读文件
读文件时内部工作机制参看下图：
客户端通过调用FileSystem对象（对应于HDFS文件系统，调用DistributedFileSystem对象）的open()方法来打开文件（也即图中的第一步），DistributedFileSystem通过RPC（Remote Procedure Call）调用询问NameNode来得到此文件最开始几个block的文件位置（第二步）。对每一个block来说，namenode返回拥有此block备份的所有namenode的地址信息（按集群的拓扑网络中与客户端距离的远近排序，关于在Hadoop集群中如何进行网络拓扑请看下面介绍）。如果客户端本身就是一个datanode（如客户端是一个mapreduce任务）并且此datanode本身就有所需文件block的话，客户端便从本地读取文件。
以上步骤完成后，DistributedFileSystem会返回一个FSDataInputStream（支持文件seek），客户端可以从FSDataInputStream中读取数据。FSDataInputStream包装了一个DFSInputSteam类，用来处理namenode和datanode的I/O操作。
客户端然后执行read()方法（第三步），DFSInputStream（已经存储了欲读取文件的开始几个block的位置信息）连接到第一个datanode（也即最近的datanode）来获取数据。通过重复调用read()方法（第四、第五步），文件内的数据就被流式的送到了客户端。当读到该block的末尾时，DFSInputStream就会关闭指向该block的流，转而找到下一个block的位置信息然后重复调用read()方法继续对该block的流式读取。这些过程对于用户来说都是透明的，在用户看来这就是不间断的流式读取整个文件。
当真个文件读取完毕时，客户端调用FSDataInputSteam中的close（）方法关闭文件输入流（第六步）。
如果在读某个block是DFSInputStream检测到错误，DFSInputSteam就会连接下一个datanode以获取此block的其他备份，同时他会记录下以前检测到的坏掉的datanode以免以后再无用的重复读取该datanode。DFSInputSteam也会检查从datanode读取来的数据的校验和，如果发现有数据损坏，它会把坏掉的block报告给namenode同时重新读取其他datanode上的其他block备份。
这种设计模式的一个好处是，文件读取是遍布这个集群的datanode的，namenode只是提供文件block的位置信息，这些信息所需的带宽是很少的，这样便有效的避免了单点瓶颈问题从而可以更大的扩充集群的规模。
写文件
现在我们来看一下Hadoop中的写文件机制解析，通过写文件机制我们可以更好的了解一下Hadoop中的一致性模型。
上图为我们展示了一个创建一个新文件并向其中写数据的例子。
首先客户端通过DistributedFileSystem上的create()方法指明一个欲创建的文件的文件名（第一步），DistributedFileSystem再通过RPC调用向NameNode申请创建一个新文件（第二步，这时该文件还没有分配相应的block）。namenode检查是否有同名文件存在以及用户是否有相应的创建权限，如果检查通过，namenode会为该文件创建一个新的记录，否则的话文件创建失败，客户端得到一个IOException异常。DistributedFileSystem返回一个FSDataOutputStream以供客户端写入数据，与FSDataInputStream类似，FSDataOutputStream封装了一个DFSOutputStream用于处理namenode与datanode之间的通信。
当客户端开始写数据时（第三步），DFSOutputStream把写入的数据分成包（packet）, 放入一个中间队列——数据队列（data queue）中去。DataStreamer从数据队列中取数据，同时向namenode申请一个新的block来存放它已经取得的数据。namenode选择一系列合适的datanode（个数由文件的replica数决定）构成一个管道线（pipeline），这里我们假设replica为3，所以管道线中就有三个datanode。DataSteamer把数据流式的写入到管道线中的第一个datanode中（第四步），第一个datanode再把接收到的数据转到第二个datanode中（第四步），以此类推。
DFSOutputStream同时也维护着另一个中间队列——确认队列（ack queue），确认队列中的包只有在得到管道线中所有的datanode的确认以后才会被移出确认队列（第五步）。
如果某个datanode在写数据的时候当掉了，下面这些对用户透明的步骤会被执行：
1）管道线关闭，所有确认队列上的数据会被挪到数据队列的首部重新发送，这样可以确保管道线中当掉的datanode下流的datanode不会因为当掉的datanode而丢失数据包。
2）在还在正常运行的datanode上的当前block上做一个标志，这样当当掉的datanode重新启动以后namenode就会知道该datanode上哪个block是刚才当机时残留下的局部损坏block，从而可以把它删掉。
3）已经当掉的datanode从管道线中被移除，未写完的block的其他数据继续被写入到其他两个还在正常运行的datanode中去，namenode知道这个block还处在under-replicated状态（也即备份数不足的状态）下，然后他会安排一个新的replica从而达到要求的备份数，后续的block写入方法同前面正常时候一样。
有可能管道线中的多个datanode当掉（虽然不太经常发生），但只要dfs.replication.min（默认为1）个replica被创建，我们就认为该创建成功了。剩余的replica会在以后异步创建以达到指定的replica数。
当客户端完成写数据后，它会调用close()方法（第六步）。这个操作会冲洗（flush）所有剩下的package到pipeline中，等待这些package确认成功，然后通知namenode写入文件成功（第七步）。这时候namenode就知道该文件由哪些block组成（因为DataStreamer向namenode请求分配新block，namenode当然会知道它分配过哪些blcok给给定文件），它会等待最少的replica数被创建，然后成功返回。
replica是如何分布的 Hadoop在创建新文件时是如何选择block的位置的呢，综合来说，要考虑以下因素：带宽（包括写带宽和读带宽）和数据安全性。如果我们把三个备份全部放在一个datanode上，虽然可以避免了写带宽的消耗，但几乎没有提供数据冗余带来的安全性，因为如果这个datanode当机，那么这个文件的所有数据就全部丢失了。另一个极端情况是，如果把三个冗余备份全部放在不同的机架，甚至数据中心里面，虽然这样数据会安全，但写数据会消耗很多的带宽。Hadoop 0.17.0给我们提供了一个默认replica分配策略（Hadoop 1.X以后允许replica策略是可插拔的，也就是你可以自己制定自己需要的replica分配策略）。replica的默认分配策略是把第一个备份放在与客户端相同的datanode上（如果客户端在集群外运行，就随机选取一个datanode来存放第一个replica），第二个replica放在与第一个replica不同机架的一个随机datanode上，第三个replica放在与第二个replica相同机架的随机datanode上。如果replica数大于三，则随后的replica在集群中随机存放，Hadoop会尽量避免过多的replica存放在同一个机架上。选取replica的放置位置后，管道线的网络拓扑结构如下所示：
总体来说，上述默认的replica分配策略给了我们很好的可用性（blocks放置在两个rack上，较为安全），写带宽优化（写数据只需要跨越一个rack），读带宽优化（你可以从两个机架中选择较近的一个读取）。 |
