1.概述
NameNode管理着整个HDFS文件系统的元数据。从架构设计上看，元数据大致分成两个层次：
Namespace管理层: 负责管理文件系统中的树状目录结构以及文件与数据块的映射关系；块管理层: 负责管理文件系统中文件的物理块与实际存储位置的映射关系BlocksMap。
Namespace管理的元数据除内存常驻外，也会周期Flush到持久化设备上FsImage文件BlocksMap元数据只在内存中存在
当NameNode发生重启，首先从持久化设备中读取FsImage构建Namespace，之后根据DataNode的汇报信息重新构造BlocksMap。
这两部分数据结构是占据了NameNode大部分JVM Heap空间。
除了对文件系统本身元数据的管理之外，NameNode还需要维护整个集群的机架及DataNode的信息、Lease管理以及集中式缓存引入的缓存管理等等。这几部分数据结构空间占用相对固定，且占用较小。
测试数据显示，Namespace目录和文件总量到2亿，数据块总量到3亿后，常驻内存使用量超过90GB。
2.内存全景
如前述，NameNode整个内存结构大致可以分成四大部分：
- Namespace
- BlocksMap
- NetworkTopology
- 其它
Namespace：维护整个文件系统的目录树结构及目录树上的状态变化； BlockManager：维护整个文件系统中与数据块相关的信息及数据块的状态变化； NetworkTopology：维护机架拓扑及DataNode信息，机架感知的基础； 其它： LeaseManager：读写的互斥同步就是靠Lease实现，支持HDFS的Write-Once-Read-Many的核心数据结构； CacheManager：Hadoop 2.3.0引入的集中式缓存新特性，支持集中式缓存的管理，实现memory-locality提升读性能； SnapshotManager：Hadoop 2.1.0引入的Snapshot新特性，用于数据备份、回滚，以防止因用户误操作导致集群出现数据问题； DelegationTokenSecretManager：管理HDFS的安全访问； 另外还有临时数据信息、统计信息metrics等等。
NameNode常驻内存主要被Namespace和BlockManager使用，二者使用占比分别接近50%。其它部分内存开销较小且相对固定，与Namespace和BlockManager相比基本可以忽略。
3. 内存分析
3.1 Namespace
与单机文件系统相似，HDFS对文件系统的目录结构也是按照树状结构维护，Namespace保存了目录树及每个目录/文件节点的属性。除在内存常驻外，这部分数据会定期flush到持久化设备上，生成一个新的FsImage文件，方便NameNode发生重启时，从FsImage及时恢复整个Namespace。图3所示为Namespace内存结构。前述集群中目录和文件总量即整个Namespace目录树中包含的节点总数，可见Namespace本身其实是一棵非常巨大的树。
图1：namespace
在整个Namespace目录树中存在两种不同类型的INode数据结构：INodeDirectory和INodeFile。其中INodeDirectory标识的是目录树中的目录，INodeFile标识的是目录树中的文件。由于二者均继承自INode，所以具备大部分相同的公共信息INodeWithAdditionalFields，除常用基础属性外，其中还提供了扩展属性features，如Quota、Snapshot等均通过Feature增加，如果以后出现新属性也可通过Feature方便扩展。不同的是，INodeFile特有的标识副本数和数据块大小组合的header（2.6.1之后又新增了标识存储策略ID的信息）及该文件包含的有序Blocks数组；INodeDirectory则特有子节点的列表children。这里需要特别说明children是默认大小为5的ArrayList，按照子节点name有序存储，虽然在插入时会损失一部分写性能，但是可以方便后续快速二分查找提高读性能，对一般存储系统，读操作比写操作占比要高。具体的继承关系见图4所示。