2. 分布式文件系统 HDFS
1. 引入HDFS【面试点】
问题一：如果一个文件中有 10 个数值，一行一个，并且都可以用 int 来度量。现在求 10 个数值的和
思路：
- 逐行读取文件的内容
- 把读取到的内容转换成
int类型 - 把转换后的数据进行相加
- 输出最后的一个累加和
问题二：10000 个文件，每个文件 2T，文件里的内容依然是每行一个数值，求这一堆文件的所有数值的和
思路与方案：
- 使用单进程的程序执行，即一行一行读取（串行），可能会计算出结果，但效率很低，且大概率是算不出来
- 将串行改为并行，即分布式运算：
- 第一阶段：先把大的任务切分成小的任务，然后将集群中的每个节点都可以对这些小任务进行计算
- 第二阶段：将之前中间性的结果进行汇总
问题三：问题二中的 10000 个 2T 的文件应该怎么分布才能让这 10000 个任务的执行效率达到最高？
思路：
- 如果集群有 10000 个节点，每个节点都放了一个文件，然后对每个节点上的数据启动计算引擎进行任务的计算，这样效率高
- 计算在 A 节点，存储的数据在 B 节点，这样效率不高；计算和存储在同一个节点效率高。因为数据传输肯定有延迟，从而降低效率
问题四：数据的处理（存储和计算）是这么设计的？
答：存储和计算相互依赖。在涉及存储时必须考虑计算，反之相同
存储：HDFS；计算：MapReduce
HDFS 设计思想：把存入到 HDFS 集群的数据均匀分散的存储到整个集群中
说明：集群的配置是去全局的
案例1： 100G 数据分多少集群节点存储的比较
- 都是 100G 数据，假设 1G 的数据需要 1秒 的运算时间
序号 | 集群节点数 | 切分存储块的大小 | 存储方式 | 运算所需时间（秒） |
1 | 100 | 1G | 每个节点 1G 数据量 | 1 |
2 | 90 | 1G | 10 台存 2G，80 台存 1G | 2 |
3 | 90 | 512M | 20 台存 1.5G，70 台存 1G | 1.5 |
- 上述案例得出：切分的块是不是越小越好？但有弊端：小文件很多时，会有问题
案例2： 大文件 access.log 100G 的切分方法
- 第一种切分法：block0 50G + block1 50G
- 第二种切分法：block0 20G + block1 20G + block2 20G + block3 20G + block4 20G
- 对于用户来说，一个文件是完整的存储到 HDFS 进来的，所以用户再去下载该文件时要的是完整的文件整体，要把所有的块合并起来且顺序不能错。块越少拼接越容易
- 上述案例得出：切分的块是不是越大越好？
总结：不大不小最好。不大不小：HDFS 在设计时考虑到不同的应用场景，在每个不同的应用场景中可能需要的块的大小不一样，可以自己配置。
HDFS 块的默认大小为：
- Hadoop2.x 版本以前，默认块的大小：64M
- Hadoop2.x 版本（含）以后，默认块的大小：128M
让大数据能够存储到 HDFS 集群，并考虑计算的效率问题，让文件切分存储，并让这些块均匀分散的存储到整个集群中
HDFS 集群存储的使用场景：
- 数据量特别多
- 前期数据量不大，后期数据量快速增长，可能导致数据量快速增多
HDFS 集群理论上可无限制的增加节点，但有上限：
- HDFS 集群是主从架构，主节点 NameNode
- 加的机器的性能一般（数据安全）
问题五：HDFS 如何保障数据安全？
解决：配置多份
多份数据分布的原则：
- 数据备份的数量由用户指定
- 如果一个文件存储多份，这多份数据完全没必要存储在一个节点上
小问题： 若集群有 3 个存储节点，但用户指定存储 4 份，则 HDFS 上最终有几份数据？3 份
结论：HDFS 集群中的任何一个节点，肯定没有完全相同的两份数据
问题六：HDFS 核心思想：分而治之，冗余备份
- 分散存储： 一个大的文件要存储，必须要借助分布式的存储系统，将大文件进行 分而治之（分治）
- 冗余备份： 整个 HDFS 集群架设在不是特别牢靠的服务器上，所以要保证数据安全。采用 副本 的策略，针对用户上传的整个文件，将该文件切分出来的多个块备份多份
冗余备份的默认值：3 份。备份数量的配置文件路径：
/software/hadoop/etc/hadoop/hdfs-site.xml 更改后重启服务生效
<property>
<name>dfs.replication</name>
<value>1</value>
</property>知识点1：如果节点机器性能有差异怎么均匀分散？
数据节点机器性能差异不是特别多，若某一台机器的性能比较差，可设置该机器少存一些数据。设置：
hadoop fs -setrep [-R] [-w] <numPeplicas> <path>知识点2：block 块的大小设置多少？
默认 128M，实际生产最多 256M。若不懂就按照默认的，大部分都是按默认的
知识点3：HDFS 集群节点很多会导致什么情况
元数据信息 fsimage 很多，加载到内存中的时间越来越长
DataNode 节点多，节点保存的数据块的个数也多
知识点4：跨网络肯定有数据延迟和丢失问题
知识点5：HDFS 不适合存储小文件
原因：存储一亿个小文件，大小仅仅 1T，但要消耗 20G 左右的内存
- 文件存储在硬盘上，存储文件元信息（比如文件的创建者、文件的创建日期和文件的大小等）的区域叫 iNode（中文译名为 “索引节点” ），iNode 是有限的。当有成千上万个小文件存储于服务器的文件系统中时，最先消耗完的肯定不是磁盘的空间，而是 iNode，这会导致大量空闲磁盘的空间无法使用。小文件带来的问题归根结底是由于其小且数量巨大
解决方案：对小文件进行合并，或对小文件提前做处理
- 将一定数量的小文件合并为一个个的大文件，并且只存储合并后的大文件，那存储系统中的文件数量就会大大减少，通过一定方式再从合并后的大文件中分离出小文件，按需获取想要的数据即可
