大数据技术之Hadoop（HDFS）_hdfs存储

1. HDFS概述

1.1 HDFS产生背景和意义

     1.HDFS产生背景

随着数据量越来越大，在一个操作系统存不下所有的数据，那么就分配到更多的操作系统管理的磁盘中，但是不方便管理和维护，迫切需要一种系统来管理多台机器上的文件，这就是分布式文件管理系统。HDFS只是分布式文件管理系统中的一种。

    2.HDFS定义

HDFS（Hadoop Distributed File System），它是一个文件系统，用于存储文件，通过目录树来定位文件；其次，它是分布式的，由很多服务器联合起来实现其功能，集群中的服务器有各自的角色。

HDFS的使用场景：适合一次写入，多次读出的场景。一个文件经过创建、写入和关闭之后就不需要改变。

1.2 HDFS前言

HDFS(  Hadoop   distributed  File  System )

• 设计思想：分而治之：将大文件、大批量文件，分布式存放在大量服务器上，以便于采取分而治之的方式对海量数据进行运算分析；
• 在大数据系统中作用：为各类分布式运算框架（如：mapreduce，spark，hive , tez，……）提供数据存储服务
• 重点概念：文件切块，副本存放，元数据

1.3 HDFS概念和特性

1. HDFS的文件在物理上是分块存储（block）块的大小可以通过配置参数（dfs.blocksize)来规定，默认大小在hadoop2x 版本中是128M，老版本是64M。
2. HDFS文件系统会给客户端提供一个统一的抽象目录树，客户端通过路径访问文件，形如：hdfs://namenode:port/dir-a/dir-b/dir-c/file.data
3. 目录结构及文件分块信息（元数据）的管理由namenode节点承担 ——namenode是HDFS集群主节点，负责维护整个hdfs文件系统的目录树，以及每一个路径（文件）所对应的block块信息（block的id，及所在的datenode的服务器）。
4. 文件各个block的存储管理由datenode节点承担——datenode是HDFS的集群从节点，每一个block都可以在多个datanode上存储多个副本（副本数量也可以通过参数设置dfs.replication）
5. HDFS是设计成适应一次写入，多次读出的场景，且不支持文件的修改

（注：适合用来做数据分析，并不适合用来做网盘应用，因为不便修改，延迟大，网络开销大，成本太高。）

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2. HDFS的shell(命令行客户端)操作

    2.1 HDFS命令行客户端使用

     HDFS提供shell命令行客户端，使用方法如下：

  

   2.2 命令行客户端支持的命令参数

   2.3 常用命令参数介绍

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3. HDFS工作机制 

 3.1 概述

• HDFS集群分为两大角色：NameNode(主节点)、DataNode(从节点)、
• NameNode负责管理整个文件系统的元数据（block日志，镜像文件fsimage ）
• DataNode 负责管理用户的文件数据块
• 文件会按照固定的大小（blocksize）切成若干块后分布式存储在若干台datanode上
• 每一个文件块可以有多个副本，并存放在不同的datanode上
• Datanode会定期向Namenode汇报自身所保存的文件block信息，而namenode则会负责保持文件的副本数量
• HDFS的内部工作机制对客户端保持透明，客户端请求访问HDFS都是通过向namenode申请来进行

3.2.1 HDFS写数据流程

   客户端要向HDFS写数据，首先要跟namenode通信以确认可以写文件并获得接收文件block的datanode，然后，客户端按顺序将文件逐个block传递给相应datanode，并由接收到block的datanode负责向其他datanode复制block的副本。

3.2.2 详细步骤图

      

 3.2.3 详细步骤解析

1、客户端根namenode通信请求上传文件，namenode检查目标文件是否已存在，父目录是否存在

2、namenode返回是否可以上传

3、client请求第一个 block该传输到哪些datanode服务器上

4、namenode返回3个datanode服务器ABC

5、client请求3台dn中的一台A上传数据（本质上是一个RPC调用，建立pipeline），A收到请求会继续调用B，然后B调用C，将真个pipeline建立完成，逐级返回客户端

