease）

　　客户端取得文件状态后，对文件申请租用（lease），如果租用过期，客户端将无法再继续对文件进行访问，除非进行续租。

　　4.3 数据流管控线程启动（DataStreamer & ResponseProcessor）

　　DataStreamer线程负责数据的实际发送：

当数据队列（Data Queue）为空时，会睡眠，并定期苏醒以检测数据队列是否有新的数据需要发送、Socket套接字是否超时、是否继续睡眠等状态。

　　ResponseProcessor负责接收和处理

pipeline

下游传回的数据接收确认信息

pipelineACK

。

　　4.4 发送添加块申请并初始化数据管道（AddBlock & Setup Pipeline）

　　当有新的数据需要发送，并且块创建阶段处于PIPELINE_SETUP_CREATE，DataStreamer会和NameNode通信，调用AddBlock方法，通知NN创建、分配新的块及位置，NN返回后，初始化Pipeline和发送流。

　　4.5 DataNode数据接收服务线程启动（DataXceiverServer & DataXceiver）

　　当DataNode启动后，其内部的DataXceiverServer组件启动，此线程管理向其所属的DN发送数据的连接建立工作，新连接来时，DataXceiverServer会启动一个DataXceiver线程，此线程负责流向DN的数据接收工作。

　　4.6 在Pipeline中处理数据的发送和接收

　　客户端在获取了NameNode分配的文件块的网络位置之后，就可以和存放此块的DataNode交互。

客户端通过SASL加密方式和DN建立连接，并通过pipeline来发送数据。

[b]　　4.6.1 从pipeline接收数据[/b]
　　pipeline由数据源节点、多个数据目的节点组成，请参考上面的流程图。
　　位于pipeline中的第一个DataNode会接收到来自客户端的数据流，其内部DataXceiver组件，通过读取操作类型（OP），来区分进行何种操作，如下所示：

protected final void processOp(Op op) throws IOException {
switch(op) {
case READ_BLOCK:
opReadBlock();
break;
//本例中将会使用WRITE_BLOCK指令
case WRITE_BLOCK:
opWriteBlock(in);
break;

//略...

default:
throw new IOException("Unknown op " + op + " in data stream");
}
}

　　如果OP是WRITE_BLOCK，调用写数据块的方法，此方法会根据数据源是客户端还是其他DataNode、块创建的阶段等条件进行不同的逻辑。

[b]　　4.6.2 数据在pipeline中流动[/b]
　　在本例中，第一个收到数据的DN会再启动一个

blockReceiver

线程，以接收实际的块数据，在本地保存了块数据后，其负责向

pipeline

中的后续DN继续发送块数据。
　　每次向下游DN节点发送数据，标志着数据目的节点的

targets

数组都会排除自身，这样，就控制了

pipeline

的长度。
　　下游收到块数据的DN会向上游DN或者客户端报告数据接收状态。

这种链式或者序列化的数据转移方式，就像数据在管道中从上游流向下游，所以这种方式称作

pipeline

。

[b]　　4.6.3 pipeline的生命周期[/b]



　　在本例中：

DataStreamer

线程启动后，

pipeline

进入

PIPELINE_SETUP_CREATE

阶段；

数据流初始化后，

pipeline

进入

DATA_STREAMING

阶段；

数据发送完毕后，

pipeline

进入

PIPELINE_CLOSE

阶段。

　　客户端在

DataStreamer

线程启动后，同时启动了一个

ResponseProcessor

线程，此线程用于接收

pipeline

中来自下游节点的数据接收状态报告

pipelineACK

，同时此线程和

DataStreamer

线程协调管理

pipeline

状态。
　　当DataStreamer向pipeline发送数据时，会将发送的数据包（packet）从数据队列（

Data Queue

）中移除，并加入数据确认队列（

Ack Queue

）：

//DataStreamer发送数据后，将dataQueue的第一个元素出队，并加入ackQueue
one = dataQueue.getFirst();
dataQueue.removeFirst();
ackQueue.addLast(one);

　　而当ResponseProcessor收到下游的pipelineAck后，据此确认信息来判断pipeline状态，是否需要重置和重新调整。如果确认信息是下游节点数据接收成功了，就将确认队列（AckQueue）的第一个数据包删除。

//ResponseProcessor收到成功的Ack，就将ackQueue的第一个包移除
lastAckedSeqno = seqno;
ackQueue.removeFirst();
dataQueue.notifyAll();

　　通过这样的方式，DataStreamer可以确认数据包是否发送成功，也可以确认全部的数据包是否已经发送完毕。

显然，当AckQueue空了，并且已经发送的数据包是块里的最后一个包，数据就发送完毕了。

　　发送完毕的判断如下所示：

if (one.lastPacketInBlock) {
// wait for all data packets have been successfully acked
synchronized (dataQueue) {
while (!streamerClosed && !hasError &&
ackQueue.size() != 0 && dfsClient.clientRunning) {
try {
// wait for acks to arrive from datanodes
dataQueue.wait(1000);
} catch (InterruptedException  e) {
DFSClient.LOG.warn("Caught exception ", e);
}
}
}
if (streamerClosed || hasError || !dfsClient.clientRunning) {
continue;
}
//在没有错误的情况下，AckQueue为空，并且包one是block的最后一个包，数据就发送完了
stage = BlockConstructionStage.PIPELINE_CLOSE;
}

　　4.7 发送文件操作完成请求（completeFile）

　　客户端向NameNode发送completeFile请求：

NN收到请求后，验证块的BlockPoolId是否正确，接着对操作权限、文件写锁（write lock）、安全模式、租约、INode是否存在、INode类型等等进行验证，最后记录操作日志并返回给客户端。

　　4.8 停止文件租约（endFileLease）

　　客户端在完成文件写操作后，调用leaseRenewer（LR）实例，从LR管理的续约文件表中删除此文件，表明不再更新租约，一段时间后，租约在NN端自然失效。

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