【Hadoop】HDFS - 创建文件流程详解

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。

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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。

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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);
    }
  }

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四、流程分析

创建一个名为tmpfile1.dat的文件，主要流程如下：

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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4.6.1 从pipeline接收数据

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。

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4.6.2 数据在pipeline中流动

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。

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4.6.3 pipeline的生命周期

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;
          }

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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。

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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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