你也能看懂Hadoop——Hbase（2）

上一期我们了解了Hbase是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式数据库，并且对比了它与传统关系数据库的区别。本期我们来看看Hbase 背后的原理，了解它是如何实现高效I/O的。

Hbase的存储结构

Hbase的存储结构基于Hadoop的HDFS存储，所以Hbase的存储具备HDFS的特性。Hbase的存储结构如下图所示，我们来一一解读图中的关键角色。

Client

Hbase的客户端Client使用远程过程调用(RPC)与HMaster和HRegionServer进行通信，如果接受到用户管理类请求，则Hbase Client与HMaster进行通信，如果接受到用户数据读写类请求，则Hbase Client与HRegionSever进行通信。

Zookeepe

Zookeeper保存了root表的地址以及HMaster的地址等元信息。HRegionServer也会将自己注册到Zookeeper中，使得HMaster可以随时感知到各个HRegionServer的健康状态。此外，Zookeeper也保证了集群中总有一个Master在运行。

HMaster

HMaster和HRegionServer依然遵从简单的主从关系，其体系结构图如下所示：

HMaster服务器负责管理所有的HRegion服务器和Table表，其本身不存储数据。HMaster主要实现的功能包括：

管理用户对Table的增删改查操作。

管理HRegionServer的负载均衡，调整HRegion的分布。

在Region 拆分以后，负责新Region的分配。

当HRegionServer停机以后，负责Region的迁移。

HRegionServer

HRegionServer主要负责响应用户I/O需求，向HDFS文件系统中读写数据，是Hbase最核心的模块。原理如下图所示：

HRegionServer包含两大部分：HRegion部分和HLog部分，HRegion部分由很多个HRegion组成，每一个HRegion又由很多个Store组成，每一个Store存储的实际上是一个列族（ColumnFamily）下的数据。在此的ColumnFamily与上一期介绍的Table中的ColumnFamily对应，由此可以看出ColumnFamily是一个集中的存储单元，因此具有相同I/O特性的列应尽量设计在一个ColumnFamily中，这样最高效。

Store存储是HBase存储的核心，它由两部分组成：一部分是MemStore，一部分是StoreFile。用户写入的数据首先会放入MemStore，当MemStore写满了以后会将其变成一个StoreFile。由于MemStore运行在内存中，所以用户只要完成数据写入内存就可以立即返回，保证了Hbase I/O高性能。当StoreFile文件数量增长到一定的阈值时会触发合并操作，将多个StoreFile合并成一个StoreFile，合并的过程中会将冗余的数据进行删除或合并的操作。StoreFile在完成合并操作以后，会逐步形成越来越大的StoreFile，当单个StoreFile大小超过一定阈值后会触发拆分操作，同时把当前的StoreFile拆分成2个子文件，并分别分配到相应的HRegionServer上，这么做的目的是避免StoreFile文件过大导致单个Region压力较大，起到压力分担的效果。

HLog用来存储数据日志，其采用的是先写日志的方式，即数据在写入MemStore之前，会先写一份数据到HLog文件之中。HLog文件会定期滚动保存新的数据，删除已经存入StoreFile的数据。这么做的原因在于当HRegionServer出现意外终止时，MemStore仍在内存中运行，保存在其中的数据将会丢失。此时HMaster首先会处理遗留的HLog文件，将不同Region的Log数据进行拆分，分别放到相应的Region之下，再将失效的Region重新分配。领取这些Region的HRegionServer在Load Region的过程中，会发现有历史的HLog需要处理，因此会重新加载HLog中的数据到MemStore中，然后保存到StoreFile，以此完成数据恢复。

Hbase的存储格式

Hbase中的所有数据文件都存储在Hadoop HDFS文件系统上，主要包括HFile和HLogFile两种文件格式。

HFile存储格式

HFile是一种二进制格式文件，用于存储Hbase里的Key-Value数据。实际上StoreFile就是对HFile做了轻量级包装整合，即StoreFile底层就是HFile。

HFile主要分为六个部分：

1) Data Block：保存表中的数据。

2) Meta Block：保存用户自定义的Key-Value键值对。

3) File Info：保存HFile的元信息。

4) Data Block Index：Data Block的索引，每条索引的key是被索引的Block的第一条记录的key。

5) Meta Block Index：Meta Block的索引。

6) Trailer：保存了每一段的偏移量。

其中，Data Block和Meta Block通常采用压缩方式存储，这样能大大减少磁盘I/O，但是会增加CPU压缩和解压缩的开销。

HLogFile存储格式

HLogFile的存储格式是WAL（Write Ahead Log），记录了数据的所有变更，一旦数据修改，就可以从Log中进行恢复。每个RegionServer维护一个HLog，这样不同Region的日志会混在一起，目的是不断的追加单个文件，同时写多个文件时可以减少磁盘寻址次数，提高I/O能力。但这样做也有缺陷，如果RegionServer下线，为了恢复其上的数据时，需要对RegionServer上的Log进行拆分，然后分发到其他Region上进行恢复。

HLogFile从物理意义上看是一个普通的Hadoop Sequence File。Sequence File 的Key是HLogKey对象，记录了写入数据的归属信息。HlogSequeceFile 的Value 是HBase的KeyValue对象，即对应HFile中的KeyValue。HLogFile的存储格式如下图所示：

文章转载自：华星智能制造规划处

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