知识点：文件存储在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做 “扇区”（sector）。每个扇区存储512字节（相当于0.5KB）。操作系统读取硬盘时，不会一个个扇区的读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个 “块”（block）。这种由多个扇区组成的 “块”，是文件存储的最小单位。“块” 的大小，最常见的是 4KB，即连续 8 个 sector 组成一个 block。文件数据都存储在 “块” 中，那么很显然，我们还必须找到一个地方存储文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种存储文件元信息的区域就叫做 iNode。
2. HDFS 概述
HDFS 是大数据存储的基础，几乎所有的大数据分布式存储需求都会使用到。
1. HDFS 设计思路
HDFS 被设计成使用低廉的服务器进行海量数据的存储，如何做到？分散存储
- 大文件被切割成小文件，使用分而治之的思想对同一个文件进行管理
- 每个切分后的块都进行冗余备份，高可用不丢失
2. HDFS 架构
主从架构。下边三个节点的架构是最基础的，高可用会有 StandbyNameNode，用于防止 NameNode 宕机。
- NameNode 主节点：掌管文件系统的目录树，处理客户端的请求，保存元数据信息
- DataNode 从节点：存储实际数据，处理真正的读写
- SecondaryNameNode（单机/伪分布式/分布式）：分担 NameNode 的压力，协助合并元数据信息
3. HDFS 优缺点
优点：
- 可构建在廉价机器上，通过多个副本来提高可靠性，文件切分多个块进行存储
- 高容错性。数据可自动保存多个副本，副本丢失后可自动恢复
- 适合批处理。移动计算比移动数据更方便
- 流式文件访问。一次写入，多次读取。可以保证数据一致性
缺点：（不适合以下操作）
- 要求高的数据访问。比如毫秒级
- 小文件存储。寻道时间超过读取时间
- 并发写入，文件随机修改。一个文件只能有一个写，仅支持追加写入
3. HDFS 操作
1. HDFS 的 Shell 操作【重点】
命令 | 功能 | 举例 |
hadoop fs hdfs dfs | 两种方式操作 hdfs 文件的命令前缀 | |
-help | 输出这个命令参数手册 |
|
-ls | 显示目录信息 |
|
-put | 本地文件上传至 hdfs | 把当前目录下的 a.txt 上传到 hdfs：
|
-get | 从 hdfs 下载文件到本地 |
|
-cp | 从 hdfs 的一个路径拷贝到另一个路径 | 把 /a.txt 拷贝到 /aa 下，并更名为 a2.txt
|
-mv | 在 hdfs 目录中移动文件 |
|
-mkdir | 创建文件夹 |
|
-rm | 删除文件或文件夹 |
|
-rmdir | 删除空目录 |
|
-moveFromLocal | 从本地剪切到 hdfs |
|
-moveToLocal | 从 hdfs 剪切到本地 |
|
-copyFromLocal | 从本地文件系统中拷贝文件到 hdfs |
|
-copyToLocal | 从 hdfs 拷贝到本地 |
|
-appendToFile | 追加一个文件到已经存在的文件末尾 |
|
-cat | 显示文件内容 |
|
-tail | 显示一个文件的末尾 |
|
-text | 以字符形式打印一个文件的内容 |
|
-chmod | 与 Linux 文件系统的用法一样，对文件设置权限 |
|
-df | 统计文件夹的大小信息 |
|
-count | 统计一个指定目录下的文件节点数量 |
|
-setrep | 设置 hdfs 中文本的副本数量 |
|
hdfs dfsadmin -report | 查看 hdfs 集群工作状态 |
|
2. HDFS 的 API 操作
HDFS 的 API 操作所需的 maven 依赖导入 pom.xml 文件的 <artifactId>module_name</artifactId> 和 </project> 之间，并等待下载完成
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.apache.hadoop</groupId>
<artifactId>hadoop-common</artifactId>
<version>2.7.4</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.hadoop</groupId>
<artifactId>hadoop-client</artifactId>
<version>2.7.4</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.hadoop</groupId>
<artifactId>hadoop-hdfs</artifactId>
<version>2.7.4</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.hadoop</groupId>
<artifactId>hadoop-mapreduce-client-core</artifactId>
<version>2.7.4</version>
</dependency>
</dependencies>
<build>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
<artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
<version>3.1</version>
<configuration>
<source>1.8</source>
<target>1.8</target>
<encoding>UTF-8</encoding>
<!-- <verbal>true</verbal>-->
</configuration>
</plugin>
<plugin>
<groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
<artifactId>maven-shade-plugin</artifactId>
<version>2.4.3</version>
<executions>
<execution>
<phase>package</phase>
<goals>
<goal>shade</goal>
</goals>
<configuration>
