HDFS源码分析数据块校验之DataBlockScanner

时间：2021-07-15 14:53:02

DataBlockScanner是运行在数据节点DataNode上的一个后台线程。它为所有的块池管理块扫描。针对每个块池，一个BlockPoolSliceScanner对象将会被创建，其运行在一个单独的线程中，为该块池扫描、校验数据块。当一个BPOfferService服务变成活跃或死亡状态，该类中的blockPoolScannerMap将会更新。

我们先看下DataBlockScanner的成员变量，如下：

  1. // 所属数据节点DataNode实例
  2. private final DataNode datanode;
  3. // 所属存储FsDatasetSpi实例
  4. private final FsDatasetSpi<? extends FsVolumeSpi> dataset;
  5. // 配置信息Configuration实例
  6. private final Configuration conf;
  7. // 线程休眠周期，5s
  8. static final int SLEEP_PERIOD_MS = 5 * 1000;
  9. /**
  10. * Map to find the BlockPoolScanner for a given block pool id. This is updated
  11. * when a BPOfferService becomes alive or dies.
  12. * 存储块池ID到对应BlockPoolScanner实例的映射。
  13. * 当一个BPOfferService服务变成活跃或死亡状态，blockPoolScannerMap将会随之更新。
  14. */
  15. private final TreeMap<String, BlockPoolSliceScanner> blockPoolScannerMap =
  16. new TreeMap<String, BlockPoolSliceScanner>();
  17. // 数据块扫描线程
  18. Thread blockScannerThread = null;

首先是由构造函数确定的三个成员变量：所属数据节点DataNode实例datanode、所属存储FsDatasetSpi实例dataset、配置信息Configuration实例conf，对应构造函数如下：

  1. // 构造函数
  2. DataBlockScanner(DataNode datanode,
  3. FsDatasetSpi<? extends FsVolumeSpi> dataset,
  4. Configuration conf) {
  5. this.datanode = datanode;
  6. this.dataset = dataset;
  7. this.conf = conf;
  8. }

然后设定了一个静态变量，5s的线程休眠周期，即SLEEP_PERIOD_MS，另外两个重要的成员变量是：

1、TreeMap<String, BlockPoolSliceScanner> blockPoolScannerMap

存储块池ID到对应BlockPoolScanner实例的映射。当一个BPOfferService服务变成活跃或死亡状态，blockPoolScannerMap将会随之更新。

2、Thread blockScannerThread

数据块扫描线程。

既然DataBlockScanner实现了Runnable接口，那么它肯定是作为一个线程在DataNode节点上运行的，我们看下DataNode是如何对其进行构造及启动的，代码如下：

  1. /**
  2. * See {@link DataBlockScanner}
  3. */
  4. private synchronized void initDataBlockScanner(Configuration conf) {
  5. // 如果blockScanner不为null，直接返回
  6. if (blockScanner != null) {
  7. return;
  8. }
  9. // 数据块校验功能无法开启的原因
  10. String reason = null;
  11. assert data != null;
  12. // 如果参数dfs.datanode.scan.period.hours未配置，或者配置为0，说明数据块校验功能已关闭
  13. if (conf.getInt(DFS_DATANODE_SCAN_PERIOD_HOURS_KEY,
  14. DFS_DATANODE_SCAN_PERIOD_HOURS_DEFAULT) < 0) {
  15. reason = "verification is turned off by configuration";
  16. // SimulatedFSDataset不支持数据块校验
  17. } else if ("SimulatedFSDataset".equals(data.getClass().getSimpleName())) {
  18. reason = "verifcation is not supported by SimulatedFSDataset";
  19. }
  20. // 如果数据块校验功能无法开启的原因为null，构造DataBlockScanner实例，并调用其start()方法启动该线程
  21. if (reason == null) {
  22. blockScanner = new DataBlockScanner(this, data, conf);
  23. blockScanner.start();
  24. } else {
  25. // 否则在日志文件中记录周期性数据块校验扫描无法启用的原因
  26. LOG.info("Periodic Block Verification scan disabled because " + reason);
  27. }
  28. }

