HDFS原理

HDFS（Hadoop Distributed File System）是一个分布式文件系统，是谷歌的GFS山寨版本。它具有高容错性并提供了高吞吐量的数据访问，非常适合大规模数据集上的应用，它提供了一个高度容错性和高吞吐量的海量数据存储解决方案。

l高吞吐量访问：HDFS的每个Block分布在不同的Rack上，在用户访问时，HDFS会计算使用最近和访问量最小的服务器给用户提供。由于Block在不同的Rack上都有备份，所以不再是单数据访问，所以速度和效率是非常快的。另外HDFS可以并行从服务器集群中读写，增加了文件读写的访问带宽。

l高容错性：系统故障是不可避免的，如何做到故障之后的数据恢复和容错处理是至关重要的。HDFS通过多方面保证数据的可靠性，多份复制并且分布到物理位置的不同服务器上，数据校验功能、后台的连续自检数据一致性功能都为高容错提供了可能。

l线性扩展：因为HDFS的Block信息存放到NameNode上，文件的Block分布到DataNode上，当扩充的时候仅仅添加DataNode数量，系统可以在不停止服务的情况下做扩充，不需要人工干预。



HDFS架构

如上图所示HDFS是Master和Slave的结构，分为NameNode、Secondary NameNode和DataNode三种角色。

lNameNode：在Hadoop1.X中只有一个Master节点，管理HDFS的名称空间和数据块映射信息、配置副本策略和处理客户端请求；

lSecondary NameNode：辅助NameNode，分担NameNode工作，定期合并fsimage和fsedits并推送给NameNode，紧急情况下可辅助恢复NameNode；

lDataNode：Slave节点，实际存储数据、执行数据块的读写并汇报存储信息给NameNode；


HDFS 读操作

1.     客户端通过调用FileSystem对象的open()方法来打开希望读取的文件，对于HDFS来说，这个对象时分布文件系统的一个实例；

2.     DistributedFileSystem通过使用RPC来调用NameNode以确定文件起始块的位置，同一Block按照重复数会返回多个位置，这些位置按照Hadoop集群拓扑结构排序，距离客户端近的排在前面；

3.     前两步会返回一个FSDataInputStream对象，该对象会被封装成DFSInputStream对象，DFSInputStream可以方便的管理datanode和namenode数据流，客户端对这个输入流调用read()方法；

4.     存储着文件起始块的DataNode地址的DFSInputStream随即连接距离最近的DataNode，通过对数据流反复调用read()方法，可以将数据从DataNode传输到客户端；

5.     到达块的末端时，DFSInputStream会关闭与该DataNode的连接，然后寻找下一个块的最佳DataNode，这些操作对客户端来说是透明的，客户端的角度看来只是读一个持续不断的流；

6.     一旦客户端完成读取，就对FSDataInputStream调用close()方法关闭文件读取。



HDFS写操作

 

1.     客户端通过调用DistributedFileSystem的create()方法创建新文件；

2.     DistributedFileSystem通过RPC调用NameNode去创建一个没有Blocks关联的新文件，创建前NameNode会做各种校验，比如文件是否存在、客户端有无权限去创建等。如果校验通过，NameNode会为创建新文件记录一条记录，否则就会抛出IO异常；

3.     前两步结束后会返回FSDataOutputStream的对象，和读文件的时候相似，FSDataOutputStream被封装成DFSOutputStream，DFSOutputStream可以协调NameNode和Datanode。客户端开始写数据到DFSOutputStream，DFSOutputStream会把数据切成一个个小的数据包，并写入内部队列称为“数据队列”(Data Queue)；

4.     DataStreamer会去处理接受Data Queue，它先问询NameNode这个新的Block最适合存储的在哪几个DataNode里，比如重复数是3，那么就找到3个最适合的DataNode，把他们排成一个pipeline.DataStreamer把Packet按队列输出到管道的第一个Datanode中，第一个DataNode又把Packet输出到第二个DataNode中，以此类推；

5.     DFSOutputStream还有一个对列叫Ack Quene，也是有Packet组成，等待DataNode的收到响应，当Pipeline中的所有DataNode都表示已经收到的时候，这时Akc Quene才会把对应的Packet包移除掉；

6.     客户端完成写数据后调用close()方法关闭写入流；

7.     DataStreamer把剩余的包都刷到Pipeline里然后等待Ack信息，收到最后一个Ack后，通知NameNode把文件标示为已完成。