<minimizeJar>true</minimizeJar>
</configuration>
</execution>
</executions>
</plugin>
</plugins>
</build>
<properties>
<maven.compiler.source>16</maven.compiler.source>
<maven.compiler.target>16</maven.compiler.target>
</properties>1. 访问数据
1. 获取 FileSystem
// FileSystem.get()
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import java.io.IOException;
public class hdfs01GetFileSystem {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1. 创建Configuration对象
Configuration conf = new Configuration();
// 2. 设置文件系统类型
// 第二个参数是访问域名，做过域名解析可设置成 hdfs://hadoop0:8020
conf.set("fs.defaultFS", "hdfs://hadoop0:8020");
// 3. 获取指定文件系统
FileSystem fileSystem = FileSystem.get(conf);
// 4. 打印输出
System.out.println(fileSystem);
}}- 执行上述代码返回下图所示结果即成功：
2. 文件的遍历
// FileSystem.listFiles() + for循环
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.*;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
public class traverseFile {
public static void main(String[] args) throws IOException, URISyntaxException, InterruptedException {
// 1. 获取FileSystem，默认端口8020
FileSystem fileSystem = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop0:8020"), new Configuration(), "root");
// 2. 调用 listFile()方法 获取根目录下所有的文件信息
RemoteIterator<LocatedFileStatus> iterator = fileSystem.listFiles(new Path("/"), true);
// 3. 遍历迭代器
while (iterator.hasNext()) {
LocatedFileStatus fileStatus = iterator.next();
// 获取文件的绝对路径：hdfs://172.16.15.100/xxx
System.out.println(fileStatus.getPath() + "===" + fileStatus.getPath().getName());
// 文件的block信息
BlockLocation[] blockLocations = fileStatus.getBlockLocations();
for (BlockLocation blockLocation : blockLocations) {
String[] hosts = blockLocation.getHosts();
for (String host : hosts) {
System.out.println("主机为：" + host);
}}
System.out.println("block数量为：" + blockLocations.length);
}}}- 输出结果：
hdfs://hadoop0:8020/0320/data.txt===data.txt
主机为hadoop1
主机为hadoop2
block数量为：1
hdfs://hadoop0:8020/0320/merge.txt===merge.txt
主机为hadoop2
主机为hadoop1
block数量为：1
...3. 创建文件夹
// FileSystem.mkdirs()
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
public class hdfs03CreateFolder {
public static void main(String[] args) throws IOException, URISyntaxException, InterruptedException {
// 1. 获取FileSystem
FileSystem fileSystem = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop0:8020"), new Configuration(), "root");
// 2. 创建文件夹
fileSystem.mkdirs(new Path("/0320"));
// 3. 关闭FileSystem
fileSystem.close();
}}- 执行结果：
4. 文件的上传
// FileSystem.copyFromLocalFile()
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
public class hdfs04FileUpload {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException, URISyntaxException {
hdfs04FileUpload fileUpload = new hdfs04FileUpload();
fileUpload.FileUpload();
}
