HDFS——写文件流程

上篇文章讲了数据传输的格式，本文就来说说hdfs中写文件的流程。

hdfs客户端写文件的流程，大体可以分为两个步骤：第一步是创建或打开文件，第二步是进行block的写操作。

block的写操作具体又包括向NN请求添加一个新的block，然后根据NN的返回结果，与对应的DN建立连接，并进行数据的发送。

当一个block写完时，再次向NN请求添加新的block，同样根据返回结果与对应的DN建立连接并发送数据，之后不断重复这个过程，直到文件内容全部写完。

下图以创建文件为例，展开描述详细流程：

1. 向NN发送创建文件请求

   首先，客户端向NN发送创建文件的请求，在请求中指明文件的位置，文件的权限，文件的block副本数，block大小等。

   NN收到请求后，进行有效性检查，以及相应的鉴权动作，然后将操作写入editlog，最后给客户端应答。

2. 向NN发送添加block请求

   文件创建成功后，对于业务层的代码来说就是直接进行write写数据了，但在客户端的底层实现中，会先向NN发送一个新增block的请求。

   NN收到请求后，主要执行一系列的分配算法（涉及就近分配，按存储策略分配，按机架感知策略分配，DN的数据均衡等因素，这里不展开说明），按照block所属文件的副本数，为block分配一组DN，并将结果返回给客户端。

3. 向DN建立连接并发送写block请求

   客户端从新增block的请求结果中拿到DN节点列表后，向列表的第一个DN建立tcp连接，并发送block写操作请求（OpWriteBlock）。在请求中，包含了block的checksum信息，DN列表，block描述等信息。

   DN感知有新的tcp连接建立后，会创建线程（DataXceiver）用于接收连接上的数据。当接收到客户端block写操作请求后，从请求中拿到DN列表，并向列表中的第二个DN建立tcp连接，同时转发block写操作请求（请求中的DN列表剔除本节点），后续的DN接收到新连接后，进行同样的操作，直到DN列表中的最后一个节点。

   当DN发现接收到的block写操作请求中DN列表为空时，会标记本节点为最后一个节点。此时，该节点不需要再下下游DN节点转发请求，从而创建用于发送packet数据包请求响应的packet responder线程，然后向上游DN节点回复block写操作请求的ack响应。

   上游的DN收到block写操作请求的响应后，继续向该节点的上游DN节点转发请求响应，同样，内部也会创建用于发送packet数据包请求响应的packet responder线程。

   这样，DN与DN之间形成一个流水线，后续的packet包数据会在DN之间依次传递。

   这里一点需要注意：对于一个block的写操作，DN内部实际上是创建了两个线程，这两个线程属于同一个线程组。线程组中的线程总数是可配置的，当线程数到达配置的上限后，不会再创建新的线程，此时与该节点数据传输的tcp连接是无法成功建立的。

4. packet数据的发送

   当客户端接收到block写操作请求的应答后，意味着所有的DN均已准备就绪。此后，客户端按packet格式组织数据，并依次发送给DN。

   DN接收到一个完整packet后，先转发给下游DN，然后将packet中的数据按chunk大小进行checksum校验，校验无误后将packet中的数据写入本地文件，最后通过内部的队列向packet responder线程发送该packet的ack应答。

   packet responder线程从队列中取出packet的应答消息后，阻塞等待下游DN的packet的应答消息，当接收到下游DN的packet应答消息后，才真正向客户端回复packet的应答消息。

   由此可见，只要客户端收到了packet的应答消息，就意味着该packet一定是在所有副本节点上都成功接收了，这样可以保证数据的一致性。

5. 结束block

   当客户端发送的数据达到block的大小时，客户端底层实现会自动结束该block。

   具体是向NN请求更新block的信息，NN收到请求后，会检查该block的状态，为该block更新时间戳，最后将操作记录写入editlog，并给客户端应答。

   客户端收到应答后，继续向NN发送complete请求，到此，一个block的写流程全部结束。

6. 重复步骤2-5写新的block直到文件写完

   如果此时，文件内容还没有写完，客户端会继续重复步骤2到5，继续一个新的block写流程，直到文件写完。

   注意：这里没有文件的关闭动作，当一个block写完，不再申请新的block，逻辑上就意味着该文件已经完成写流程。

总的流程捋清楚了后，我们来推敲一些细节。

• packet是同步发送还是异步发送？

从上面的流程描述，并不能直观的说明客户端packet发送是采用同步还是异步方式。

也就是说客户端发送完一个packet后，是否必须等接收到该packet的应答包后才发送下一个packet？

答案显然是否定的，因为这样会极大的降低吞吐量，客户端发送完一个packet后，不需要等待DN的应答，就可以继续发送下一个packet。packet发送后，将该packet放到等待应答的队列中，等待DN的应答。

注：每个packet都会有对应的应答包。并且由于每个packet都有各自的包序号，packet的发送也是按序号递增的，因此如果接收到的应答包不是按递增序号来的，客户端通常会报错。

• 客户端侧的packet缓存问题

虽然客户端可以不用等DN的应答就可以继续发送packet，但由于发送的包没有被确认，因此，客户端通常都会在内部将这些packet进行缓存，以便异常时可以告知上层哪些packet被应答了，哪些没有被应答，方便业务进行重试。

那么问题来了，这个缓存大小是多少呢？缓存满了又会这样呢？

这个问题，对于不同的客户端实现有不同的处理。

例如原生java客户端内部，将待发送的packet会放到一个队列中，发送线程从队列中取出packet进行发送，发送成功后将packet放到待确认队列中。另外一个线程接收DN的响应后，从待确认队列中将packet取出并删除。

两个队列的长度累计达到一定数量后，write操作将被阻塞。

而对于go客户端，逻辑上大同小异，以发送的packet写入管道，管道的最大长度为5，即当有5个packet未被DN确认时，成功发送的packet写管道将被阻塞，进而阻塞业务的write接口。

• packet包何时刷到磁盘中

DN接收到完整的packet包后，先转发到下游DN，然后写入本地文件。这个写文件本质上只是写到了文件系统的缓存中，并没有执行sync/flush将数据刷到磁盘上。

那么什么时候，会将数据刷到磁盘中呢？

DN默认的策略是依赖操作系统自身的机制，而不去主动触发调用进行刷盘的动作。这么做的原因是刷盘耗时相对比较长，从而会影响性能，而数据通常都是有3副本的，即便是该节点突然出现了断电，数据在其他节点上还有副本。

因此，综合性能和数据可靠性的考虑，完全依赖操作系统自身的机制还是可以保证数据不会丢失的。

当然，我们可以通过配置项dfs.datanode.synconclose设置为true，这样，当DN接收到block的最后一个packet后，会触发进行一次刷盘的动作。

除此之外，客户端在打开文件时，也可以设置SYNC_BLOCK标识，可以达到同样的效果。

【总结】

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本文先讲述了hdfs的写文件流程，以及流程中的一些细节。当然，整个写流程中，可挖掘的细节还有很多，这里不逐一展开说明，后续如有遇到问题，再进行对应的总结说明。

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