HDFS中的数据块(Block)

我们在分布式存储原理总结中了解了分布式存储的三大特点：

  1. 数据分块，分布式的存储在多台机器上
  2. 数据块冗余存储在多台机器以提高数据块的高可用性
  3. 遵从主/从(master/slave)结构的分布式存储集群

HDFS作为分布式存储的实现，肯定也具有上面3个特点。

HDFS分布式存储：

在HDFS中，数据块默认的大小是128M，当我们往HDFS上上传一个300多M的文件的时候，那么这个文件会被分成3个数据块： 

 

 所有的数据块是分布式的存储在所有的DataNode上：

 

 

 为了提高每一个数据块的高可用性，在HDFS中每一个数据块默认备份存储3份，在这里我们看到的只有1份，是因为我们在hdfs-site.xml中配置了如下的配置：

 <property>
            <name>dfs.replication</name> 
            <value>1</value>
            <description>表示数据块的备份数量，不能大于DataNode的数量，默认值是3</description>
        </property>

　　我们也可以通过如下的命令，将文件/user/hadoop-twq/cmd/big_file.txt的所有的数据块都备份存储3份：

hadoop fs -setrep 3 /user/hadoop-twq/cmd/big_file.txt

　　

我们可以从如下可以看出：每一个数据块都冗余存储了3个备份

 

在这里，可能会问这里为什么看到的是2个备份呢？这个是因为我们的集群只有2个DataNode，所以最多只有2个备份，即使你设置成3个备份也没用，所以我们设置的备份数一般都是比集群的DataNode的个数相等或者要少

一定要注意：当我们上传362.4MB的数据到HDFS上后，如果数据块的备份数是3个话，那么在HDFS上真正存储的数据量大小是：362.4MB * 3 = 1087.2MB

注意：我们上面是通过HDFS的WEB UI来查看HDFS文件的数据块的信息，除了这种方式查看数据块的信息，我们还可以通过命令fsck来查看

数据块的实现

在HDFS的实现中，数据块被抽象成类org.apache.hadoop.hdfs.protocol.Block(我们以下简称Block)。在Block类中有如下几个属性字段：

public class Block implements Writable, Comparable<Block> {
    private long blockId; // 标识一个Block的唯一Id
    private long numBytes; // Block的大小(单位是字节)
    private long generationStamp; // Block的生成时间戳
}

　　我们从WEB UI上的数据块信息也可以看到：

 一个Block除了存储上面的3个字段信息，还需要知道这个Block含有多少个备份，每一个备份分别存储在哪一个DataNode上，为了存储这些信息，HDFS中有一个名为org.apache.hadoop.hdfs.server.blockmanagement.BlockInfoContiguous(下面我们简称为BlockInfo)的类来存储这些信息，这个BlockInfo类继承Block类，如下：

BlockInfo类中只有一个非常核心的属性，就是名为triplets的数组，这个数组的长度是3*replication，replication表示数据块的备份数。这个数组中存储了该数据块所有的备份数据块对应的DataNode信息，我们现在假设备份数是3，那么这个数组的长度是3*3=9，这个数组存储的数据如下： 

也就是说，triplets包含的信息：

  • triplets[i]：Block所在的DataNode；
  • triplets[i+1]：该DataNode上前一个Block；
  • triplets[i+2]：该DataNode上后一个Block；

其中i表示的是Block的第i个副本，i取值[0,replication)。

我们在HDFS的NameNode中的Namespace管理中讲到了，一个HDFS文件包含一个BlockInfo数组，表示这个文件分成的若干个数据块，这个BlockInfo数组实际上就是我们这里说的BlockInfoContiguous数组。以下是INodeFile的属性：

public class INodeFile {
    private long header = 0L; // 用于标识存储策略ID、副本数和数据块大小的信息
    private BlockInfoContiguous[] blocks; // 该文件包含的数据块数组
}

　　

那么，到现在为止，我们了解到了这些信息：文件包含了哪些Block，这些Block分别被实际存储在哪些DataNode上，DataNode上所有Block前后链表关系。

如果从信息完整度来看，以上信息数据足够支持所有关于HDFS文件系统的正常操作，但还存在一个使用场景较多的问题：怎样通过blockId快速定位BlockInfo？

我们其实可以在NameNode上用一个HashMap来维护blockId到Block的映射，也就是说我们可以使用HashMap<Block, BlockInfo>来维护，这样的话我们就可以快速的根据blockId定位BlockInfo，但是由于在内存使用、碰撞冲突解决和性能等方面存在问题，Hadoop团队之后使用重新实现的LightWeightGSet代替HashMap，该数据结构本质上也是利用链表解决碰撞冲突的HashTable，但是在易用性、内存占用和性能等方面表现更好。