/* 定义上传文件的方法 */
public void FileUpload() throws URISyntaxException, IOException, InterruptedException {
// 1. 获取文件系统
FileSystem fileSystem = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop0:8020"), new Configuration(), "root");
// 2. 上传文件
fileSystem.copyFromLocalFile(new Path("/Users/jason93/Desktop/BigData/file/data.txt"), new Path("/0320"));
// 3. 关闭FileSystem
fileSystem.close();
}}- 执行结果：
5. 文件的下载
// IOUtils.copy()
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FSDataInputStream;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
public class hdfs05FileDownload {
public static void main(String[] args) throws IOException, URISyntaxException, InterruptedException {
// 1. 获取FileSystem
FileSystem fileSystem = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop0:8020"), new Configuration(), "root");
// 2. 获取hdfs的输入流
FSDataInputStream inputStream = fileSystem.open(new Path("/0320/data.txt"));
// 3. 获取本地文件的输出流
FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream("/Users/jason93/Desktop/BigData/file/hdfs/dataDown.txt");
// 4. 文件的拷贝
IOUtils.copy(inputStream, outputStream);
// 5. 关闭流
IOUtils.closeQuietly(inputStream);
IOUtils.closeQuietly(outputStream);
fileSystem.close();
}}- 运行结果：（其文件内容与 data.txt 一样）
2. 合并小文件
1. 合并小文件上传
- 首先准备几个小文件
# /Users/jason93/Desktop/BigData/file/hdfs/merge/
# data1.txt
hello,world
# data2.txt
hello,hadoop
# data3.txt
hello,hdfs- 代码：
// IOUtils.copy()
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.*;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
public class hdfs06MergeFileUpload {
public static void main(String[] args) throws URISyntaxException, IOException, InterruptedException {
// 1. 获取FileSystem
FileSystem fileSystem =
FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop0:8020"), new Configuration(), "root");
// 2. 获取hdfs大文件的输出流
FSDataOutputStream fsDataOutputStream =
fileSystem.create(new Path("/0320/hdfs/merge.txt"));
// 3. 获取一个本地文件系统
LocalFileSystem localFileSystem = FileSystem.getLocal(new Configuration());
// 4. 获取本地文件夹下所有文件的详情
FileStatus[] fileStatuses = localFileSystem.listStatus(new Path("/Users/jason93/Desktop/BigData/file/hdfs/merge"));
// 5. 遍历每个文件，获取每个文件的输入流
for (FileStatus fileStatus : fileStatuses) {
FSDataInputStream fsDataInputStream = localFileSystem.open(fileStatus.getPath());
// 6. 将小文件的内容复制到大文件
IOUtils.copy(fsDataInputStream, fsDataOutputStream);
IOUtils.closeQuietly(fsDataInputStream);
}
// 7. 关闭流
IOUtils.closeQuietly(fsDataOutputStream);
localFileSystem.close();
fileSystem.close();
}}- 运行后看结果
2. 合并小文件下载
方式一：通过命令行方式
- 将 hdfs 的
/0320/hdfs/下的三个文件合并下载到本地 - 说明：若本地该文件不存在则创建写入，若存在则覆盖文件的原内容
# 合并指定目录下的所有文件
hadoop fs -getmerge /0320/hdfs/* /home/data/hdfs/mergeDown.txt
