Hadoop之HDFS原理及文件上传下载源码分析（上）

HDFS原理

　　首先说明下，hadoop的各种搭建方式不再介绍，相信各位玩hadoop的同学随便都能搭出来。

　　楼主的环境：

• 　　操作系统：Ubuntu 15.10
• 　　hadoop版本：2.7.3
• 　　HA：否（随便搭了个伪分布式）

文件上传

下图描述了Client向HDFS上传一个200M大小的日志文件的大致过程：

　　首先，Client发起文件上传请求，即通过RPC与NameNode建立通讯。

　　NameNode与各DataNode使用心跳机制来获取DataNode信息。NameNode收到Client请求后，获取DataNode信息，并将可存储文件的节点信息返回给Client。

　　Client收到NameNode返回的信息，与对应的DataNode节点取得联系，并向该节点写文件。

　　文件写入到DataNode后，以流水线的方式复制到其他DataNode（当然，这里面也有DataNode向NameNode申请block，这里不详细介绍），至于复制多少份，与所配置的hdfs-default.xml中的dfs.replication相关。

　　元数据存储

　　先明确几个概念：

　　fsimage:元数据镜像文件。存储某一时段NameNode内存元数据信息。
　　edits:操作日志文件。
　　fstime:保存最近一次checkpoint的时间

　　checkpoint可在hdfs-default.xml中具体配置，默认为3600秒：

<property>
  <name>dfs.namenode.checkpoint.period</name>
  <value>3600</value>
  <description>The number of seconds between two periodic checkpoints.
  </description>
</property>

　　fsimage和edits文件在namenode目录可以看到：

NameNode中的元数据信息：

　　

　　test.log文件上传后，Namenode始终在内存中保存metedata，用于处理“读请求”。metedata主要存储了文件名称(FileName)，副本数量(replicas)，分多少block存储（block-ids），分别存储在哪个节点上（id2host）等。

　　到有“写请求”到来时，namenode会首先写editlog到磁盘，即向edits文件中写日志，成功返回后，才会修改内存，并且向客户端返回
　　hadoop会维护一个fsimage文件，也就是namenode中metedata的镜像，但是fsimage不会随时与namenode内存中的metedata保持一致，而是每隔一段时间通过合并edits文件来更新内容。此时Secondary namenode就派上用场了，合并fsimage和edits文件并更新NameNode的metedata。
　　Secondary namenode工作流程：

1. secondary通知namenode切换edits文件
2. secondary通过http请求从namenode获得fsimage和edits文件
3. secondary将fsimage载入内存，然后开始合并edits
4. secondary将新的fsimage发回给namenode
5. namenode用新的fsimage替换旧的fsimage

　　通过一张图可以表示为：

 文件下载

　　文件下载相对来说就简单一些了，如图所示，Client要从DataNode上，读取test.log文件。而test.log由block1和block2组成。

　　

　　文件下载的主要流程为：

• client向namenode发送请求。
• namenode查看Metadata信息，返回test.log的block的位置。     

　　　　Block1: h0,h1,h3
　　　　Block2: h0,h2,h4

• 开始从h0节点下载block1，block2。

源码分析

　　我们先简单使用hadoop提供的API来实现文件的上传下载（文件删除、改名等操作比较简单，这里不演示）：

　　

package cn.jon.hadoop.hdfs;

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.URI;
import java.net.URISyntaxException;

import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import org.apache.hadoop.io.IOUtils;
import org.junit.Before;
import org.junit.Test;

public class HDFSDemo {
    FileSystem fs = null;    
    @Before
    public void init(){
        try {
            //初始化文件系统
            fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoopmaster:9000"), new Configuration(), "root");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (URISyntaxException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        
    }
    @Test
    /**
     * 文件上传
     */
    public void testFileUpload(){
        try {
            OutputStream os = fs.create(new Path("/test.log"));
            FileInputStream fis = new FileInputStream("I://test.log");
            IOUtils.copyBytes(fis, os, 2048,true);
            //可以使用hadoop提供的简单方式
            fs.copyFromLocalFile(new Path("I://test.log"), new Path("/test.log"));
        } catch (IllegalArgumentException | IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    @Test    
    /**
     * 文件下载
     */
    public void testFileDownload(){
        try {
            InputStream is = fs.open(new Path("/test.log"));
            FileOutputStream fos = new FileOutputStream("E://test.log");            
            IOUtils.copyBytes(is, fos, 2048);
            //可以使用hadoop提供的简单方式
            fs.copyToLocalFile(new Path("/test.log"), new Path("E://test.log"));
        } catch (IllegalArgumentException | IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