6、client开始往A上传第一个block（先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存），以packet为单位，A收到一个packet就会传给B，B传给C；A每传一个packet会放入一个应答队列等待应答

7、当一个block传输完成之后，client再次请求namenode上传第二个block的服务器。

 3.3 HDFS读数据流程

 3.3.1 概述

    客户端将要读取的文件路径发送给namenode，namenode获取文件的元信息（主要是block的存放位置信息）返回给客户端，客户端根据返回的信息找到相应datanode逐个获取文件的block并在客户端本地进行数据追加合并从而获得整个文件

3.3.2 详细步骤图

  

 3.3.3 详细步骤解析

1、跟namenode通信查询元数据，找到文件块所在的datanode服务器

2、挑选一台datanode（就近原则，然后随机）服务器，请求建立socket流

3、datanode开始发送数据（从磁盘里面读取数据放入流，以packet(包)为单位来做校验）

4、客户端以packet为单位接收，现在本地缓存，然后写入目标文件

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4. NAMENODE 工作机制

学习目标：理解namenode的工作机制尤其是元数据管理机制，以增强对HDFS工作原理的理解，及培养hadoop集群运营中“性能调优”、“namenode”故障问题的分析解决能力。

4.1 NAMENODE职责

NAMENODE职责：

负责客户端请求的响应

元数据的管理（查询，修改）

4.2 元数据管理

namenode对数据的管理采用了三种存储形式：

内存元数据(NameSystem)

磁盘元数据镜像文件

数据操作日志文件（可通过日志运算出元数据）

4.3 元数据存储机制

A、内存中有一份完整的元数据(内存meta data)

B、磁盘有一个“准完整”的元数据镜像（fsimage）文件(在namenode的工作目录中)

C、用于衔接内存metadata和持久化元数据镜像fsimage之间的操作日志（edits文件）

 注：当客户端对hdfs中的文件进行新增或者修改操作，操作记录首先被记入edits日志文件中，当客户端操作成功后，相应的元数据会更新到内存meta.data中。

4.4 元数据的checkpoint

每隔一段时间，会由secondary namenode将namenode上积累的所有edits和一个最新的fsimage下载到本地，并加载到内存进行merge（这个过程称为checkpoint）

secondary Namenode 的作用:为namenode提供服务: 合并日志和镜像文件。

checkpoint的附带作用

namenode和secondary namenode的工作目录存储结构完全相同，所以，当namenode故障退出需要重新恢复时，可以从secondary namenode的工作目录中将fsimage拷贝到namenode的工作目录，以恢复namenode的元数据。

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5 DATANODE工作机制

5.1 概述

1、Datanode工作职责：

存储管理用户的文件块数据

定期向namenode汇报自身所持有的block信息（通过心跳信息上报）

（这点很重要，因为，当集群中发生某些block副本失效时，集群如何恢复block初始副本数量的问题）

<property>
 
         <name>dfs.blockreport.intervalMsec</name>
 
         <value>3600000</value>
 
         <description>Determines block reporting interval in milliseconds.</description>
 
</property>

 

2、Datanode掉线判断时限参数

datanode进程死亡或者网络故障造成datanode无法与namenode通信，namenode不会立即把该节点判定为死亡，要经过一段时间，这段时间暂称作超时时长。HDFS默认的超时时长为10分钟+30秒。如果定义超时时间为timeout，则超时时长的计算公式为：

         timeout  = 2 * heartbeat.recheck.interval + 10 * dfs.heartbeat.interval。

         而默认的heartbeat.recheck.interval 大小为5分钟，dfs.heartbeat.interval默认为3秒。

         需要注意的是hdfs-site.xml 配置文件中的heartbeat.recheck.interval的单位为毫秒，dfs.heartbeat.interval的单位为秒。所以，举个例子，如果heartbeat.recheck.interval设置为5000（毫秒），dfs.heartbeat.interval设置为3（秒，默认），则总的超时时间为40秒。