# 合并目录下的指定文件也可以(相对路径)
hadoop fs -getmerge /0320/hdfs/data1.txt /0320/hdfs/data3.txt mergeDown13.txt
# 查看结果：
[root@hadoop0 hdfs]# ls
mergeDown13.txt mergeDown.txt merge.txt
[root@hadoop0 hdfs]# cat mergeDown.txt
hello,world
hello,hadoop
hello,hdfs
[root@hadoop0 hdfs]# cat mergeDown13.txt
hello,world
hello,hdfs方式二：通过 Java API方式
// IOUtils.copy()
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.*;
import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;
public class hdfs07MergeFileDownload {
public static void main(String[] args) throws URISyntaxException, IOException, InterruptedException {
// 1. 获取FileSystem
FileSystem fileSystem = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop0:8020"), new Configuration(), "root");
// 2. 获取一个本地文件系统
LocalFileSystem localFileSystem = FileSystem.getLocal(new Configuration());
// 3. 获取本地大文件的输出流
FSDataOutputStream outputStream = localFileSystem.create(new Path("/Users/jason93/Desktop/BigData/file/hdfs/mergeDown.txt"), true);
// 4. 获取hdfs下的所有小文件
RemoteIterator<LocatedFileStatus> listFiles = fileSystem.listFiles(new Path("/0320/hdfs"), true);
// 5. 遍历
while (listFiles.hasNext()) {
LocatedFileStatus locatedFileStatus = listFiles.next();
FSDataInputStream inputStream = fileSystem.open(locatedFileStatus.getPath());
// 6. 将小文件复制到大文件中
IOUtils.copy(inputStream, outputStream);
IOUtils.closeQuietly(inputStream);
}
// 7. 关闭流
IOUtils.closeQuietly(outputStream);
localFileSystem.close();
fileSystem.close();
}}- 运行结果：
4. HDFS 原理
1. HDFS 的启动流程【重要】
- 先启动 NameNode 进程
- 加载 NameNode 文件夹中存储的磁盘的元数据信息（fsimage + edits_inprogress）
- NameNode 在启动完毕后，会在 NameNode 节点启动一个服务，该服务会等待所有 DataNode 上线后汇报块信息
- DataNode 一旦上线，就会通过心跳机制把自身所持有的所有块信息汇报给 NameNode
- 只有 NameNode 等到了所有的 DataNode 的上线以及把所有的块信息都汇报完毕后，最后 NameNode 才能得知：当前集群中所有文件的所有块的副本的分布。这样才代表 NameNode 正常启动
2. DataNode 页面信息介绍
信息说明：
- Node：地址和端口
- Last Contact：最近通讯时间（正常是 0/1/2 的间隔，若不正常则为最后一次的通讯时间）
- Admin State：管理员状态
- Capacity：HDFS 容量
- Used：已使用容量
- Non DFS Used：非 HDFS 使用容量
- Remaining：剩余容量
- Blocks：块容量
- Block pool used：块使用占比
- Failed Volumes：失败卷的个数，确定当前数据节点停止服务允许卷出错的服务，0 代表任何卷出错都停止服务
- Version：版本
3. HDFS 的读写剖析
1. HDFS 读数据流程
- 客户端把要读取的文件路径发送给 NameNode
- NameNode 获取文件的元信息（主要信息是 block 块的存放位置）返回给客户端
- NameNode 根据 block 块所在节点与客户端的距离判断返回哪个节点，哪个节点离客户端最近就返回哪个
- 客户端根据返回的信息找到相应 DataNode，然后逐个获取文件的 block，并在客户端本地进行数据追加合并，从而获得整个文件
异常情况： HDFS 在读取文件时，如果其中一个块突然坏掉了怎么办？
- 客户端在 DataNode 上读取完后，会对读取到的数据进行 checksum 验证（该验证就是将读取到数据和 HDFS 块的元数据进行校验），如果校验过程中发现了错误，则说明该 DataNode 读取的数据不完整，可能这个 DataNode 坏掉了，这时客户端会跟 NameNode 通讯，告诉它存在异常的 DataNode，而客户端可以从拥有该 block 备份的其他 DataNode 上重新读取文件
- 当 DataNode 确认数据异常后，将会启动异步删除，并同时告诉 NameNode 更新元数据信息，若没有其余副本，则需通过 SecondaryNameNode 进行数据恢复
2. HDFS 写数据流程
具体步骤：
- Client 发送写数据请求
- NameNode 响应请求，然后做一系列校验，如果能上传该数据则返回该文件的所有切块应该被存放在哪些 DataNode 上的 DataNode 列表