　　显而易见，只要是对hdfs上的文件进行操作，必须对FileSystem进行初始化，我们先来分析FileSystem的初始化：

　　

 public static FileSystem get(URI uri, Configuration conf) throws IOException {
    return CACHE.get(uri, conf);//部分方法我只截取了部分代码，这里进入get()方法
  }

   FileSystem get(URI uri, Configuration conf) throws IOException{
      Key key = new Key(uri, conf);
      return getInternal(uri, conf, key);//调用getInternal()
    }

private FileSystem getInternal(URI uri, Configuration conf, Key key) throws IOException{
     //使用单例模式创建FileSystem,这是由于FS的初始化需要大量的时间，使用单例保证只是第一次加载慢一些，返回FileSystem的子类实现DistributedFileSystem
      FileSystem fs;
      synchronized (this) {
        fs = map.get(key);
      }
      if (fs != null) {
        return fs;
      }

      fs = createFileSystem(uri, conf);
      synchronized (this) { // refetch the lock again
        FileSystem oldfs = map.get(key);
        if (oldfs != null) { // a file system is created while lock is releasing
          fs.close(); // close the new file system
          return oldfs;  // return the old file system
        }
        
        // now insert the new file system into the map
        if (map.isEmpty()
                && !ShutdownHookManager.get().isShutdownInProgress()) {
          ShutdownHookManager.get().addShutdownHook(clientFinalizer, SHUTDOWN_HOOK_PRIORITY);
        }
        fs.key = key;
        map.put(key, fs);
        if (conf.getBoolean("fs.automatic.close", true)) {
          toAutoClose.add(key);
        }
        return fs;
      }
    }

public void initialize(URI uri, Configuration conf) throws IOException {
    super.initialize(uri, conf);
    setConf(conf);

    String host = uri.getHost();
    if (host == null) {
      throw new IOException("Incomplete HDFS URI, no host: "+ uri);
    }
    homeDirPrefix = conf.get(
        DFSConfigKeys.DFS_USER_HOME_DIR_PREFIX_KEY,
        DFSConfigKeys.DFS_USER_HOME_DIR_PREFIX_DEFAULT);
    
    this.dfs = new DFSClient(uri, conf, statistics);//实例化DFSClient，并将它作为DistributedFileSystem的引用，下面我们跟进去
    this.uri = URI.create(uri.getScheme()+"://"+uri.getAuthority());
    this.workingDir = getHomeDirectory();
  }

public DFSClient(URI nameNodeUri, ClientProtocol rpcNamenode,
      Configuration conf, FileSystem.Statistics stats)
    throws IOException {
    //该构造太长，楼主只截取了重要部分给大家展示，有感兴趣的同学可以亲手进源码瞧瞧     
    NameNodeProxies.ProxyAndInfo<ClientProtocol> proxyInfo = null;
    //这里声明了NameNode的代理对象，跟我们前面讨论的rpc就息息相关了
    if (proxyInfo != null) {
      this.dtService = proxyInfo.getDelegationTokenService();
      this.namenode = proxyInfo.getProxy();
    } else if (rpcNamenode != null) {   
      Preconditions.checkArgument(nameNodeUri == null);
      this.namenode = rpcNamenode;
      dtService = null;
    } else {
      Preconditions.checkArgument(nameNodeUri != null,
          "null URI");
      proxyInfo = NameNodeProxies.createProxy(conf, nameNodeUri,
          ClientProtocol.class, nnFallbackToSimpleAuth);
      this.dtService = proxyInfo.getDelegationTokenService();
      this.namenode = proxyInfo.getProxy();//获取NameNode代理对象引用并自己持有，this.namenode类型为ClientProtocol，它是一个接口，我们看下这个接口
    }
  }

public interface ClientProtocol{
      public static final long versionID = 69L;
      //还有很多对NameNode操作的方法申明，包括对文件上传，下载，删除等
      //楼主特意把versionID贴出来了，这就跟我们写的RPCDemo中的MyBizable接口完全类似，所以说Client一旦拿到该接口实现类的代理对象（NameNodeRpcServer），Client就可以实现与NameNode的RPC通信，我们继续跟进
}