首先，如果blockScanner不为null，直接返回，说明之前已经初始化并启动了，然后，确定数据块校验功能无法开启的原因reason：

1、如果参数dfs.datanode.scan.period.hours未配置，或者配置为0，说明数据块校验功能已关闭；

2、SimulatedFSDataset不支持数据块校验；

如果数据块校验功能无法开启的原因为null，构造DataBlockScanner实例，并调用其start()方法启动该线程，否则在日志文件中记录周期性数据块校验扫描无法启用的原因。

DataBlockScanner线程启动的start()方法如下：

  1. public void start() {
  2. / 基于DataBlockScanner实例创建一个线程blockScannerThread
  3. blockScannerThread = new Thread(this);
  4. // 将线程blockScannerThread设置为后台线程
  5. blockScannerThread.setDaemon(true);
  6. // 启动线程blockScannerThread
  7. blockScannerThread.start();
  8. }

实际上它是基于DataBlockScanner实例创建一个线程blockScannerThread，将线程blockScannerThread设置为后台线程，然后启动线程blockScannerThread。

DataBlockScanner线程已创建，并启动，那么我们看下它是如何工作的，接下来看下它的run()方法，代码如下：

  1. // 线程核心run()方法
  2. @Override
  3. public void run() {
  4. // 当前块池ID，默认为空
  5. String currentBpId = "";
  6. // 第一次运行标志，默认当然应该为true
  7. boolean firstRun = true;
  8. // 如果所属数据节点DataNode实例datanode正常运行，且当前线程没有被中断
  9. while (datanode.shouldRun && !Thread.interrupted()) {
  10. //Sleep everytime except in the first iteration.
  11. // 如果不是第一次运行，线程休眠5s
  12. if (!firstRun) {
  13. try {
  14. Thread.sleep(SLEEP_PERIOD_MS);
  15. } catch (InterruptedException ex) {
  16. // Interrupt itself again to set the interrupt status
  17. // 如果发生InterruptedException异常，中断blockScannerThread线程，然后跳过，继续下一轮循环
  18. blockScannerThread.interrupt();
  19. continue;
  20. }
  21. } else {
  22. // 第一次运行时先将firstRun标志设置为false
  23. firstRun = false;
  24. }
  25. // 获取下一个块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner
  26. BlockPoolSliceScanner bpScanner = getNextBPScanner(currentBpId);
  27. // 如果bpScanner为null，跳过，继续下一轮循环
  28. if (bpScanner == null) {
  29. // Possible if thread is interrupted
  30. continue;
  31. }
  32. // 设置当前块池ID，即currentBpId，从块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner中获取
  33. currentBpId = bpScanner.getBlockPoolId();
  34. // If BPOfferService for this pool is not alive, don't process it
  35. // 如果当前块池对应的心跳服务BPOfferService不是活跃的，不对它进行处理，调用removeBlockPool()方法从blockPoolScannerMap中移除数据，
  36. // 并关闭对应BlockPoolSliceScanner，然后跳过，执行下一轮循环
  37. if (!datanode.isBPServiceAlive(currentBpId)) {
  38. LOG.warn("Block Pool " + currentBpId + " is not alive");
  39. // Remove in case BP service died abruptly without proper shutdown
  40. removeBlockPool(currentBpId);
  41. continue;
  42. }
  43. // 调用块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner的scanBlockPoolSlice()方法，
  44. // 扫描对应块池里的数据块，进行数据块校验
  45. bpScanner.scanBlockPoolSlice();
  46. }
  47. // Call shutdown for each allocated BlockPoolSliceScanner.
  48. // 退出循环后，遍历blockPoolScannerMap中的每个BlockPoolSliceScanner实例bpss，
  49. // 挨个调用对应shutdown()方法，停止块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner
  50. for (BlockPoolSliceScanner bpss: blockPoolScannerMap.values()) {
  51. bpss.shutdown();
  52. }
  53. }

run()方法逻辑比较清晰，大体如下：

1、首先初始化当前块池ID，即currentBpId，默认为空，再确定第一次运行标志firstRun，默认当然应该为true；

2、接下来进入一个while循环，循环的条件是如果所属数据节点DataNode实例datanode正常运行，且当前线程没有被中断：

2.1、处理第一次运行标志位firstRun：

2.1.1、如果不是第一次运行，线程休眠5s：即firstRun为false，这时如果发生InterruptedException异常，中断blockScannerThread线程，然后跳过，继续下一轮循环；