block-001: hadoop2 hadoop3
block-002: hadoop3 hadoop4- Client 拿到 DataNode 列表后，开始传数据
- 首先传第一个block-001，DataNode 列表就是 hadoop2 和 hadoop3，Client 就把 block-001 传到 hadoop2 和 hadoop3 上
- 以此类推，用传第一个数据块的方式传其他的数据
- 当所有的数据块都传完后，Client 会给 NameNode 返回一个状态信息，表示数据已全部写入成功，或者失败
- NameNode 接收到 Client 返回的状态信息来判断当次写入数据的请求是否成功，若成功则更新元数据信息
异常情况：
场景一：HDFS 在上传文件时，若其中一个 DataNode 突然挂掉了怎么办？
- 客户端上传文件时与 DataNode 建立 pipeline 管道，管道正向是客户端向 DataNode 发送的数据包，管道反向是 DataNode 向客户端发送 ACK 确认，也就是正确接收到数据包后发送一个已确认接收到的应答
- 当 DataNode 突然挂掉了，客户端接收不到该 DataNode 发送的 ACK 确认，此时不会立刻终止写入（如果立刻终止，易用性和可用性都太不友好），客户端会通知 NameNode，NameNode 检查该块的副本与规定的不符，会通知其他 DataNode 去复制副本，并将挂掉的 DataNode 作下线处理，不再让它参与文件上传与下载，该过程称为 pipeline recovery
场景二：HDFS 向 DataNode 写入数据失败怎么办？（上传 100MB 的文件，上传到 50MB，突然断了，或 block 由于网络等原因异常了，HDFS 会怎么处理？）
- Pipeline 数据流管道会被关闭，ACK 队列中的 packets 会被添加到数据队列的前面以确保数据包不丢失
- 在已正常存储 block 块的 DataNode 的 blockID 版本会更新（升级），这样发生故障的 DataNode 节点上的 block 数据会在节点恢复正常后被删除，失效节点也会从 Pipeline 中删除
- 剩下的数据会被写入到 Pipeline 数据流管道中的其他节点上
5. HDFS 三大机制（核心设计）
HDFS 三大核心机制：心跳机制、安全模式、副本存放策略
1. HDFS 心跳机制【重要】
Hadoop 是 Master/Slave 架构，Master 中有 NameNode 和 ResourceManager，Slave 中有 DataNode 和 NodeManager。
【心跳机制】：DataNode 每隔一段时间（默认 3 秒）就会跟 NameNode 取得一次联系，从而证明自己还活着，让 NameNode 能够识别到当前集群中有多少存活的节点。
- 详细点：Master 启动时会启动一个 IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）server 服务，等待 Slave 连接；Slave 启动时会主动连接 Master 的 IPC server 服务，并且每隔 3 秒连接一次 Master，这个每隔一段时间去连接一次的机制称为心跳。Slave 通过心跳给 Master 汇报自己的信息，Master 也通过心跳给 Slave 下达命令。NameNode 通过心跳得知 DataNode 的状态，ResourceManager 通过心跳得知 NodeManager 的状态。如果 Master 长时间都没收到 Slave 的心跳，就认为该 Slave 挂掉了。
NameNode 判断 DataNode 是否宕机需要一个标准：超时
timeout（超时时长） = 10 * 心跳时长（3秒） + 2 * 检测心跳是否正常工作的间隔（5分钟）
- 即 10 * 3 + 2 * 5 * 60 = 630 秒
超时时间可在 hdfs-site.xml 文件中配置 dfs.heartbeat.interval 参数，或使用 Zookeeper 做一个监控，有节点宕机可迅速感知。
心跳机制分两个方面：
- 命令：NameNode 给 DataNode 发
- 汇报：DataNode 给 NameNode 发
心跳机制作用：
- 让 NameNode 能够识别当前各个 DataNode 的状态
- DataNode 向 NameNode 传送 心跳数据包
心跳数据包：
- 该节点自身状态：磁盘使用量、block 块的数量、block 块的状态
- 该 DataNode 节点保存的所有 block 块的信息
- block 块的信息在 Linux 系统的文件位置：
2. HDFS 安全模式【重要】
在正常的启动范围内，HDFS 集群会进入安全模式，无法对外提供服务。安全模式下，客户端不能对任何数据进行操作，只能查看元数据信息。
1. 进入安全模式
进入安全模式的场景：
- 大概率是因为集群出现问题时进入安全模式
- 当 HDFS 集群中部分 DataNode 节点宕机后，HDFS 启动服务做恢复
- 当丢失数据的比例超过
0.1%时会进入安全模式
- 丢失率 可手动配置
- 默认是：
dfs.safemode.threshold.pct=0.999f - 新版本的配置是：
dfs.namenode.safemode.threshold-pct=0.999f
若要强制对外提供服务，可使用HDFS命令操作：
hdfs dfsadmin -safemode leave # 退出安全模式
hdfs dfsadmin -safemode enter # 进入安全模式
hdfs dfsadmin -safemode get # 获取安全模式状态
hdfs dfsadmin -safemode wait # 等待2. 退出安全模式
hdfs dfsadmin -safemode leave说明：
- 找到集群的问题进行修复（比如修复宕机的 DataNode），修复好了会自动退出安全模式
- 手动强行退出安全模式，并没有真正解决数据丢失的问题
3. 副本存放策略
决定一个数据块的那几个副本（默认是 3）到底该存储到哪些服务器上
原则：
- 任意一个节点上不可能存储两个一样的副本块
- 如果一个数据块要保存完整的 3 个副本块，则至少有 3 个节点
副本存放策略：
