通过Thrift访问HDFS分布式文件系统的性能瓶颈分析

引言

　　Hadoop提供的HDFS布式文件存储系统，提供了基于thrift的客户端访问支持，但是因为Thrift自身的访问特点，在高并发的访问情况下，thrift自身结构可能将会成为HDFS文件存储系统的一个性能瓶颈。我们先来看一下一不使用Thrfit方式访问HDFS文件系统的业务流程。

一、HDFS文件读取流程

　　

流程说明：

1. 使用HDFS提供的客户端开发库Client，向远程的Namenode发起RPC请求；
2. Namenode会视情况返回文件的部分或者全部block列表，对于每个block，Namenode都会返回有该block拷贝的DataNode地址；
3. 客户端开发库Client会选取离客户端最接近的DataNode来读取block；如果客户端本身就是DataNode,那么将从本地直接获取数据.
4. 读取完当前block的数据后，关闭与当前的DataNode连接，并为读取下一个block寻找最佳的DataNode；
5. 当读完列表的block后，且文件读取还没有结束，客户端开发库会继续向Namenode获取下一批的block列表。
6. 读取完一个block都会进行checksum验证，如果读取datanode时出现错误，客户端会通知Namenode，然后再从下一个拥有该block拷贝的datanode继续读。

二、HDFS文件写入流程

流程说明：

1. 使用HDFS提供的客户端开发库Client，向远程的Namenode发起RPC请求；
2. Namenode会检查要创建的文件是否已经存在，创建者是否有权限进行操作，成功则会为文件创建一个记录，否则会让客户端抛出异常；
3. 当 客户端开始写入文件的时候，开发库会将文件切分成多个packets，并在内部以数据队列"data queue"的形式管理这些packets，并向Namenode申请新的blocks，获取用来存储replicas的合适的datanodes列表， 列表的大小根据在Namenode中对replication的设置而定。
4. 开始以pipeline（管道）的形式将packet写入所 有的replicas中。开发库把packet以流的方式写入第一个datanode，该datanode把该packet存储之后，再将其传递给在此 pipeline中的下一个datanode，直到最后一个datanode，这种写数据的方式呈流水线的形式。
5. 最后一个datanode成功存储之后会返回一个ack packet，在pipeline里传递至客户端，在客户端的开发库内部维护着"ack queue"，成功收到datanode返回的ack packet后会从"ack queue"移除相应的packet。
6. 如 果传输过程中，有某个datanode出现了故障，那么当前的pipeline会被关闭，出现故障的datanode会从当前的pipeline中移除， 剩余的block会继续剩下的datanode中继续以pipeline的形式传输，同时Namenode会分配一个新的datanode，保持 replicas设定的数量。

三、关键词

　　HDFSClient通过文件IO操作最终实现是通过直接访问DataNode进行。

四、Thrift的访问流程：猜测版

　　

流程说明：

1.ThriftClient客户端将操作命令传给ThriftServer。

2.ThriftServer调用HDFSClient接口API实现HDFS读写操作，操作流程如二和三所示。

五、疑问

　　与DataNode发生数据交换的到底是ThriftServer还是ThriftClient，如果是ThriftServer，那么多个ThriftClient并行访问时，ThriftServer必将成为HDFS访问的性能瓶颈；如果是ThriftClient直接访问DataNode，那么理论依据何在呢？

六、示例程序

　　下面是一个基于Thrift实现的HDFS客户端程序，实现了文件的访问和创建和读取

// HdfsDemo.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <string>
#include <boost/lexical_cast.hpp>
#include <protocol/TBinaryProtocol.h>
#include <transport/TSocket.h>
#include <transport/TTransportUtils.h>
#include "ThriftHadoopFileSystem.h"

