HDFS之DataNode工作原理超全总结_datanode删除数据机制

启动流程

1. 检查配置项${dfs.data.dir}对应的存储目录是否创建，是否具有读写的权限检查；
2. 获取本节点的主机名称和NameNode的地址，以及其他一些运行时需要的配置项；
3. 构造向NameNode注册需要的DataNodeRegistration对象，并在接下来进行一些属性的初始化；
4. 建立到NameNode的IPC连接，并调用handshake()方法与NameNode进行握手，得到了NamespaceInfo对象，包含了layoutVersion、namespaceID、cTime等信息；
5. 构造数据节点存储DataStorage对象，执行可能的存储空间状态恢复，接着构造数据节点使用的FSDataset对象；
6. 创建流式接口服务器DataXceiverServer对象；
7. 创建数据块扫描器DataBlockScanner对象；
8. 创建数据节点上的HTTP信息服务器，该服务器提供了数据节点上的运行状态信息；
9. 创建该数据节点IPC服务器，对外提供ClientDatanodeProtocol和InterDatanodeProtocol远程接口服务；
10. 最后，调用NameNode的远程接口register()进行注册，并启动DataNode线程开始对外提供服务。

存储目录的文件结构以及特点

1. blocksBeingWritten：保存了客户端发起的，当前正在写的数据块；

2. detach：用于配合数据节点升级，==数据块分离==操作时的临时文件夹；

3. tmp：保存了用于数据块复制时，当前正在写的数据块；

4. in_user.lock：表示当前目录已经被使用，实现了一种锁机制，这样DataNode可以独自使用该目录；

5. current：保存了已写入HDFS文件系统的数据块和一些系统工作时需要的文件；

   • blk_开头的文件：HDFS数据块，用来保存HDFS文件内容；
   • .meta后缀文件：CRC32校验文件，保存数据块的校验信息；

   当current目录达到一定规模时（由配置项${dfs.datanode.numblocks}指定），DataNode会在current目录下新创建一个子目录subdir*，用于保存新的数据块和元数据。

   默认配置下，current目录下最多只有64个数据块（128个文件）和64个子目录。通过这种手段，DataNode既保证目录不会太深，影响文件检索性能，同时也避免了某个目录保存大量的数据块。

对存储目录的管理

数据节点的业务逻辑主要由文件结构对象提供的服务进行管理，数据节点的文件结构管理包括两部分内容：数据节点存储DataStorage和文件系统数据集FSDataSet。

DataStorage

数据节点存储DataStorage是抽象类Storage的子类，而抽象类Storage又继承自StorageInfo。和DataStorage同级的FSImage类主要用于组织NameNode的磁盘数据，FSImage的子类CheckpointStorage，则管理SecondaryNameNode使用的文件结构。

StorageInfo包含了三个重要的共有的属性，包括HDFS存储系统信息结构版本号layoutVersion、存储系统标识namespaceID和存储系统创建时间cTime。这些信息都保存在current目录下的VERSION文件中，典型的VERSION文件内容为：

namespaceID=1301932004
storageID=DS-1056522850-172.31.207.102-50010-1498861743747
cTime=0
storageType=DATA_NODE
layoutVersion=-32
1
2
3
4
5

在StorageInfo的基础上，抽象类Storage可以管理多个目录，存储目录的实现类为StorageDirectory，它是Storage的内部类，提供了在存储目录上的一些通用操作。

DataStorage扩展了Storage，专注于数据节点存储空间的生命周期管理，其代码可以分为两个部分：升级相关和升级无关的。在数据节点第一次启动时，会调用DataStorage.format()创建存储目录结构，通过删除原有目录及数据，并重新创建目录，然后将VERSION文件的属性赋值，并持久化到磁盘中。

DataStorage的升级操作

HDFS升级时需要复制以前版本的元数据（对NameNode）和数据（对DataNode）。在DataNode上，升级并不需要两倍的集群存储空间，DataNode使用了Linux文件系统的硬链接技术，可以保留对同一个数据块的两个引用，即当前版本和以前版本。通过这样的技术，就可以在需要的时候，轻松回滚到以前版本的文件系统。