策略：
- 第一个副本块选取和客户端相同的节点
- 第二个副本块选取跟第一个副本块存储节点相邻的机架（Rack）上面的任意一个节点
- 第三个副本块存放在和第二个副本块所在机架不同的节点上
策略是一个参考，不是硬性标准。所以实际选取存储空间大、不忙的节点
**方法：**将每个文件的数据分块存储，每一个数据块又保存多个副本，这些数据块副本分布在不同的机器节点上
作用：数据分块存储和副本存放，是保证可靠性和高性能的关键
6. HDFS 三大组件
重点：组件的职责、元数据
1. NameNode 主节点
1. 职责
- 维护元数据（查询、修改）
- 响应客户端的读写数据请求
- 配置副本存放策略
- 管理集群数据库负载均衡问题
2. 元数据
如何管理元数据？ 使用 WAL（Write-Ahead Logging）预写日志系统
WAL：数据库中一种高效的日志算法，对于非内存数据库而言，磁盘 I/O 操作是数据库效率的一大瓶颈。在相同的数据量下，采用 WAL 日志的数据库系统在事务提交时，磁盘写操作只有传统的回滚日志的一半左右，大大提高了数据库磁盘 I/O 操作的效率，从而提高了数据库的性能。
说明：MySQL 实现了 WAL，所有的事务操作都会记录日志，若某张表的数据丢失后，可根据该日志拿到对应数据，对表进行恢复
元数据信息的位置：${HADOOP_HOME}/data/namenode/current/ 。示例如下：
相关说明：
（1）edits_inprogress_000… 文件：它是时刻操作的文件，按一定时间或一定大小（不同版本有差异）分割为若干 edits_000… 文件
- edits 和 fsimage 的关系：操作性文件 edits_00…-000… 合并起来为镜像文件 fsimage_00… 。比如 fsimage_000…0013725，表示 edits_000…0013725 及之前所有的 edits_000xxx 文件合并后的文件；fsimage_000…0013727 表示 edits_000…0013727 及之前所有的 edits_000xxx 文件合并后的文件。至于什么时候合并，有个 Checkpoint 检查点。后一个 fsimage 包含前一个 fsimage 和更新的 edits 文件，生成两个 fsimage 是起到 备份 的作用。若合并 edits_000…0013727 时失败，则在 hdfs 冷启动时加载 fsimage_000…0013726、edits_000…0013727 和 edits_inprogress_000… 三个文件即可；当然若合并 edits_000…0013727 成功了，则只加载 fsimage_000…0013727 和 edits_inprogress_000… 两个文件即可
- 通过生成一个可查看的 xml 文件查看 edits 和 fsimage 文件信息：
# edits 文件：
hdfs oev -i edits_0000000000000013664-0000000000000013665 -o edits.xml
cat edits.xml
# fsimage 文件：
hdfs oiv -i fsimage_0000000000000013725 -p XML -o fsimage.xml
cat fsimage.xml（2）seen_txid：存放 edits_inprogress_00… 日志最新的 id（存放 transactionId 的文件），比如 edits_inprogress_00xxx0013728，则 （3）seen_txid 为13728。format 之后是 0
（4）VERSION：存放 HDFS 集群的版本信息
（5）fsimage_000xxx.md5：校验性文件
NameNode 元数据存储机制：
- 内存 中的元数据信息：metadata，内存中一份完整的元数据信息（目录树结构 + 文件块映射 + 数据库和 DataNode 的映射）
- 目录树结构：文件地址的目录信息
- 文件块映射：文件切分成哪些块
- 磁盘 中的元数据镜像：fsimage 快照 + edits 编辑日志 + edits_inprogress（实时操作变化日志），在 NameNode 的工作目录中
- 用于衔接内存 metadata 和持久化元数据镜像 fsimage 之间的操作日志（edits 文件）
- 当客户端对 HDFS 中的文件进行新增或修改时，操作记录首先被写入 edits 日志文件中，当客户端操作成功后，相应的元数据会更新到内存 metadata 中
元数据合并的好处【面试点】
- 大大缩小操作日志的大小
- 合并后的镜像磁盘文件可以被快速加载到内存中去。可以不用加载所有的操作性文件，只加载 fsimage 和 edits_inprogress 两个文件，有利于加快程序的冷启动
元数据的 Checkpoint： 每隔一段时间，会有 SecondaryNameNode 将 NameNode 上积累的所有 edits 和一个最新的 fsimage 下载到本地，并加载到内存中进行 merge（合并），该过程称为 Checkpoint。
2. DataNode 从节点
1. 职责
- 维护 NameNode 分配给它的 block 块（存储管理用户的文件块数据）
- 通过心跳机制汇报自身所有的块信息给 NameNode
- 真正的提供读写数据
数据块的两个参数： 块的大小、副本的个数
data 数据的存放目录：
${HADOOP_HOME}/data/datanode/current/BP-1365453085-172.16.15.103-1646548673937/current/finalized/subdir0/2. DataNode 上下线
例1：一个集群有 500 个节点，现增加 10 个节点。HDFS 如何表现？
- 新增加的 DataNode 启动后，会按照配置文件寻找 HDFS 集群的 NameNode 进行汇报
- 新上线的 DataNode 没有任何数据块的信息，只有自身的状态信息
- 原来的 DataNode 和新加的 DataNode 之间存在数据倾斜的问题
解决数据倾斜的方法：负载均衡
- 负载均衡类型：服务器之间的负载均衡、磁盘之间的负载均衡
- 说明：启动负载均衡需要手工启动一个 start-balance 的进程
