Hadoop IO 特性详解（2）

（本文引用了microheart，ggjucheng的一些资料，在此感谢。charles觉得知识无价，开源共享无价）

这一次我们接着分析文件IO校验的相关代码，看看最底层是如何实现这种大数据集的文件校验的，不得不说设计这个系统的程序员是世界上最具有智慧的一群人，面对复杂难解的问题总是可以找到很好的解决方法。

其实对于文件校验这件事情，hadoop为什么重要上一篇文章讲过几个方面，提到的bit rot衰减其实很多人没有直观感受。我就举一个直观的例子以便于普通人感受一下bit rot的影响。一个磁盘，十年前我放500GB的日本爱情动作片在上面，第二天，第三天我再去打开它也还是没问题，高清无码，一年之后我再打开，可能也还是没问题。5年的时候，你可能发现有时候怎么会卡顿，十年之后基本上已经不能够完整读取了。可惜了你的500GB大片。

为什么？因为时间越长，硬件总会经受各种损坏，温度，湿度，外力，甚至自身运行，即使一直不用他，也会发生变化，导致数据损坏，这就是bit rot.

言归正传，看校验

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/****************************************************************  * Abstract Checksumed FileSystem.  * It provide a basic implementation of a Checksumed FileSystem,  * which creates a checksum file for each raw file.  * It generates & verifies checksums at the client side.  *  *****************************************************************/ @InterfaceAudience.Public @InterfaceStability.Stable public abstract class ChecksumFileSystem extends FilterFileSystem {   private static final byte[] CHECKSUM_VERSION = new byte[] {'c', 'r', 'c', 0};   private int bytesPerChecksum = 512;   private boolean verifyChecksum = true;   private boolean writeChecksum = true; }

这个ChecksumFileSystem 在package org.apache.hadoop.fs中，继承FilterFileSystem，FilterFileSystem继承FileSystem类。那么首先看最上面的父类FileSystem:

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public abstract class FileSystem extends Configured implements Closeable {       /**    *作用是将本地文件拷贝到目标文件，如果目标还是在本地就不执行任何操作，如果是远程就执行    * @param fsOutputFile path of output file    * @param tmpLocalFile path to local tmp file    */   public void completeLocalOutput(Path fsOutputFile, Path tmpLocalFile)     throws IOException {     moveFromLocalFile(tmpLocalFile, fsOutputFile);   }     /**    * 将本地文件src拷贝到远程中去，也就是增加到FS中，操作之后本地文件还是原封不动，保持完整。    * @param src path    * @param dst path    */   public void copyFromLocalFile(Path src, Path dst)     throws IOException {     copyFromLocalFile(false, src, dst);   }       /**    * 在指定的地点利用给定的校验和选项创建一个FSDataOutputStream    * @param f the file name to open    * @param permission访问权限    * @param flags {@link CreateFlag}s to use for this stream.    * @param bufferSize the size of the buffer to be used.    * @param replication required block replication for the file.副本    * @param blockSize    * @param progress    * @param checksumOpt checksum parameter. If null, the values    *        found in conf will be used.    * @throws IOException    * @see #setPermission(Path, FsPermission)    */   public FSDataOutputStream create(Path f,       FsPermission permission,       EnumSet<CreateFlag> flags,       int bufferSize,       short replication,       long blockSize,       Progressable progress,       ChecksumOpt checksumOpt) throws IOException {     // Checksum options are ignored by default. The file systems that     // implement checksum need to override this method. The full     // support is currently only available in DFS.     return create(f, permission, flags.contains(CreateFlag.OVERWRITE),          bufferSize, replication, blockSize, progress);   }     /** Return true iff file is a checksum file name.是不是校验和文件呢。.crc结尾嘛，上一篇文章已经讲过这个点了*/   public static boolean isChecksumFile(Path file) {     String name = file.getName();     return name.startsWith(".") && name.endsWith(".crc");   }     /** Return the name of the checksum file associated with a file.*/   public Path getChecksumFile(Path file) {     return new Path(file.getParent(), "." + file.getName() + ".crc");   }     /** Return the length of the checksum file given the size of the     * actual file.    **/   public long getChecksumFileLength(Path file, long fileSize) {     return getChecksumLength(fileSize, getBytesPerSum());   }       /**    * Set whether to verify checksum.    */   @Override   public void setVerifyChecksum(boolean verifyChecksum) {     this.verifyChecksum = verifyChecksum;   }     @Override   public void setWriteChecksum(boolean writeChecksum) {     this.writeChecksum = writeChecksum;   }     /** get the raw file system */   @Override   public FileSystem getRawFileSystem() {     return fs;   }   public boolean reportChecksumFailure(Path f, FSDataInputStream in,                                         long inPos, FSDataInputStream sums, long sumsPos) {     return false;   }     }