HDFS为了解决通过blockId快速定位BlockInfo的问题，所以引入了BlocksMap，BlocksMap底层通过LightWeightGSet实现。

在HDFS集群启动过程，DataNode会进行BR（BlockReport，其实就是将DataNode自身存储的数据块上报给NameNode），根据BR的每一个Block计算其HashCode，之后将对应的BlockInfo插入到相应位置逐渐构建起来巨大的BlocksMap。前面在INodeFile里也提到的BlockInfo集合，如果我们将BlocksMap里的BlockInfo与所有INodeFile里的BlockInfo分别收集起来，可以发现两个集合完全相同，事实上BlocksMap里所有的BlockInfo就是INodeFile中对应BlockInfo的引用；通过Block查找对应BlockInfo时，也是先对Block计算HashCode，根据结果快速定位到对应的BlockInfo信息。至此涉及到HDFS文件系统本身元数据的问题基本上已经解决了。

 

BlocksMap内存估算

HDFS将文件按照一定的大小切成多个Block，为了保证数据可靠性，每个Block对应多个副本，存储在不同DataNode上。NameNode除需要维护Block本身的信息外，还需要维护从Block到DataNode列表的对应关系，用于描述每一个Block副本实际存储的物理位置，BlocksMap结构即用于Block到DataNode列表的映射关系，BlocksMap是常驻在内存中，而且占用内存非常大，所以对BlocksMap进行内存的估算是非常有必要的。我们先看下BlocksMap的内部结构：

以下的内存估算是在64位操作系统上且没有开启指针压缩功能场景下

    以下的内存估算是在64位操作系统上且没有开启指针压缩功能场景下

class BlocksMap {
    private final int capacity; // 占 4 字节
    // 我们使用GSet的实现者：LightWeightGSet
    private GSet<Block, BlockInfoContiguous> blocks;  // 引用类型占8字节
}

　　

可以得出BlocksMap的直接内存大小是对象头16字节 + 4字节 + 8字节 = 28字节

Block的结构如下：

public class Block implements Writable, Comparable<Block> {
    private long blockId; // 标识一个Block的唯一Id     占 8字节
    private long numBytes; // Block的大小(单位是字节)   占 8字节
    private long generationStamp; // Block的生成时间戳   占 8字节
}

　　

可以得出Block的直接内存大小是对象头16字节 + 8字节 + 8字节 + 8字节 = 40字节

BlockInfoContiguous的结构如下：

public class BlockInfoContiguous extends Block {
    private BlockCollection bc;   // 引用类型占8字节
    private LightWeightGSet.LinkedElement nextLinkedElement;  // 引用类型占8字节
    private Object[] triplets;  // 引用类型 8字节 + 数组对象头24字节 + 3*3(备份数假设为3)*8 = 104字节
}

　　

可以得出BlockInfoContiguous的直接内存大小是对象头16字节 + 8字节 + 8字节 + 104字节 = 136字节

LightWeightGSet的结构如下：

public class LightWeightGSet<K, E extends K> implements GSet<K, E> {
    private final LinkedElement[] entries; // 引用类型 8字节 + 数组对象头24字节 = 32字节
    private final int hash_mask; // 4字节
    private int size = 0; // 4字节
    private int modification = 0; // 4字节
}

　　LightWeightGSet本质是一个链式解决冲突的哈希表，为了避免rehash过程带来的性能开销，初始化时，LightWeightGSet的索引空间直接给到了整个JVM可用内存的2%，并且不再变化。 所以LightWeightGSet的直接内存大小为：对象头16字节 + 32字节 + 4字节 + 4字节 + 4字节 + (2%*JVM可用内存) = 60字节 + (2%*JVM可用内存)

假设集群中共1亿Block，NameNode可用内存空间固定大小128GB，则BlocksMap占用内存情况：

BlocksMap直接内存大小 + (Block直接内存大小 + BlockInfoContiguous直接内存大小) * 100M + LightWeightGSet直接内存大小
即：
28字节 + (40字节 + 136字节) * 100M + 60字节 + (2%*128G) = 19.7475GB

　　

上面为什么是乘以100M呢？ 因为100M = 100 * 1024 * 1024 bytes = 104857600 bytes，约等于1亿字节，而上面的内存的单位都是字节的，我们乘以100M，就相当于1亿Block

BlocksMap数据在NameNode整个生命周期内常驻内存，随着数据规模的增加，对应Block数会随之增多，BlocksMap所占用的JVM堆内存空间也会基本保持线性同步增加。

 

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