2.1.2、第一次运行时先将firstRun标志设置为false；

2.2、获取下一个块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner，通过调用getNextBPScanner()方法，传入当前块池ID，即currentBpId来实现，首次循环，currentBpId为空，后续会传入之前处理的值，下面会对其进行更新；

2.3、如果bpScanner为null，跳过，继续下一轮循环；

2.4、设置当前块池ID，即currentBpId，从块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner中获取；

2.5、如果当前块池对应的心跳服务BPOfferService不是活跃的，不对它进行处理，调用removeBlockPool()方法从blockPoolScannerMap中移除数据，并关闭对应BlockPoolSliceScanner，然后跳过，执行下一轮循环；

2.6、调用块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner的scanBlockPoolSlice()方法，扫描对应块池里的数据块，进行数据块校验；

3、退出循环后，遍历blockPoolScannerMap中的每个BlockPoolSliceScanner实例bpss，挨个调用对应shutdown()方法，停止块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner。

我们接下来看下比较重要的getNextBPScanner()方法，代码如下：

  1. /**
  2. * Find next block pool id to scan. There should be only one current
  3. * verification log file. Find which block pool contains the current
  4. * verification log file and that is used as the starting block pool id. If no
  5. * current files are found start with first block-pool in the blockPoolSet.
  6. * However, if more than one current files are found, the one with latest
  7. * modification time is used to find the next block pool id.
  8. * 寻找下一个块池ID以进行scan。
  9. * 此时应该只有一个当前验证日志文件。
  10. */
  11. private BlockPoolSliceScanner getNextBPScanner(String currentBpId) {
  12. String nextBpId = null;
  13. // 如果所属数据节点DataNode实例datanode正常运行，且当前blockScannerThread线程没有被中断
  14. while (datanode.shouldRun && !blockScannerThread.isInterrupted()) {
  15. // 等待初始化
  16. waitForInit();
  17. synchronized (this) {
  18. // 当blockPoolScannerMap大小大于0，即存在BlockPoolSliceScanner实例时，做以下处理：
  19. if (getBlockPoolSetSize() > 0) {
  20. // Find nextBpId by the minimum of the last scan time
  21. // lastScanTime用于记录上次浏览时间
  22. long lastScanTime = 0;
  23. // 遍历blockPoolScannerMap集合，取出每个块池ID，即bpid
  24. for (String bpid : blockPoolScannerMap.keySet()) {
  25. // 根据块池ID，即bpid，取出其对应BlockPoolSliceScanner实例的上次浏览时间t
  26. final long t = getBPScanner(bpid).getLastScanTime();
  27. // 如果t不为0，且如果块池ID为null，或者t小于lastScanTime，则将t赋值给lastScanTime，bpid赋值给nextBpId
  28. // 也就是计算最早的上次浏览时间lastScanTime，和对应块池ID，即nextBpId
  29. if (t != 0L) {
  30. if (bpid == null || t < lastScanTime) {
  31. lastScanTime =  t;
  32. nextBpId = bpid;
  33. }
  34. }
  35. }
  36. // nextBpId can still be null if no current log is found,
  37. // find nextBpId sequentially.
  38. // 如果对应块池ID，即nextBpId为null，则取比上次处理的块池currentBpId高的key作为nextBpId，
  39. // 如果还不能取出的话，那么取第一个块池ID，作为nextBpId
  40. if (nextBpId == null) {
  41. nextBpId = blockPoolScannerMap.higherKey(currentBpId);
  42. if (nextBpId == null) {
  43. nextBpId = blockPoolScannerMap.firstKey();
  44. }
  45. }
  46. // 如果nextBpId不为空，那么从blockPoolScannerMap中获取其对应BlockPoolSliceScanner实例返回
  47. if (nextBpId != null) {
  48. return getBPScanner(nextBpId);
  49. }
  50. }
  51. }
  52. // 记录warn日志，No block pool is up, going to wait，然后等待
  53. LOG.warn("No block pool is up, going to wait");
  54. try {
  55. // 线程休眠5s
  56. Thread.sleep(5000);
  57. } catch (InterruptedException ex) {
  58. LOG.warn("Received exception: " + ex);
  59. blockScannerThread.interrupt();
  60. return null;
  61. }
  62. }
  63. return null;
  64. }