<property>
 
        <name>heartbeat.recheck.interval</name>
 
        <value>2000</value>
 
</property>
 
<property>
 
        <name>dfs.heartbeat.interval</name>
 
        <value>1</value>
 
</property>

5.2 观察验证DATANODE功能

 上传一个文件，观察文件的block具体的物理存放情况： 

在每一台datanode机器上的这个目录中能找到文件的切块：

/home/hadoop/app/hadoop-2.4.1/tmp/dfs/data/current/BP-193442119-192.168.2.120-1432457733977/current/finalized

---

6. HDFS的java操作

hdfs在生产应用中主要是客户端的开发，其核心步骤是从hdfs提供的api中构造一个HDFS的访问客户端对象，然后通过该客户端对象操作（增删改查）HDFS上的文件

6.1 搭建开发环境

1、引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.apache.hadoop</groupId>
    <artifactId>hadoop-client</artifactId>
    <version>2.6.1</version>
</dependency>

注：如需手动引入jar包，hdfs的jar包----hadoop的安装目录的share下

2、window下开发的说明

建议在linux下进行hadoop应用的开发，不会存在兼容性问题。如在window上做客户端应用开发，需要设置以下环境：

1. 在windows的某个目录下解压一个hadoop的安装包
2. 将安装包下的lib和bin目录用对应windows版本平台编译的本地库替换
3. 在window系统中配置HADOOP_HOME指向你解压的安装包
4. 在windows系统的path变量中加入hadoop的bin目录

6.2 获取api中的客户端对象

在java中操作hdfs，首先要获得一个客户端实例

Configuration conf = new Configuration()
FileSystem fs = FileSystem.get(conf)

而我们的操作目标是HDFS，所以获取到的fs对象应该是DistributedFileSystem的实例；get方法是从何处判断具体实例化那种客户端类呢？

——从conf中的一个参数 fs.defaultFS的配置值判断；

如果我们的代码中没有指定fs.defaultFS，并且工程classpath下也没有给定相应的配置，conf中的默认值就来自于hadoop的jar包中的core-default.xml，默认值为：file，则获取的将不是一个DistributedFileSystem的实例，而是一个本地文件系统的客户端对象

6.3 DistributedFileSystem实例对象所具备的方法

 

6.4 HDFS客户端操作数据代码示例：

文件的增删改查:

public class HdfsClient {
 
	FileSystem fs = null;
 
	@Before
	public void init() throws Exception {
 
		// 构造一个配置参数对象，设置一个参数：我们要访问的hdfs的URI
		// 从而FileSystem.get()方法就知道应该是去构造一个访问hdfs文件系统的客户端，以及hdfs的访问地址
		// new Configuration();的时候，它就会去加载jar包中的hdfs-default.xml
		// 然后再加载classpath下的hdfs-site.xml
		Configuration conf = new Configuration();
		conf.set("fs.defaultFS", "hdfs://hdp-node01:9000");
		/**
		 * 参数优先级： 1、客户端代码中设置的值 2、classpath下的用户自定义配置文件 3、然后是服务器的默认配置
		 */
		conf.set("dfs.replication", "3");
 
		// 获取一个hdfs的访问客户端，根据参数，这个实例应该是DistributedFileSystem的实例
		// fs = FileSystem.get(conf);
 
		// 如果这样去获取，那conf里面就可以不要配"fs.defaultFS"参数，而且，这个客户端的身份标识已经是hadoop用户
		fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hdp-node01:9000"), conf, "hadoop");
 
	}
 
	/**
	 * 往hdfs上传文件
	 * 
	 * @throws Exception
	 */
	@Test
	public void testAddFileToHdfs() throws Exception {
 
		// 要上传的文件所在的本地路径
		Path src = new Path("g:/redis-recommend.zip");
		// 要上传到hdfs的目标路径
		Path dst = new Path("/aaa");
		fs.copyFromLocalFile(src, dst);
		fs.close();
	}
 