代码很多，其实功能也很清晰简单：我们闭上眼睛想想如果要多文件进行操作，就需要创建文件，创建输出流，接收输入流，对输入流的数据进行校验，有时候还要追加数据到某一个文件，还包括其他一些文件的常规操作。

明白了这些想法，再来看这个类里面的代码，其实就简单了。

根据microheart的说法：

Hadoop抽象文件系统的方法分为两部分：

处理文件和目录的相关事务 

以下部分来自microheart的git写的太好我又没本事分析这么透彻，看半天眼睛都花了。所以引用之。

读写文件数据

FileSystem 接口

fs.FileSystem

FileSystem抽象类主要包含一下几类接口：

打开或创建文件：FileSystem.open(), FileSystem.create(), FileSystem.append()

读取文件流数据：FSDataInputStream.read()

写文件流数据：FSDataOutputStream.write()

关闭文件：FSDataInputStream.close(), FSDataOutputStream.close()

删除文件：FileSystem.delete()

文件重命名：FileSystem.rename()

创建目录：FileSystem.mkdirs()

定位文件流位置：FSDataInputStream.seek()

获取目录/文件属性：FileSystem.getFileStatus(), FileSystem.get*()

设置目录/文件属性：FileSystem.set*()

设置/获取当前目录：FileSystem.getWorkingDirectory(), FileSystem.setWorkingDirectory()

获取具体的文件系统：FileSystem.get(), FileSystem.getLocal()

FileSystem.get()为工厂模式实现，用于创建多种文件系统产品。

FileStatus

Hadoop 通过FileSystem.getFileStatus()可获得文件/目录的属性，这些属性封装在FileStatus中。 FileStatus返回给客户端关于文件的元数据信息，包含路径，长度、修改时间、访问时间等基本信息和分布式文件系统特有的副本数。

// Interface that represents the client side information for a file.

public class FileStatus implements Writable, Comparable {

  private Path path;

  private long length;

  private boolean isdir;

  private short block_replication;

  private long blocksize;

  private long modification_time;

  private long access_time;

  private FsPermission permission;

  private String owner;

  private String group;

  ...

}

FileStatus实现了Writable接口，因此FileStatus对象可序列化后在网络上传输。 FileStatus几乎包含了文件/目录的所有属性，这样设计的好处可以减少在分布式系统中进行网络传输的次数。

FSDataInputStream/FSDataOutputStream

Hadoop基于流机制进行文件读写。通过FileSystem.open()可创建FSDataInputStream；通过FileSystem.create()/append()可创建FSDataOutputStream。

FSDataInputStream实现了Seekable接口和PositionedReadable接口 FSDataInputStream是装饰器模式的典型运用，实现Seekable接口和PositionedReadable接口借助其装饰的InputStream对象。

  public class FSDataInputStream extends DataInputStream 
   implements Seekable, PositionedReadable, Closeable, HasFileDescriptor {
    public FSDataInputStream(InputStream in) throws IOException {
      super(in);
      if( !(in instanceof Seekable) || !(in instanceof PositionedReadable) ) {
        throw new IllegalArgumentException(  "In is not an instance of Seekable or PositionedReadable");
      }
    }

    public synchronized void seek(long desired) throws IOException {
      ((Seekable)in).seek(desired);
    }

    public void readFully(long position, byte[] buffer)
      throws IOException {
      ((PositionedReadable)in).readFully(position, buffer, 0, buffer.length);
    }
    ...
}   

Seekable接口提供了在流中进行随机存取的方法，可在流中随机定位位置，然后读取输入流。 seekToNewSource()重新选择一个副本。

public interface Seekable {
  // Seek to the given offset from the start of the file.
  void seek(long pos) throws IOException;

  // Return the current offset from the start of the file
  long getPos() throws IOException;

  // Seeks a different copy of the data.  Returns true if found a new source, false otherwise.
  boolean seekToNewSource(long targetPos) throws IOException;
  }

PositionedReadable接口提供了从输入流中某个位置读取数据的方法，这些方法读取数据后并不改变流的当前位置。 read()和readFully()方法都是线程安全的，区别在于：前者试图读取指定长度的数据，后者读取制定长度的数据，直到读满缓冲区或者流结束。

public interface PositionedReadable {
  public int read(long position, byte[] buffer, int offset, int length) throws IOException;

  public void readFully(long position, byte[] buffer, int offset, int length) throws IOException;

  public void readFully(long position, byte[] buffer) throws IOException;
}

FSInputStream抽象类继承InputStream，并实现PositionedReadable接口。FSInputStream拥有多个子类，具体的文件系统实现相应的输入流。