 public static <T> ProxyAndInfo<T> createProxy(Configuration conf,
      URI nameNodeUri, Class<T> xface, AtomicBoolean fallbackToSimpleAuth)
      throws IOException {
    AbstractNNFailoverProxyProvider<T> failoverProxyProvider =
        createFailoverProxyProvider(conf, nameNodeUri, xface, true,
          fallbackToSimpleAuth);  
    if (failoverProxyProvider == null) {
      // 如果不是HA的创建方式，楼主环境是伪分布式，所以走这里，我们跟进去
      return createNonHAProxy(conf, NameNode.getAddress(nameNodeUri), xface,
          UserGroupInformation.getCurrentUser(), true, fallbackToSimpleAuth);
    } else {
      // 如果有HA的创建方式
      Conf config = new Conf(conf);
      T proxy = (T) RetryProxy.create(xface, failoverProxyProvider,
          RetryPolicies.failoverOnNetworkException(
              RetryPolicies.TRY_ONCE_THEN_FAIL, config.maxFailoverAttempts,
              config.maxRetryAttempts, config.failoverSleepBaseMillis,
              config.failoverSleepMaxMillis));
      return new ProxyAndInfo<T>(proxy, dtService,
          NameNode.getAddress(nameNodeUri));
    }
  }

 　　最终返回的为ClientProtocol接口的子类代理对象，而NameNodeRpcServer类实现了ClientProtocol接口，因此返回的为NameNode的代理对象，当客户端拿到了NameNode的代理对象后，即与NameNode建立了RPC通信：

private static ClientProtocol createNNProxyWithClientProtocol(
      InetSocketAddress address, Configuration conf, UserGroupInformation ugi,
      boolean withRetries, AtomicBoolean fallbackToSimpleAuth)
      throws IOException {
    RPC.setProtocolEngine(conf, ClientNamenodeProtocolPB.class, ProtobufRpcEngine.class);//是不是感觉越来越像我们前面说到的RPC

    final RetryPolicy defaultPolicy = 
        RetryUtils.getDefaultRetryPolicy(//加载默认策虐
            conf, 
            DFSConfigKeys.DFS_CLIENT_RETRY_POLICY_ENABLED_KEY, 
            DFSConfigKeys.DFS_CLIENT_RETRY_POLICY_ENABLED_DEFAULT, 
            DFSConfigKeys.DFS_CLIENT_RETRY_POLICY_SPEC_KEY,
            DFSConfigKeys.DFS_CLIENT_RETRY_POLICY_SPEC_DEFAULT,
            SafeModeException.class);
    
    final long version = RPC.getProtocolVersion(ClientNamenodeProtocolPB.class);
    //看到versionId了吗？这下明白了rpc的使用中目标接口必须要有这个字段了吧
    ClientNamenodeProtocolPB proxy = RPC.getProtocolProxy(
        ClientNamenodeProtocolPB.class, version, address, ugi, conf,
        NetUtils.getDefaultSocketFactory(conf),
        org.apache.hadoop.ipc.Client.getTimeout(conf), defaultPolicy,
        fallbackToSimpleAuth).getProxy();
    //看到没？这里使用 RPC.getProtocolProxy()来创建ClientNamenodeProtocolPB对象，调试时可以清楚的看见，该对象引用的是一个代理对象，值为$Proxy12，由JDK的动态代理来实现。
    //前面我们写RPCDemo程序时，用的是RPC.getProxy()，但是各位大家可以去看RPC源码，RPC.getProtocolProxy()最终还是调用的getProxy()
    if (withRetries) {
      Map<String, RetryPolicy> methodNameToPolicyMap 
                 = new HashMap<String, RetryPolicy>();    
      ClientProtocol translatorProxy =
        new ClientNamenodeProtocolTranslatorPB(proxy);
      return (ClientProtocol) RetryProxy.create(//这里再次使用代理模式对代理对象进行包装，也可以理解为装饰者模式
          ClientProtocol.class,
          new DefaultFailoverProxyProvider<ClientProtocol>(
              ClientProtocol.class, translatorProxy),
          methodNameToPolicyMap,
          defaultPolicy);
    } else {
      return new ClientNamenodeProtocolTranslatorPB(proxy);
    }
  }

　　整个FileSystem的初始化用时序图表示为：

　　到此，FileSystem的初始化就基本完成。由于文章篇幅过大的问题，所以楼主把HDFS原理及源码分析拆分成了两部分，上半部分主要是HDFS原理与FileSystem的初始化介绍，那在下半部分将会具体介绍HDFS文件上传、下载的源码解析。

　　另外，文章用到的一些示例代码，将会在下半部分发布后，楼主一起上传到GitHub。