#ifndef _WIN32_WINNT
#define _WIN32_WINNT 0x0500
#endif 
using namespace std;
using namespace apache::thrift;
using namespace apache::thrift::protocol;
using namespace apache::thrift::transport;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    if (argc < 3) 
    {
        std::cerr << "Invalid arguments!\n" << "Usage: DemoClient host port" << std::endl;
        //return -1;
    }
    boost::shared_ptr<TTransport> socket(new TSocket("192.168.230.133", 55952));//boost::lexical_cast<int>(argv[2])));
    boost::shared_ptr<TTransport> transport(new TBufferedTransport(socket));
    boost::shared_ptr<TProtocol> protocol(new TBinaryProtocol(transport));
    ThriftHadoopFileSystemClient client(protocol);
    try 
    {
        transport->open();
        Pathname path;
        //01_create directory
        path.__set_pathname("/user/hadoop");
        if(client.exists(path) == true)
        {
            printf("path is exists.\r\n");
        }
        else
        {
            printf("path is not exists.");
            //return 0;
        }
        //02_put file
        Pathname filepath;
        filepath.__set_pathname("/user/hadoop/in/test1.txt");
        /*
        FILE* localfile = fopen("E:\\project\\Hadoop\\HdfsDemo\\Debug\\hello.txt","rb");
        if (localfile == NULL)
        {
            transport->close();
            return 0;
        }
        ThriftHandle hdl;
        client.create(hdl,filepath);
        while (true)
        {
            char data[1024];
            memset(data,0x00,sizeof(data));
            size_t Num = fread(data,1,1024,localfile);
            if (Num <= 0)
            {
                break;
            }
            client.write(hdl,data);
        }
        fclose(localfile);
        client.close(hdl);
        */
        //03_get file
        /*
        ThriftHandle hd2;
        FileStatus stat1;
        client.open(hd2,filepath);
        client.stat(stat1,filepath);
        int index = 0;
        while(true)
        {
            string data;
            if (stat1.length <= index)
            {
                break;
            }
            client.read(data,hd2,index,1024);

            index += data.length();
            printf("==%s\r\n",data.c_str());
        }
        client.close(hd2);
        */

        //04_list files
        std::vector<FileStatus> vFileStatus;
        client.listStatus(vFileStatus,path);
        for (int i=0;i<vFileStatus.size();i++)
        {
            printf("i=%d file=%s\r\n",i,vFileStatus[i].path.c_str());
        }
        transport->close();
    } catch (const TException &tx) {
    std::cerr << "ERROR: " << tx.what() << std::endl;
    }
    getchar();
    return 0;
}

 七、源码分析

　　1.文件创建：

    /**
      * Create a file and open it for writing, delete file if it exists
      */
    public ThriftHandle createFile(Pathname path, 
                                   short mode,
                                   boolean  overwrite,
                                   int bufferSize,
                                   short replication,
                                   long blockSize) throws ThriftIOException {
      try {
        now = now();
        HadoopThriftHandler.LOG.debug("create: " + path +
                                     " permission: " + mode +
                                     " overwrite: " + overwrite +
                                     " bufferSize: " + bufferSize +
                                     " replication: " + replication +
                                     " blockSize: " + blockSize);
        FSDataOutputStream out = fs.create(new Path(path.pathname), 
                                           new FsPermission(mode),
                                           overwrite,
                                           bufferSize,
                                           replication,
                                           blockSize,
                                           null); // progress
        long id = insert(out);
        ThriftHandle obj = new ThriftHandle(id);
        HadoopThriftHandler.LOG.debug("created: " + path + " id: " + id);
        return obj;
      } catch (IOException e) {
        throw new ThriftIOException(e.getMessage());
      }
    }

　　ThriftHandle的两端到底是谁呢？是ThriftClient和DataNode？还是ThriftServer与DataNode？

　　2.文件写入

    public boolean write(ThriftHandle tout, String data) throws ThriftIOException {
      try {
        now = now();
        HadoopThriftHandler.LOG.debug("write: " + tout.id);
        FSDataOutputStream out = (FSDataOutputStream)lookup(tout.id);
        byte[] tmp = data.getBytes("UTF-8");
        out.write(tmp, 0, tmp.length);
        HadoopThriftHandler.LOG.debug("wrote: " + tout.id);
        return true;
      } catch (IOException e) {
        throw new ThriftIOException(e.getMessage());
      }
    }

　　写入时依赖的还是ThriftHandle？　　

　　3.文件读取

    /**
     * read from a file
     */
    public String read(ThriftHandle tout, long offset,
                       int length) throws ThriftIOException {
      try {
        now = now();
        HadoopThriftHandler.LOG.debug("read: " + tout.id +
                                     " offset: " + offset +
                                     " length: " + length);
        FSDataInputStream in = (FSDataInputStream)lookup(tout.id);
        if (in.getPos() != offset) {
          in.seek(offset);
        }
        byte[] tmp = new byte[length];
        int numbytes = in.read(offset, tmp, 0, length);
        HadoopThriftHandler.LOG.debug("read done: " + tout.id);
        return new String(tmp, 0, numbytes, "UTF-8");
      } catch (IOException e) {
        throw new ThriftIOException(e.getMessage());
      }
    }

 八、遗留问题

　　ThriftHandle可以看做是Socket连接句柄，但是他的两端到底是谁呢？如果是ThriftClient代表的客户端则一切OK，那么我该如何证明呢？存疑待考！