Hadoop必看-HDFS格式化过程分析

问题导读:
1、如何跟踪HDFS格式化

private static boolean format(Configuration conf, 

   boolean isConfirmationNeeded, boolean isInteractive) throws IOException

在该方法中,首先调用FSNamesystem类的方法,获取到待格式化的name目录和edit目录:

Collection<File> editDirsToFormat = Collection<File> 

跟踪调用FSNamesystem类的方法,可以看到,实际上获取到的目录为:

  • name目录:是根据配置的dfs.name.dir属性,如果没有配置,默认使用目录/tmp/hadoop/dfs/name。
  • edit目录:是根据配置的dfs.name.edits.dir属性,如果没有配置,默认使用目录/tmp/hadoop/dfs/name。

在上面format方法中,创建对应的name目录和edit目录,对应如下代码行:

FSNamesystem nsys = new FSNamesystem(new FSImage(dirsToFormat, editDirsToFormat), conf);

实际上是调用FSImage对象的format方法格式化HDFS文件系统,调用代码如下所示:

nsys.dir.fsImage.format();

下面,对上面提到的关键操作进行详细说明:

FSImage对象初始化

从上面用到的FSImage的构造方法,我们可以看到,在创建Namenode的目录对象时,主要是按照name和edit目录分别进行处理的:对于name目录,对应的存储目录类型可能是IMAGE或者IMAGE_AND_EDITS,当配置的name目录和edit目录相同时,类型为IMAGE_AND_EDITS,不同时类型为IMAGE;对于edit目录,类型就是EDITS。

name和edit目录实际上就是FSImage对象所包含的内容,这个FSImage对象包含一个StorageDirectory对象列表,而FSImage继承自抽象类org.apache.hadoop.hdfs.server.common.Storage,在该抽象类中定义如下所示:

protected List<StorageDirectory> storageDirs = new ArrayList<StorageDirectory>();

这个列表中每个存储目录包含如下信息,如下Storage.StorageDirectory类图所示:

从类图中可以看到,主要包含如下三个信息:

  • root:配置的根目录路径
  • lock:一个FileLock文件锁对象,控制root下的写操作
  • dirType:表示StorageDirectory对象所使用目录的类型

一个dirType,它是Storage.StorageDirType类型的,Storage.StorageDirType是一个接口,定义如下所示:

public interface StorageDirType {

  public StorageDirType getStorageDirType();

  public boolean isOfType(StorageDirType type);

}

那么,对于Namenode节点的目录的Storage.StorageDirectory对象,它对应的dirType的定义,是实现了Storage.StorageDirType接口的枚举类,定义如下所示:FSImage.NameNodeDirType

static enum NameNodeDirType implements StorageDirType {
  UNDEFINED,
  IMAGE,
  EDITS,
  IMAGE_AND_EDITS;
  public StorageDirType getStorageDirType() {
    return this;
  }
  public boolean isOfType(StorageDirType type) {
    if ((this == IMAGE_AND_EDITS) && (type == IMAGE || type == EDITS))
      return true;
    return this == type;
  }
}

上述枚举类中定义的dirType恰好是前面我们提到的FSImage对象,所包含的实际Storage.StorageDirectory对象的类型,初始化FSImage对象时,就是确定了FSImage对象所包含的Storage.StorageDirectory对象列表及其它们的类型信息。

FSNamesystem对象初始化

FSNamesystem是个非常关键的类,它用来保存与Datanode相关的一些信息,如Block到Datanode的映射信息、StorageID到Datanode的映射信息等等。

前面调用的FSNamesystem的构造方法,如下所示:

FSNamesystem(FSImage fsImage, Configuration conf) throws IOException {
  setConfigurationParameters(conf);
  this.dir = new FSDirectory(fsImage, this, conf);
  dtSecretManager = createDelegationTokenSecretManager(conf);
}

初始化主要包括如下信息:

  • 方法setConfigurationParameters根据传递的conf对象来设置FSNamesystem使用的一些参数值;
  • 创建一个FSDirectory对象dir,该对象包含了一组用来维护Hadoop文件系统目录状态的操作,专门用来控制对目录的实际操作,如写操作、加载操作等,同时,它能够保持“文件->Block列表”的映射始终是最新的状态,并将变更记录到日志。
  • 创建了一个DelegationTokenSecretManager对象,用来管理HDFS的安全访问。

在FSNamesystem中,创建的FSDirectory对象dir,是整个HDFS文件系统的根目录。对应的FSDirectory dir内部有一个inode表示,它是带配额的INodeDirectoryWithQuota rootDir,详细可见下面分析。

FSDirectory对象初始化

FSDirectory对象是很关键的,该类内部定义了如下字段:

final FSNamesystem namesystem;
final INodeDirectoryWithQuota rootDir;
FSImage fsImage;
private boolean ready = false;
private final int lsLimit;  // max list limit
private final NameCache<ByteArray> nameCache;

其中,rootDir表示一个带有配额限制的inode对象。下面我们看一下FSDirectory的构造方法:

FSDirectory(FSImage fsImage, FSNamesystem ns, Configuration conf) {
  rootDir = new INodeDirectoryWithQuota(INodeDirectory.ROOT_NAME,
      ns.createFsOwnerPermissions(new FsPermission((short)0755)), Integer.MAX_VALUE, -1);
  this.fsImage = fsImage;
  fsImage.setRestoreRemovedDirs(conf.getBoolean(DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_NAME_DIR_RESTORE_KEY,
      DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_NAME_DIR_RESTORE_DEFAULT));
  fsImage.setEditsTolerationLength(conf.getInt(DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_EDITS_TOLERATION_LENGTH_KEY,
      DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_EDITS_TOLERATION_LENGTH_DEFAULT));
 
  namesystem = ns;
  int configuredLimit = conf.getInt(DFSConfigKeys.DFS_LIST_LIMIT, DFSConfigKeys.DFS_LIST_LIMIT_DEFAULT);
  this.lsLimit = configuredLimit>0 ?
      configuredLimit : DFSConfigKeys.DFS_LIST_LIMIT_DEFAULT;

  int threshold = conf.getInt(DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_NAME_CACHE_THRESHOLD_KEY,
      DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_NAME_CACHE_THRESHOLD_DEFAULT);
  NameNode.LOG.info("Caching file names occuring more than " + threshold + " times ");
  nameCache = new NameCache<ByteArray>(threshold);
}

这里创建了一个rootDir对象,如果我们调试跟踪该处代码,用户名为shirdrn,它的值可以表示如下:

"":shirdrn:supergroup:rwxr-xr-x

可见,对于FSNamesystem对象所维护的namespace中,inode对象包含目录名称、所属用户、所属用户组、操作权限信息。

上面构造方法中初始化了一个NameCache缓存对象,用来缓存经常用到的文件,这里提供了一个threshold值,默认为10。也就是如果当一个文件被访问的次数超过threshold指定的值,就会将该文件名称放进NameCache缓存中,实际上是该文件名称的字节码的ByteArray表示形式作为Key,它唯一表示了一个文件的inode节点。在NameCache内部,实际是将放到了其内部的HashMap集合中,Key是文件名称的ByteArray表示形式,Value封装了文件被访问的计数信息。

格式化HDFS

调用FSImage对象的format方法,该方法实现代码,如下所示:

public void format() throws IOException {
  this.layoutVersion = FSConstants.LAYOUT_VERSION;
  this.namespaceID = newNamespaceID();
  this.cTime = 0L;
  this.checkpointTime = FSNamesystem.now();
  for (Iterator<StorageDirectory> it = dirIterator(); it.hasNext();) {
    StorageDirectory sd = it.next();
    format(sd);
  }
}

根据上面代码逻辑,详细说明如下:

  • layoutVersion

layoutVersion定义了HDFS持久化数据结构的版本号,它的值是负值。当HDFS的持久化数据结构发生了变化,如增加了一些其他的操作或者字段信息,则版本号会在原来的基础上减1。Hadoop 1.2.1版本中,layoutVersion的值是-41,它与Hadoop的发行版本号是两回事,如果layoutVersion的值变化了(通过减1变化,实际layoutVersion的值更小了),则如果能够读取原来旧版本的数据,必须执行一个升级(Upgrade)过程。layoutVersion主要在fsimage和edit日志文件、数据存储文件中使用。

  • namespaceID

namespaceID唯一标识了HDFS,在格式化HDFS的时候指定了它的值。在HDFS集群启动以后,使用namespaceID来识别集群中的Datanode节点,也就是说,在HDFS集群启动的时候,各个Datanode会自动向Namenode注册获取到namespaceID的值,然后在该值存储在Datanode节点的VERSION文件中。

  • cTime

cTime表示Namenode存储对象(即FSImage对象)创建的时间,但是在初始化时它的值为0。如果由于layoutVersion发生变化触发了一次升级过程,则会更新该事件字段的值。

  • checkpointTime

checkpointTime用来控制检查点(Checkpoint)的执行,为了在集群中获取到同步的时间,使用通过调用FSNamesystem对象的的now方法来生成时间戳。Hadoop使用检查点技术来实现Namenode存储数据的可靠性,如果因为Namenode节点宕机而无法恢复数据,则整个集群将无法工作。

  • 格式化StorageDirectory对象

我们知道,每一个Storage对象都包含一个StorageDirectory列表,FSImage就是Namenode用来存储数据的对象的实现,上面代码中通过for循环分别格式化每一个StorageDirectory对象,对应的format方法代码,如下所示:

void format(StorageDirectory sd) throws IOException {
  sd.clearDirectory(); // create currrent dir
sd.lock();
try {
    saveCurrent(sd);
  } finally {
    sd.unlock();
  }
  LOG.info("Storage directory " + sd.getRoot() + " has been successfully formatted.");
}