硬链接是一种特殊的文件系统机制，它允许一个文件可以有多个名称。当一个文件有多个名称时，删除其中的一个名称，并不会删除文件数据，只有所有的文件名被删除后，文件系统才会真正删除文件数据。

好比在Java中，一个对象的多个引用。将其中一个引用置为null，垃圾收集器并不会去回收该对象，只有所有对该对象的引用都断开时，该对象才会被垃圾回收器回收。

1. 升级操作

   HDFS升级最多保留前一版本的文件系统，没有多版本的升级、回滚机制。同时引入升级提交机制，该机制用于删除以前的版本，所以在升级提交后，就不能回滚到以前版本了。综上所述，DataNode和NameNode升级过程采用了下图的状态机：

   

   数据节点的升级主要由DataStorage.doUpgrade()方法实现，其中升级过程主要涉及如下几个目录：

   • curDir：当前版本目录，通过StorageDirectory.getCurrentDir()获得，目录名为current；
   • prevDir：上一版本目录，目录名为previous；
   • tmpDir：上一版本的临时目录，目录名为${dfs.data.dir}/previous.tmp；

   DataStorage.doUpgrade()升级流程如下：

   • 确保上述涉及的目录处于正常状态：current存在、previous存在则删除、previous.tmp存在则抛出异常；
   • 将current目录改名为previous.tmp；
   • 使用HardLink，在新创建的current目录下，建立到previous.tmp目录中数据块和数据块校验文件的硬链接；
   • 在新的current目录下，创建新版本的VERSION文件。
   • 最后，将previous.tmp目录改名为previous目录，完成升级。

   这时，DataNode上存储着previous和current两个目录，而他们包含了同样的数据块和数据块校验文件，但他们有各自的VERSION文件。

2. 升级回滚

   • 检查previous目录是否存在，如果不存在，则无法回滚；
   • 检查previous目录下的VERSION文件中的layoutVersion和cTime，如果preLayoutVersion小于当前系统的HDFS存储系统信息结构版本号或者preCTime小于当期存储系统的创建时间cTime，则无法进行回滚。
   • 将current目录重命名为removed.tmp；
   • 将previous目录重命名为current；
   • 删除removed.tmp目录；

3. 升级提交

   • 将previous重命名为finalized.tmp；
   • 启动一个线程删除finalized.tmp；

升级过程中临时文件的用途

因为升级、升级提交或升级回滚都需要进行一定的耗时操作。在系统升级过程中，doUpgrade()需要建立数据块文件的硬链接，在这一过程中，如果突然出现故障，那么存储空间就有可能处于某一中间状态。因此，引入上述的目录，系统就能够判断目前doUpgrade()处于什么阶段，并采取相应的措施。

数据节点Storage状态机

Storage和DataStorage提供了一个完美的HDFS数据节点升级机制，Storage状态机、以及配合状态机工作的临时文件，提供了一个完备的升级方法。在升级过程中或者升级回滚过程中的任意步骤出现错误，都可以通过状态机恢复到正常状态。

FSDataset

1. FSDatasetInterface接口

   FSDatasetInterface接口的方法主要分为三类：

   • 数据块相关的方法：FSDataset管理了DataNode上的数据块，大量的FSDataset方法和数据块相关，如创建数据块、打开数据块的输入、输出流、提交数据块等；
   • 数据块校验信息文件相关的方法：包括维护数据块和校验信息文件的关系，如校验信息文件输入流等方法。
   • 其他方法：包括FSDataset健康检查、关闭FSDataset的shutDown()等方法。

2. FSDir、FSVolume和FSVolumeSet

   FSDataset借鉴了LVM的一些概念，可以管理多个数据目录，文件数据集将它管理的存储空间分为三个级别，分别用FSDir