FSDataOutputStream继承DataOutputStream，Hadoop文件系统不支持随机写，因而没有实现Seekable接口。 FSDataOutputStream实现了Syncable接口，Syncable.sync()将流中的数据同步至设备中。

public class FSDataOutputStream extends DataOutputStream implements Syncable {...}

Hadoop 具体文件系统

Hadoop提供大量具体的文件系统实现，以满足用户访问各种数据需求。 这些文件系统直接或者间接的继承org.apache.hadoop.fs.FileSystem。

其中FilterFileSystem类似于java.io.FilterInputStream，用于在已有的文件系统之上提供新的功能，同样是包装器设计模式的运用。 ChecksumFileSystem用于在原始文件系统之上提供校验功能。

继承关系为：

FileSystem <-- FilterFileSystem <-- ChecksumFileSystem <-- LocalFileSystem
                                                       <-- ChecksumDistributeFileSystem

其他的不多说，着重分析一下checksum的运行原理吧。

ChecksumFileSystem

ChecksumFileSystem继承FilterFileSystem，基于CRC-32提供对文件系统的数据校验。 与其他文件系统一样，ChecksumFileSystem需要提供处理文件/目录相关事务和文件读写服务。

文件/目录相关事务

这部分逻辑主要保持数据文件和CRC-32校验信息文件的一致性，如数据文件重命名，则校验文件也需要重命名。 如果数据文件为：foo.txt，则校验文件为：.foo.txt.crc

以ChecksumFileSystem.delete()方法删除文件文件为例。若文件为目录则递归删除(recursive=true)；若为普通文件，则删除对应的校验文件(若存在)。

public boolean delete(Path f, boolean recursive) throws IOException{
  FileStatus fstatus = null;
  try {
    fstatus = fs.getFileStatus(f);
  } catch(FileNotFoundException e) {
    return false;
  }
  if(fstatus.isDir()) {
    return fs.delete(f, recursive);
  } else {
    Path checkFile = getChecksumFile(f);
    if (fs.exists(checkFile)) {
      fs.delete(checkFile, true);
    }
    return fs.delete(f, true);
  }
}

读文件

Hadoop读文件时，需要从数据文件和校验文件中分别读出内容，并根据校验信息对读入的数据文件内容进行校验，以判断文件的完整性。 注：若校验事变，ChecksumFileSystem无法确定是数据文件出错还是校验文件出错。

读数据流程与ChecksumFSInputChecker和其父类FSInputChecker相关。 FSInputChecker的成员变量包含数据缓冲区、校验和缓冲区和读取位置等变量。

abstract public class FSInputChecker extends FSInputStream {
  protected Path file;        // The file name from which data is read from 
  private Checksum sum;    
  private boolean verifyChecksum = true;
  private byte[] buf;                        // 数据缓冲区
  private byte[] checksum;                   // 校验和缓冲区
  private int pos;
  private int count;
  private int numOfRetries;                  // 出错重试次数
  private long chunkPos = 0;  // cached file position
  ...
}

ChecksumFSInputChecker构造方法对基类FSInputChecker的成员进行初始化，基于CRC-32校验，校验和大小为4字节。 对校验文件首先要进行版本校验，即文件头部是否匹配魔数"crc"

public ChecksumFSInputChecker(ChecksumFileSystem fs, Path file, int bufferSize)
  throws IOException {
  super( file, fs.getFileStatus(file).getReplication() );
  ...
  try {
    ...
    if (!Arrays.equals(version, CHECKSUM_VERSION))
      throw new IOException("Not a checksum file: "+sumFile);
    this.bytesPerSum = sums.readInt();
    set(fs.verifyChecksum, new PureJavaCrc32(), bytesPerSum, 4);
  } catch (...) {         // ignore
    set(fs.verifyChecksum, null, 1, 0);
  }
}

FSInputChecker.read()循环调用read1()方法直到读取len个字节或者没有数据可读，返回读取的字节数。

public synchronized int read(byte[] b, int off, int len) throws IOException {
  ... // 参数校验
  int n = 0;
  for (;;) {
    int nread = read1(b, off + n, len - n);
    if (nread <= 0) 
      return (n == 0) ? nread : n;
    n += nread;
    if (n >= len)
      return n;
  }
}