它的主要作用就是寻找下一个块池ID以进行scan，其存在一个整体的while循环，循环的条件为如果所属数据节点DataNode实例datanode正常运行，且当前blockScannerThread线程没有被中断，循环内做以下处理：

1、调用waitForInit()方法等待初始化；

2、当前对象上使用synchronized进行同步，当blockPoolScannerMap大小大于0，即存在BlockPoolSliceScanner实例时，做以下处理：

2.1、设定lastScanTime用于记录上次浏览时间，默认值为0；

2.2、遍历blockPoolScannerMap集合，取出每个块池ID，即bpid，计算最早的上次浏览时间lastScanTime，和对应块池ID，即nextBpId：

2.2.1、根据块池ID，即bpid，取出其对应BlockPoolSliceScanner实例的上次浏览时间t；

2.2.2、如果t不为0，且如果块池ID为null，或者t小于lastScanTime，则将t赋值给lastScanTime，bpid赋值给nextBpId，也就是计算最早的上次浏览时间lastScanTime，和对应块池ID，即nextBpId；

2.3、如果对应块池ID，即nextBpId为null，则取比上次处理的块池currentBpId高的key作为nextBpId，如果还不能取出的话，那么取第一个块池ID，作为nextBpId；

2.4、如果nextBpId不为空，那么从blockPoolScannerMap中获取其对应BlockPoolSliceScanner实例返回；

3、如果blockPoolScannerMap大小等于0，或者上述2找不到的话，记录warn日志，No block pool is up, going to wait，然后等待5s后继续下一轮循环；

最后，实在找不到就返回null。

可见，getNextBPScanner()方法优先选取最早处理过的块池，找不到的话再按照之前处理过的块池ID增长的顺序，找下一个块池ID，按照块池ID大小顺序到尾部的话，再折回取第一个。

其中等待初始化的waitForInit()方法比较简单，代码如下：

  1. // Wait for at least one block pool to be up
  2. private void waitForInit() {
  3. // 如果BlockPoolSliceScanner的个数小于数据节点所有BpOS个数，或者BlockPoolSliceScanner的个数小于1，一直等待
  4. // BpOS你可以理解为DataNode上每个块池或命名空间对应的一个实例，它处理该命名空间到对应活跃或备份状态NameNode的心跳。
  5. while ((getBlockPoolSetSize() < datanode.getAllBpOs().length)
  6. || (getBlockPoolSetSize() < 1)) {
  7. try {
  8. // 线程休眠5s
  9. Thread.sleep(SLEEP_PERIOD_MS);
  10. } catch (InterruptedException e) {
  11. // 如果发生InterruptedException异常，中断blockScannerThread线程，然后返回
  12. blockScannerThread.interrupt();
  13. return;
  14. }
  15. }
  16. }

它本质上是等所有块池都被上报至blockPoolScannerMap集合后，才认为已完成初始化，然后再挑选块池ID，否则线程休眠5s，继续等待。代码注释比较详细，这里不再赘述！

