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。