FSInputChecker.read1()方法为了提高效率，减少内存复制的次数，若当前FSInputChecker.buf没有数据可读且要读取的len字节数大于或等于数据块大小(buf.length，默认512字节)，则通过readchecksumChunk()方法将数据直接读取目标数组中，而不需经过FSInputChecker.buf的中转。 若buf没有数据可读且读取的len字节数小于数据块大小，则通过fill()方法从数据流中一次读取一个数据块。

private int read1(byte b[], int off, int len) throws IOException {
  int avail = count-pos;
  if( avail <= 0 ) {
    if(len>=buf.length) {
      int nread = readChecksumChunk(b, off, len);   // read a chunk to user buffer directly; avoid one copy
      return nread;
    } else {
      fill();  // read a chunk into the local buffer
      if( count <= 0 ) {
        return -1;
      } else {
        avail = count;
      }
    }
  }
  // copy content of the local buffer to the user buffer
  int cnt = (avail < len) ? avail : len;
  System.arraycopy(buf, pos, b, off, cnt);
  pos += cnt;
  return cnt;    
}    

FSInputChecker.readChecksumChunk()方法通常需要对读取的字节序列进行校验(默认为true)，若校验不通过，可选择新的副本进行重读，如果进行了retriesLeft次重读仍然不能校验通过，则抛出异常。 readChunk()方法是一个抽象方法，FSInputChecker的子类实现它，以定义实际读取数据的逻辑。

private int readChecksumChunk(byte b[], int off, int len)  throws IOException {
  // invalidate buffer
  count = pos = 0;
  int read = 0;
  boolean retry = true;
  int retriesLeft = numOfRetries; 
  do {
    retriesLeft--;
    try {
      read = readChunk(chunkPos, b, off, len, checksum);
      if( read > 0 ) {
        if( needChecksum() ) {
          sum.update(b, off, read);
          verifySum(chunkPos);
        }
        chunkPos += read;
      } 
      retry = false;
    } catch (ChecksumException ce) {
        if (retriesLeft == 0) {
          throw ce;
        }
        if (seekToNewSource(chunkPos)) { // 重试一个新的数据副本
          seek(chunkPos);
        } else {
          throw ce;
        }
      }
  } while (retry);
  return read;
}

ChecksumFileSystem.ChecksumFSInputChecker实现了readChunk()的逻辑。 readChunk()它读取数据块和校验数据和，不进行两者的校验。 getChecksumFilePos()方法定位到校验和文件中pos位置对应块的边界，以便读取一个数据块对应的完整校验和。

// ChecksumFSInputChecker.readChunk()
protected int readChunk(long pos, byte[] buf, int offset, int len,
    byte[] checksum) throws IOException {
  boolean eof = false;
  if(needChecksum()) {
    try {
      long checksumPos = getChecksumFilePos(pos); 
      if(checksumPos != sums.getPos()) {
        sums.seek(checksumPos);
      }
      sums.readFully(checksum);
    } catch (EOFException e) {
      eof = true;
    }
    len = bytesPerSum;
  }
  if(pos != datas.getPos()) {
    datas.seek(pos);
  }
  int nread = readFully(datas, buf, offset, len);
  if( eof && nread > 0) {
    throw new ChecksumException("Checksum error: "+file+" at "+pos, pos);
  }
  return nread;
}

写文件

与文件/目录元数据信息的维护和读文件相比，写文件相对起来比较复杂，ChecksumFileSystem需要维护字节流上的数据读写和基于块的校验和关系。 一般而言，每{io.bytes.per.checksum}(默认512)个数据字节对应一个单独的校验和，CRC-32校验和的输出为4个字节。因此校验数据所带来的存储开销小于1%。

ChecksumFSOutputSummer继承FSOutputSummer，在基本的具体文件系统的输出流上，添加数据文件和校验文件流的输出。 继承关系：OutputStream <-- FSOutputSummer <-- ChecksumFSOutputSummer

FSOutputSummer是一个生成校验和的通用输出流，包含4个成员变量。

abstract public class FSOutputSummer extends OutputStream {
  private Checksum sum;      // data checksum 计算校验和
  private byte buf[]; // internal buffer for storing data before it is checksumed 输出数据缓冲区
  private byte checksum[]; // internal buffer for storing checksum 校验和缓冲区
  private int count; // The number of valid bytes in the buffer. 已使用空间计数
  ...
}

FSOutputSummer逻辑非常清晰，根据提供的字节数组，每{io.bytes.per.checksum}求出一个校验和，并根据子类所实现的writeChunk()方法写出到响应的输出流中，在ChecksumFSOutputSummer中，则分别写入文件数据流和校验文件数据流。

