大数据技术 - 分布式文件系统 HDFS 的设计

本章内容介绍下 Hadoop 自带的分布式文件系统，HDFS 即 Hadoop Distributed Filesystem。HDFS 能够存储超大文件，可以部署在廉价的服务器上，适合一次写入多次读取的场景。但 HDFS 不适合低延迟，存储大量小文件以及修改文件内容的场景。HDFS 应用比较广泛，如：MR任务、Spark任务、Hive 数据仓库以及 Hbase 数据库，它们的底层存储都可以基于 HDFS 。本章将介绍 HDFS 集群的架构设计以及相关的重要概念。

HDFS的设计以及概念

HDFS集群是典型的 master/slave 架构，master 节点叫做 NameNode，salve 节点叫做 DataNode。最简单的 HDFS 集群便是一个 NameNode 节点和多个 DataNode 节点，HDFS 集群的架构图如下

Block：数据块，HDFS 集群将存储的文件划分为多个分块，块作为独立的存储单元，默认大小为为 128M。如果某个文件超过集群单机存储容量，分块可以解决该问题；其次按照块进行存储、备份能简化系统的设计。默认块大小修改 hdfs-site.xml 文件中的 dfs.blocksize 配置。

NameNode：HDFS 集群的 Master 节点，维护集群文件的目录结构（命名空间）和编辑日志文件，同时在内存中记录文件各个块所在的数据节点的信息。

DataNode：HDFS 集群的 Slave 节点，负责存储实际的数据。根据需要存储和检索数据块，并定期向 NameNode 发送他们所存储的数据块列表。为了实现数据存储的高可靠，HDFS 将一个块存储在不同的 DataNode 节点，默认是 3 个，可以通过 hdfs-site.xml 文件中的 dfs.replication 配置修改默认值。如果当前 DataNode 中的数据块损坏，可以从其他 DataNode 节点复制一个正确的数据块。

以上是架构图中显而易见的几个重要概念，接下来将结合架构设计中的高可用、可扩展性来介绍下架构图中隐藏的几个重要概念。

联邦 HDFS：这个主要是为了解决可扩展性的问题，我们知道 NameNode 进程的内存中存放了数据与数据位置的对应关系，对于一个文件数据量多的集群来说，NameNode 的内存将成为集群规模扩大的瓶颈。因此，单一 NameNode 的集群并不可取。Hadoop 2.x 的发行版引入了联邦 HDFS 允许向集群中添加 NameNode 节点实现横向扩展。每一个 NameNode 管理命名空间中的一部分，每个 NameNode 维护一个命名空间卷（namespace volume），命名空间卷之间相互独立，一个 NameNode 失效不会影响其他 NameNode 维护的命名空间。

HDFS HA：这个解决高可用，即 HDFS High Available。这一实现中配置了一对活动-备用（active-standby）NameNode。当活动的 NameNode 失效，备用 NameNode 会接管相应的任务，这一过程对用户透明。实现这一设计，需要在架构上做如下修改：

　　1. HA 的两个 NameNode 之间通过高可用共享存储实现编辑日志的共享，目的是为了能够使备用 NameNode 接管工作后实现与主 NameNode 状态同步。QJM（日志管理器，quorum journal manager）是为提供一个高可用的日志编辑而设计的，被推荐用于大多数 HDFS 集群中。QJM 以一组日志节点的形式运行，一般是 3，每一次编辑必须写入多数日志节点，因此系统可以忍受任何一个节点丢失，日志节点便是 JournalNode。

　　2. DataNode 需要同时向 2 个 NameNode 发送数据报告，因为数据块的映射信息存储在 NameNode 的内存中

　　3. 客户端需要处理 NameNode 失效的问题，对用户透明

HDFS的基本操作

命令行接口

命令行接口操作 HDFS 是最简单、最方便的方式。HDFS 的命令与 Linux 本地命令非常相似，可以通过 hadoop fs help 命令查看 HDFS 所支持所有命令，接下来介绍下常用的命令

hadoop fs -put <localsrc> <dst> #将本地文件上传至 HDFS
hadoop fs -ls <path> # 与 Linux ls命令类似
hadoop fs -cat <src> #查看 HDFS 文件数据
hadoop fs -text <path> # 同 cat 命令， 可以看 SequenceFile、压缩文件
hadoop fs -rm <src> # 删除 HDFS 文件或目录

以上是比较常用的 HDFS 命令，查看帮助文档可以在每个命令上增加一些命令行选项，输出不同的信息。以 ls 命令为例，看一下 HDFS 输出的文件信息

hadoop fs -ls /hadoop-ex/wordcount/input

-rw-r--r--   3 root supergroup         32 2019-03-03 01:34 /hadoop-ex/wordcount/input/words
-rw-r--r--   3 root supergroup         28 2019-03-03 01:46 /hadoop-ex/wordcount/input/words2

可以发现输出的内容与 Linux 下 ls 命令类似。第 1 部分显示文件类型与权限，第 2 部分是副本数量 3，第 3 、4部分是所属的用户和用户组，第 5 部分是文件大小，若是目录则为 0 ，第 6、7 部分是文件的修改日期和时间，第 8 部分是文件的路径和名称。在 HDFS 中有个超级用户，即启动 NameNode 的用户。

Java 接口

相对于命令行接口，Java接口更加灵活，更强大。但用起来不是很方便，一般可以在 MR 或者 Spark 任务中使用 Java 接口读取 HDFS 上的数据。本章仅举一个读取 HDFS 文件数据的例子介绍一下 Java 接口的使用方式，主要使用 FileSystem API 来实现，更具体和更多的使用方法读者可以自行查阅。

package com.cnblogs.duma.hdfs;

import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import org.apache.hadoop.io.IOUtils;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.URI;

public class FileSystemEx {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Configuration conf = new Configuration();
        // uri 便是 core-site.xml 文件中 fs.defaultFS 配置的值
        FileSystem fs = FileSystem.get(URI.create("hdfs://hadoop0:9000"), conf);
        InputStream in = null;

        try {
            // 指定打开的文件
            in = fs.open(new Path("/hadoop-ex/wordcount/input/words"));
            // 将输入流拷贝到标准输出流
            IOUtils.copyBytes(in, System.out, 4096, false);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 关闭输入流
            IOUtils.closeStream(in);
        }
    }
}

小结

本章主要介绍了 HDFS 的架构设计和一些重要的概念，这些设计上的东西可能对我们自己设计架构或者写代码会有帮助。所以，学习一个框架不光会用，更要注重他的架构设计，以及跟其他架构对比的优缺点，这对我们以后的成长有很大的帮助。最后花了少量篇幅介绍了 HDFS 的基本操作，这方便文档比较全，并且并不复杂，因此没有详细的介绍。个人认为 HDFS Java 接口应用场景相对有限，日后跟 HDFS 打交道更多的可能还是命令行接口。