- 负载均衡举例：比如一个节点 4 个磁盘，每个盘 2T，该节点存储了 1T 的数据，若该 1T 的数据都在第一个磁盘上，就意味着其他 3 个磁盘没用到，这时最好做负载均衡：每个磁盘 256G
例2：一个集群 500 个节点，现减少 10 个节点，这 10 个节点上的数据块信息丢失。HDFS 如何表现？
- HDFS 集群会利用自身的恢复机制恢复到原来副本块的个数
知识点：
- 下线节点，在被动情况下，某个块的所有副本所在节点都宕机了，怎么处理？
- 若之前做过
异地灾备，可以从异地机房做数据恢复 - 若之前没做过异地灾备，那数据就丢失了
- 假设一个节点异常，数据被负载到其他节点上了，后来该节点又恢复了，那数据会重新分配吗？
- 某个数据所在的节点异常，在一个时间间隔（630秒）之内数据不会进行恢复；超过该时间后，若原来是 3 个数据块副本，现在是 2 个，则启动恢复模式恢复成 3 个数据块副本。原节点恢复过来后，会在一个时间间隔后向 NameNode 汇报，NameNode 检测到该数据块副本已经正常了，则恢复过来的节点就不起作用 了
3. SecondaryNameNode
**职责：**分担 NameNode 合并元数据信息（镜像文件和操作日志）的压力
**注意：**SecondaryNameNode 不要和 NameNode 配置在一个节点上
说明：
- SecondaryNameNode 并不是 NameNode 的热备份，所以当 NameNode 挂掉后不能代替 NameNode 工作，对外提供服务
- SecondaryNameNode 只在单机模式、伪分布模式和分布式模式中使用，在高可用、联邦集群中由 StandbyNameNode 取代，所以 SecondaryNameNode 与 StandbyNameNode 是互斥的关系，二者存且仅存一个
- SecondaryNameNode 只能帮助 NameNode 恢复部分数据，因为当 SecondaryNameNode 接收到 NameNode 的编辑日志 edits 和镜像文件 fsimage 之后，NameNode 之中的操作还会记录到它本身的编辑日志（edits）中，不会同步到 SecondaryNameNode，所以，SecondaryNameNode 只有 checkpoint 之前的数据，只能恢复部分的数据，如果 NameNode 将 checkpoint 之后的数据丢失则无法恢复
工作机制：
- SecondaryNameNode 向 NameNode 发出请求，看 NameNode 是否需要进行 checkpoint 活动
- NameNode 返回自己是否需要 checkpoint 活动的结果，若需要则继续，若不需要就没有后续了
- SecondaryNameNode 在接收到 NameNode 需要进行 checkpoint 的请求后，会向 NameNode 发起 checkpoint 请求
- NameNode 接收到请求后，对编辑日志（edits）进行回滚，然后将编辑日志（edits）和镜像文件（fsimage）拷贝到 SecondaryNameNode 中
- SecondaryNameNode 将 NameNode 拷贝过来的 fsimage 和 edits 加载到内存中进行合并，生成新的 fsimage.chkpoint
- SecondaryNameNode 将 fsimage.chkpoint 拷贝到 NameNode 中
- NameNode 将 fsimage.chkpoint 重新命名为 fsimage
7. HDFS 的高可用和联邦【重点】
1. 高可用（HA）
集群要对外提供服务，首先要保证 NameNode 正常，不能宕机。因为企业一般都 7*24 小时不间断提供服务。保证 NameNode 实时提供服务而不宕机的机制：HA（High Available）高可用
SPOF（Single Point Of Failure）单点故障，是主从架构存在的通性问题
单点故障具体解决方案：做备份
为防止 Active 的 NameNode 宕机，在旁边准备一台 Standby 节点。假设 Active 的 NameNode 节点是 Hadoop0，Standby 的 NameNode 节点是 Hadoop4，若 Hadoop0 宕机了，Hadoop4 会代替它运行。
HDFS 高可用功能，用配置过 Active/Standby 两个 NameNode 实现在集群中对 NameNode 的热备份来解决 NameNode 机器宕机或软硬件升级导致集群无法使用的问题。
元数据信息在 NameNode 节点 Hadoop0 中，当它宕机后，Hadoop4 要迅速取代 Hadoop0，也就意味着 Hadoop4 和 Hadoop0 要存储一模一样的元数据信息，即 Hadoop4 是 Hadoop0 的一个热备份。【重要】
不管 Active 节点做了什么操作，Standby 节点都要 时刻保持同步。
保持同步的方法：创建 JournalNode 集群，NameNode（Active）写入该集群，NameNode（Standby）从该集群中读取。JournalNode 集群的各个节点跟 Zoopeeper 集群类似，每个节点都有可能成为主节点，因此不存在单点故障。至于区分 Active 和 Standby，由 Zookeeper 集群的文件目录树决定。该目录树是一个 LOCK，两个 NameNode 谁先抢到谁就是 Active。
为了保险起见，设置多个 Standby 是否可以？可以，但有条件，也不建议特别多，个位数。
- 条件：Hadoop2.x 版本中不行，一个 Active 只能对应一个 Standby；Hadoop3.x 版本中可以
多主多从：主节点是一个小集群，从节点也是一个集群（比如 Kudu）
2. 联邦（Federation）
元数据信息加载到内存中，有可能内存放不下，导致 内存受限。解决内存受限问题：联邦
HDFS Federation：指 HDFS 集群可同时存在多个 NameNode，包含多组 HA，每组 HA 中各 NameNode 存储相同元数据，元数据分多份，均分到各组 HA 的 NameNode中。
这种设计可解决单 NameNode 存在的以下问题：
- HDFS 集群扩展性
- 性能更高效
- 良好的隔离性
HDFS Federation方案：