上面调用sd.lock()会创建一个${dfs.name.dir}/in_use.lock锁文件,用来保证当前只有同一个进程能够执行格式化操作。格式化的关键逻辑,都在saveCurrent方法中,代码如下所示:

protected void saveCurrent(StorageDirectory sd) throws IOException {
  File curDir = sd.getCurrentDir();
  NameNodeDirType dirType = (NameNodeDirType)sd.getStorageDirType();
  // save new image or new edits
  if (!curDir.exists() && !curDir.mkdir())
    throw new IOException("Cannot create directory " + curDir);
  if (dirType.isOfType(NameNodeDirType.IMAGE))
    saveFSImage(getImageFile(sd, NameNodeFile.IMAGE));
  if (dirType.isOfType(NameNodeDirType.EDITS))
    editLog.createEditLogFile(getImageFile(sd, NameNodeFile.EDITS));
  // write version and time files
  sd.write();
}

每一个StorageDirectory对象代表一个存储目录的抽象,包含root、lock、和dirType三个属性,在格式化过程中,如果已经存在则要首先删除,然后创建对应的目录。该目录实际的绝对路径为:

${dfs.name.dir}/current/

指定了根目录,就要创建对应的文件,这里面会生成文件fsimage、edits两个重要的文件,我们分别详细说明这两个文件中保存的内容:

  • 初始化fsimage文件数据

对应代码行如下:

if (dirType.isOfType(NameNodeDirType.IMAGE))
  saveFSImage(getImageFile(sd, NameNodeFile.IMAGE));

如果StorageDirectory对象的dirType为IMAGE,则会在上面的current目录下创建一个文件:

${dfs.name.dir}/current/fsimage

可以通过saveFSImage方法看到,主要执行的操作,将数据存储到fsimage文件中,代码如下所示:

try {
  out.writeInt(FSConstants.LAYOUT_VERSION);
  out.writeInt(namespaceID);
  out.writeLong(fsDir.rootDir.numItemsInTree());
  out.writeLong(fsNamesys.getGenerationStamp());
  byte[] byteStore = new byte[4*FSConstants.MAX_PATH_LENGTH];
  ByteBuffer strbuf = ByteBuffer.wrap(byteStore);
  // save the root
  saveINode2Image(strbuf, fsDir.rootDir, out);
  // save the rest of the nodes
  saveImage(strbuf, 0, fsDir.rootDir, out);
  fsNamesys.saveFilesUnderConstruction(out);
  fsNamesys.saveSecretManagerState(out);
  strbuf = null;
} finally {
  out.close();
}

首先,保存了文件系统的一些基本信息,如下表所示:

序号

字段

类型

说明

1

layoutVersion

int

-47,Hadoop-1.2.1对应的layoutVersion=-41

2

namespaceID

int

标识HDFS的namespaceID

3

numItemsInTree

long

1,当前只有文件系统root目录,对应于nsCount的值(Namespace Count)

4

generationStamp

long

FSNamesystem文件系统生成的时间戳

其次,调用saveINode2Image方法中,保存了文件系统的root目录名称、长度,以及inode信息,如下表所示:

序号

字段

类型

说明

1

nameLen

short

0,文件系统的root目录名为””,长度为0

2

name

byte[]

文件系统的root目录名的字节数组,实际上一个空字节数组

3

replication

short

0

4

modificationTime

long

root目录inode修改时间

5

accessTime

long

0

6

preferredBlockSize

long

0

7

blocks

int

-1

8

nsQuota

long

2147483647,即Integer.MAX_VALUE

9

dsQuota

long

-1

10

username

String

用户名

11

groupname

String

用户组名

12

permission

short

493,可以跟踪代码计算得到

然后,调用saveImage方法,保存了从root目录开始的剩余其他目录节点的信息。saveImage方法是一个递归方法,它能够根据给定的root目录来保存该目录下所有目录或文件的信息。我们知道,到目前为止,只是创建一个文件系统的root目录,并没有对应的孩子inode节点,所以这一步实际上没有存储任何inode信息。

接着,fsNamesys.saveFilesUnderConstruction(out)保存root目录的租约信息(Lease),代码如下所示:

void saveFilesUnderConstruction(DataOutputStream out) throws IOException {
  synchronized (leaseManager) {
    out.writeInt(leaseManager.countPath()); // write the size
for (Lease lease : leaseManager.getSortedLeases()) {
      for(String path : lease.getPaths()) {
        // verify that path exists in namespace
        INode node = dir.getFileINode(path);
        if (node == null) {
          throw new IOException("saveLeases found path " + path + " but no matching entry in namespace.");
        }
        if (!node.isUnderConstruction()) {
          throw new IOException("saveLeases found path " + path + " but is not under construction.");
        }
        INodeFileUnderConstruction cons = (INodeFileUnderConstruction) node;
        FSImage.writeINodeUnderConstruction(out, cons, path);
      }
    }
  }
}

里,leaseManager.countPath()的值为0,此时还没有任何文件的租约信息,所以for循环没有执行,此处只是写入了一个0值,表示leaseManager对象所管理的path的数量为0,如下表所示:

序号

字段

类型

说明

1

countPath

int

0,leaseManager管理的path总数

原文链接: http://www.aboutyun.com/thread-7720-1-1.html


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