获取到块池ID，并获取到其对应的块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner了，接下来就是调用bpScanner的scanBlockPoolSlice()方法，扫描该块池的数据块，并做数据块校验工作了。这方面的内容，请阅读《HDFS源码分析数据块校验之BlockPoolSliceScanner》一文，这里不再做介绍。

到了这里，各位看官可能有个疑问，选取块池所依赖的blockPoolScannerMap集合中的数据是哪里来的呢？答案就在处理数据节点心跳的BPServiceActor线程中，在完成数据块汇报、处理来自名字节点NameNode的相关命令等操作后，有如下代码被执行：

  1. // Now safe to start scanning the block pool.
  2. // If it has already been started, this is a no-op.
  3. // 现在可以安全地扫描块池，如果它已经启动，这是一个空操作。
  4. if (dn.blockScanner != null) {
  5. dn.blockScanner.addBlockPool(bpos.getBlockPoolId());
  6. }

很简单，数据节点汇报数据块给名字节点，并执行来自名字节点的相关命令后，就可以通过数据节点DataNode中成员变量blockScanner的addBlockPool()方法，添加块池，代码如下：

  1. public synchronized void addBlockPool(String blockPoolId) {
  2. // 如果blockPoolScannerMap集合中存在块池blockPoolId，直接返回
  3. if (blockPoolScannerMap.get(blockPoolId) != null) {
  4. return;
  5. }
  6. // 根据块池blockPoolId、数据节点datanode、存储dataset、配置信息conf等构造BlockPoolSliceScanner实例bpScanner
  7. BlockPoolSliceScanner bpScanner = new BlockPoolSliceScanner(blockPoolId,
  8. datanode, dataset, conf);
  9. // 将块池blockPoolId与bpScanner的映射关系存储到blockPoolScannerMap中
  10. blockPoolScannerMap.put(blockPoolId, bpScanner);
  11. // 记录日志信息
  12. LOG.info("Added bpid=" + blockPoolId + " to blockPoolScannerMap, new size="
  13. + blockPoolScannerMap.size());
  14. }

逻辑很简单，首先需要看看blockPoolScannerMap集合中是否存在块池blockPoolId，存在即返回，否则根据块池blockPoolId、数据节点datanode、存储dataset、配置信息conf等构造BlockPoolSliceScanner实例bpScanner，将块池blockPoolId与bpScanner的映射关系存储到blockPoolScannerMap中，最后记录日志信息。

我们在上面也提到了如果当前块池对应的心跳服务BPOfferService不是活跃的，那么会调用removeBlockPool()方法，移除对应的块池，代码如下：

  1. public synchronized void removeBlockPool(String blockPoolId) {
  2. / 根据块池blockPoolId，从blockPoolScannerMap中移除数据，并得到对应BlockPoolSliceScanner实例bpss
  3. BlockPoolSliceScanner bpss = blockPoolScannerMap.remove(blockPoolId);
  4. // 调用bpss的shutdown()方法，关闭bpss
  5. if (bpss != null) {
  6. bpss.shutdown();
  7. }
  8. // 记录日志信息
  9. LOG.info("Removed bpid="+blockPoolId+" from blockPoolScannerMap");
  10. }

代码很简单，不再赘述。

总结

DataBlockScanner是运行在数据节点DataNode上的一个后台线程，它负责管理所有块池的数据块扫描工作。当数据节点DataNode发送心跳给名字节点NameNode进行数据块汇报并执行完返回的命令时，会在DataBlockScanner的内部集合blockPoolScannerMap中注册块池ID与为此新创建的BlockPoolSliceScanner对象的关系，然后DataBlockScanner内部线程blockScannerThread周期性的挑选块池currentBpId，并获取块池切片扫描器BlockPoolSliceScanner实例bpScanner，继而调用其scanBlockPoolSlice()方法，扫描对应块池里的数据块，进行数据块校验。块池选择的主要依据就是优先选择扫描时间最早的，也就是自上次扫描以来最长时间没有进行扫描的，按照这一依据选择不成功的话，则默认按照块池ID递增的顺序循环选取块池。

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