HBase体系结构

HBase的体系结构借鉴了BigTable论文，是典型的Master-Slave模型。

1.HBase客户端

HBase客户端提供了Shell命令行接口、原生Java API编程接口、Thrift/REST API编程接口以及MapReduce编程接口。HBase客户端支持所有常见的DML操作以及DDL操作，即数据的增删改查和表的日常维护等。其中Thrift/REST API主要用于支持Java的上层业务需求，MapReduce接口主要用于批量数据导入以及批量数据读取。

HBase客户端访问数据行之前，首先需要通过元数据表定位目标数据所在的RegionServer，之后才会发送请求到该RegionServer。同时这些元数据会被缓存在客户端本地，以方便之后的请求访问。如果集群RegionServer发生宕机或者执行了负载均衡等，从而导致数据分片发生迁移，客户端需要重新请求最新的元数据并缓存在本地。

2.zookeeper

• HBase通过Zookeeper来做Master的高可用，通常情况下系统中只有一个Master工作，一旦Active Master由于异常宕机，ZK会检测到该宕机事件，并通过一定机制选举出新的Master，保证系统正常运转。
• 管理系统的核心元数据：比如管理当前系统中正常工作的RegionServer集合，保存系统元数据表hbase:meta所在的RegionServer地址等。
• 参与RegionServer宕机恢复：Zookeeper通过心跳可以感知到RegionServer是否宕机，并在宕机后通知Master进行宕机处理。
• 实现分布式锁：HBase中对一张表进行各种管理操作需要先加表锁，防止其他用户对同一张表进行管理操作，造成表状态不一致。和其他RDBMS表不同，HBase中的表通常都是分布式存储，Zookeeper可以通过特定机制实现分布式表锁。

3.Master

Master主要负责HBase系统的各种管理工作，其实现类为HMaster，主要作用如下：

• 处理用户的各种管理请求，包括对表的各种操作：create, delete, alter（表级别的管理操作），还有切分表、合并数据分片以及Compaction。
• 管理集群中所有RegionServer，包括RegionServer中Region的负载均衡、RegionServer的宕机恢复以及Region的迁移等。
• 清理过期日志以及文件，Master会每隔一段时间检查HDFS中HLog是否过期、HFile是否已经被删除，并在过期之后将其删除。

4.RegionServer

RegionServer主要用来响应用户的IO请求，是HBase中最核心的模块，由WAL（HLog）、BlockCache以及多个Region构成。

WAL(HLog)

HLog在HBase中有两个核心作用：

​ 1. 用于实现数据的高可靠性，HBase数据随机写入时，并非直接写入HFile数据文件，而是先写入缓存，再异步刷新落盘。为了防止缓存数据丢失，数据写入缓存之前需要首先顺序写入HLog，这样，即使缓存数据丢失，仍然可以通过HLog日志恢复。

​ 2. 用于实现HBase集群间主从复制，通过回放主集群推送过来的HLog日志实现主从复制。

BlockCache

HBase系统中的读缓存。客户端从磁盘读取数据之后通常会将数据缓存到系统内存中，后续访问同一行数据可以直接从内存中获取而不用访问磁盘。对于带有大量热点数读的业务请求来说，缓存机制会带来极大的性能提升。

Region

Region就是类似于表的概念，在HBase中它是一张表进行横向切分的切片，横跨多个列族。当数据表大小超过一定阈值就会“水平切分”，分裂为两个Region。Region是集群负载均衡的基本单位。通常一张表的Region会分布在整个集群的多台RegionServer上，一个RegionServer上会管理多个Region，当然，这些Region一般来自不同的数据表。

一个Region由一个或者多个Store构成，Store的个数取决于表中列族的个数，多少个列族就有多少个Store。HBase中，每个列族的数据都集中存放在一起形成一个存储单元Store，因此建议将具有相同IO特性的数据设置在同一个列族中。

Store

每个Store由一个MemStore和一个或者多个HFile组成。MemStore称为写缓存，由于HFile 中的数据要求是有序的，所以数据是先存储在MemStore中，排好序后，当MemStore写满之后（缓存数据超过阈值，默认128M）系统会异步地将数据flush成一个HFile文件。显然，随着数据的不断写入，HFile文件会越来越多，当HFile文件数超过一定阈值之后系统将会执行Compact操作，将这些小文件通过一定策略合并成一个或者多个大文件。数据在每个HFile中都是有序的。

RegionServer为Region的管理者（数据级别的管理），其实现类为HRegionServer，它可以实现如下具体的操作:

• 对于数据的操作：get, put, delete；
• 对于Region的操作：splitRegion、compactRegion。

5.HDFS

HDFS为HBase提供最终的底层数据存储服务，包括用户数据文件、HLog日志文件等最终都会写入HDFS落盘。同时HDFS默认的三副本存储策略可以有效保证数据的高可靠性。HDFS内部封装了一个名为DFSClient的HDFS客户端组件，负责对HDFS的实际数据进行读写访问。

6.注意

从HBase的结构图可以看出，用户Client并没有和Master直接相连，而是直接连接的zookeeper，zookeeper承担了一部分Master的功能，Client除了连接zookeeper还连接了RegionServer，所以即使Master挂掉了，用户客户端依旧可以完成对数据的读写操作。

HBase系统特性

优点

• 容量巨大，HBase单表支持千亿行、百万列的数据规模，数据容量可以达到TB甚至PB级别。
• 良好的扩展性：HBase集群可以方便的实现集群容量扩展，主要包括数据存储节点扩展以及读写服务节点扩展。
• 稀疏性：HBase支持大量稀疏存储，即允许大量列值为空（不用null进行填充），并不占用任何存储空间。所以HBase可以存储多至上百万列的数据，即使存在大量的空值，也不需要任何额外空间。
• 多版本：用户可以根据需要选择最新版本或者历史版本的数据。

缺点

• 不支持很复杂的聚合运算，如Join、GroupBy
• HBase本身没有实现二级索引功能，所以不支持二级索引查找。