HDFS集群启动过程详解

HDFS的启动过程和关闭过程都经过脚本进行了封装，只需要执行start-all.sh和stop-all.sh就可以。操作较简单。下面针对启动阶段的原理和详细过程进行说明，对关闭过程目前还没有调研，所以暂缺。HDFS的启动分三步骤：l  第一步，启动namenode；
l  第二步，启动datanode；
l  第三步，启动Secondary namenode。
下面一一描述。

第一步，启动namenode

1.      初始化过程：获取一些必要的参数值，初始化FSImage，FSNameSystem，NameNode等类。这个过程在很多启动描述中都被忽略，不是很重要。需要注意的是，这个过程在recover, format和finalize几种启动时的操作略有不同。2.      构造Configuration对象：该对象的具体创建过程不是很清楚，只知道其中包含了一些配置信息的加载。所以应该是和配置信息有关的。3.      构造namenode对象：这是namenode启动最重要的阶段。Namenode对象主要包括两部分，一个是Server类成员对象，第二个是FSNameSystem类成员对象。a)        Server成员的构造：Server是namenode用于与client和datanode之间进行RPC通信的服务端。Namenode中有一个或两个Server成员，由不同的Hadoop版本决定，两个的时候分别负责和client和Datanode的通信。b)        FSNameSystem的构造：Server构造完成后，调用namenode的initialize方法，接下来的操作都在这个方法中完成。先是构造FSNameSystem对象，FSNameSystem对象就是namenode上元数据的真正的存放数据结构。它主要包括两部分，第一部分是一些数据结构，包括l  blocksMap：map，保存数据块block相关的映射关系，包括文件与块，块与datanode的映射等。
l  curruptReplicasMap：保存所有损坏的块，所有副本都损坏。
l  datanodeMap：曾近连接过的所有的datanode，是全集。
l  recentInvalidateSets：最近失效的block。
l  excessReplicateMap：机器与机器上多余的block的映射，这些block等待被删除。
l  Heartbeats：当前发送心跳包的datanode，也就是alive的datanode。
第二部分是FSDirectory对象，这里存放着文件系统的层次结构。FSNameSystem对象构造的过程，首先初始化blocksMap等数据结构，然后加载fsimage文件到类FSImage中，然后读取edits文件，利用fsimage和edits构造文件系统层次结构。Q：fsimage文件如何加载？之所以要记录fsimage的加载过程，是因为fsimage是启动过程中耗时较大的一个步骤，便于后续的研究。1.      从fsimage逐行读入目录和文件信息；2.      初始化元数据信息；3.      构造namespace名字空间镜像；4.      读取block信息，并填充到BlocksMap中。
c)        启动后台守护进程： 启动一系列的后台守护进程，下面是简单描述。l  PendingReplicaitonBlocks$PendingReplicationMonitor： 监控block的copy过程
l  FSNamesystem$HeartbeatMonitor，心跳包的检测
l  FSNamesystem$ReplicationMonitor： 监控复本数量，如果不足，就copy。
l  LeaseManager$Monitor：控制写请求，文件不能同时多人写。
l  DecommissionManager$Monitor：处理数据节点的退役
d)       启动RPC Server服务和web服务：Namenode和datanode以及client之间的通信都是通过RPC方式的，下面是简单描述RPC的通信过程。Listener获取来自client或者datanode的请求，为该请求创建listener的一个子类reader的对象。并创建connection类，加入到connectionList中。处理connection对象，reader常见call对象，然后加入到callList中。再取出，处理执行，然后将得到的response加入到ResponseQueue中，从RQ中返回给client或者datanode，并关闭连接。4.      进入安全模式：namenode对象构造完成后，namenode进入安全模式，在这个阶段等待datanode的注册。为什么一定要在第3步以后呢，我觉得是因为只有RPC启动后，datanode才能与namenode进行通信，才能注册。5.      退出安全模式，启动成功：在等待datanode注册的过程中，namenode有一个timeout设置，等待超时后，namenode就会默认已经没有要注册的datanode了，离开安全模式。namenode正式启动。

第二步，启动datanode

Datanode的启动包括两个步骤，初始化过程和启动过程。1.       初始化过程：a)        初始化过程的第一步，是Datanode获取并设置各种配置信息。我认为datanode整理自己的block信息并进行封装，等待发送给namenode就是在这一步进行的。b)        然后向namenode发送RPC请求，从namenode获取namespaceID, version以及StorageID等待信息，然后再做一系列的初始化操作。2.       Datanode启动：a)        首先是datanode向namenode注册。Datanode通过DatanodeProtocal协议进行注册，向namenode发送注册信息，包括服务地址，信息查询端口，客户端访问端口以及datanodeID等，还包括block_report块数据；namenode接收到信息后（这时的namenode处在安全模式中，等待注册），先检验datanode的版本，然后把datanode交给FSNameSystem处理；FSNameSystem先验证该datanode是否被允许挂载（通过dfs.hosts列表验证），然后把datanode数据映射到元数据中，这里主要是获取block_report块与datanode的映射关系，添加到BlocksMap中[hx1] ，然后再把这个datanode添加到heartsbeats中进行监控。最后返回注册信息。b)        启动datanode线程。Datanode线程实际上是在不断调用offerService，周期性向namenode发送block_Report和heartbeats，同时接受namenode的指令。Datanode启动完成。

第三步，Secondary namenode的启动

Secondary namenode的过程没有细看。分析一下，觉得其实它的启动应该是有两部分的，首先与namenode建立连接，注册到namenode，并且从namenode同步当前的fsimage，edits等文件信息；第二部分，是启动secondary namenode上用于轮训的进程，定期执行检查点的创建操作。
HDFS启动完成。

HDFS启动耗时

HDFS启动最耗时的步骤，是fsimage加载的过程和datanode注册时block_report载入的过程。具体的情况需要结合源码以及简单的测试来确定。