// ChecksumFileSystem.CheckSumFSOutputSummer 
private static class ChecksumFSOutputSummer extends FSOutputSummer {
  private FSDataOutputStream datas;    
  private FSDataOutputStream sums;

  ...
  @Override
  protected void writeChunk(byte[] b, int offset, int len, byte[] checksum) throws IOException {
    datas.write(b, offset, len);
    sums.write(checksum);
  }
}

FSOutputSummer.write()方法循环调用write1()方法进行校验和计算和数据流输出。当buf的count数等于buf.length，则将数据和校验和输出到对应的流中。

public synchronized void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
  ... //参数校验
  for (int n=0;n<len;n+=write1(b, off+n, len-n)) {  }
}

private int write1(byte b[], int off, int len) throws IOException {
  if(count==0 && len>=buf.length) {
    final int length = buf.length;
    sum.update(b, off, length);
    writeChecksumChunk(b, off, length, false);
    return length;
  }

  // copy user data to local buffer
  int bytesToCopy = buf.length-count;
  bytesToCopy = (len<bytesToCopy) ? len : bytesToCopy;
  sum.update(b, off, bytesToCopy);
  System.arraycopy(b, off, buf, count, bytesToCopy);
  count += bytesToCopy;
  if (count == buf.length) { // local buffer is full
    flushBuffer();  
  } 
  return bytesToCopy;
}

private void writeChecksumChunk(byte b[], int off, int len, boolean keep) throws IOException {
  int tempChecksum = (int)sum.getValue();
  if (!keep) {
    sum.reset();
  }
  int2byte(tempChecksum, checksum); // 整数转字节数组
  writeChunk(b, off, len, checksum);
}

write1()方法是用了一个实用的技巧，若当前缓冲区的写入字节数为0(count=0)且需要写入的字节数据长度大于或等于块(buf.length)的长度，则直接进行校验和计算，避免将数据拷贝到缓冲区，然后再计算校验和，减少内存拷贝的次数。 write1()方法尽可能的写入多的数据，但一次最多写入一个块。

ChecksumFileSystem.CheckSumFSOutputSummer提供了构造FSOutputSummer所需要的参数。 校验和采用PureJavaCrc32，校验和长度4字节，缓冲大小为512字节(默认)。

public ChecksumFSOutputSummer(ChecksumFileSystem fs,   Path file, boolean overwrite, int bufferSize, 
                              short replication, long blockSize, Progressable progress) throws IOException {
  super(new PureJavaCrc32(), fs.getBytesPerSum(), 4);
  int bytesPerSum = fs.getBytesPerSum();
  this.datas = fs.getRawFileSystem().create(file, overwrite, bufferSize, replication, blockSize, progress);
  int sumBufferSize = fs.getSumBufferSize(bytesPerSum, bufferSize);
  this.sums = fs.getRawFileSystem().create(fs.getChecksumFile(file), true, sumBufferSize, replication, blockSize);
  sums.write(CHECKSUM_VERSION, 0, CHECKSUM_VERSION.length);
  sums.writeInt(bytesPerSum);
}

构造ChecksumFSOutputSummer时，就往校验和文件流中写入魔数CHECKSUM_VERSION("crc")和校验块长度。 FSOutputSummer抽象了大部分和数据分块、计算校验和的相关功能，ChecksumFSOutputSummer在此基础上提供了具体的文件流输出。

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由此可见，hadoop对于文件校验有一套精心的设计，文件系统和文件读写都会避免错误的产生。虽然额外的校验可能会导致性能的占用，但是一些公司经过摸索也找出了解决方案：

据ggjucheng：hdfs都是存储大文件的，默认每512字节就做一个crc校验，客户端在读写文件都要做这个校验，这个对hdfs的性能消耗是比较大的，crc最开始是采用jni调用，但是jni调用都要做上下文切换，加上每512字节就做一次crc校验，所以导致jvm切换很频繁，后来修改为pure java的crc校验，性能还提高了下，如果是几百兆就做一个crc校验，那么jni调用导致的上下文切换少些，那么jni就还有优势，但是在hadoop这个应用场景明显不合适。 后来淘宝的针对hadoop的crc场景，定制了jvm，将crc指令优化为调用硬件指令，性能测试报告证明提高了hdfs性能的20%-30%。 

到此，文件校验分析就结束了。接下来我会接着介绍压缩编码解码方面的原理。

Charles 于2015-12-22 Phnom Penh

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