	/**
	 * 从hdfs中复制文件到本地文件系统
	 * 
	 * @throws IOException
	 * @throws IllegalArgumentException
	 */
	@Test
	public void testDownloadFileToLocal() throws IllegalArgumentException, IOException {
		fs.copyToLocalFile(new Path("/jdk-7u65-linux-i586.tar.gz"), new Path("d:/"));
		fs.close();
	}
 
	@Test
	public void testMkdirAndDeleteAndRename() throws IllegalArgumentException, IOException {
 
		// 创建目录
		fs.mkdirs(new Path("/a1/b1/c1"));
 
		// 删除文件夹 ，如果是非空文件夹，参数2必须给值true
		fs.delete(new Path("/aaa"), true);
 
		// 重命名文件或文件夹
		fs.rename(new Path("/a1"), new Path("/a2"));
 
	}
 
	/**
	 * 查看目录信息，只显示文件
	 * 
	 * @throws IOException
	 * @throws IllegalArgumentException
	 * @throws FileNotFoundException
	 */
	@Test
	public void testListFiles() throws FileNotFoundException, IllegalArgumentException, IOException {
 
		// 思考：为什么返回迭代器，而不是List之类的容器
		RemoteIterator<LocatedFileStatus> listFiles = fs.listFiles(new Path("/"), true);
 
		while (listFiles.hasNext()) {
			LocatedFileStatus fileStatus = listFiles.next();
			System.out.println(fileStatus.getPath().getName());
			System.out.println(fileStatus.getBlockSize());
			System.out.println(fileStatus.getPermission());
			System.out.println(fileStatus.getLen());
			BlockLocation[] blockLocations = fileStatus.getBlockLocations();
			for (BlockLocation bl : blockLocations) {
				System.out.println("block-length:" + bl.getLength() + "--" + "block-offset:" + bl.getOffset());
				String[] hosts = bl.getHosts();
				for (String host : hosts) {
					System.out.println(host);
				}
			}
			System.out.println("--------------为angelababy打印的分割线--------------");
		}
	}
 
	/**
	 * 查看文件及文件夹信息
	 * 
	 * @throws IOException
	 * @throws IllegalArgumentException
	 * @throws FileNotFoundException
	 */
	@Test
	public void testListAll() throws FileNotFoundException, IllegalArgumentException, IOException {
 
		FileStatus[] listStatus = fs.listStatus(new Path("/"));
 
		String flag = "d--             ";
		for (FileStatus fstatus : listStatus) {
			if (fstatus.isFile())  flag = "f--         ";
			System.out.println(flag + fstatus.getPath().getName());
		}
	}
}

6.5通过流的方式访问hdfs

/**
 * 相对那些封装好的方法而言的更底层一些的操作方式
 * 上层那些mapreduce   spark等运算框架，去hdfs中获取数据的时候，就是调的这种底层的api
 * @author
 *
 */
public class StreamAccess {
	
	FileSystem fs = null;
 
	@Before
	public void init() throws Exception {
 
		Configuration conf = new Configuration();
		fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hdp-node01:9000"), conf, "hadoop");
 
	}
	
	
	
	@Test
	public void testDownLoadFileToLocal() throws IllegalArgumentException, IOException{
		
		//先获取一个文件的输入流----针对hdfs上的
		FSDataInputStream in = fs.open(new Path("/jdk-7u65-linux-i586.tar.gz"));
		
		//再构造一个文件的输出流----针对本地的
		FileOutputStream out = new FileOutputStream(new File("c:/jdk.tar.gz"));
		
		//再将输入流中数据传输到输出流
		IOUtils.copyBytes(in, out, 4096);
		
		
	}
	
	
	/**
	 * hdfs支持随机定位进行文件读取，而且可以方便地读取指定长度
	 * 用于上层分布式运算框架并发处理数据
	 * @throws IllegalArgumentException
	 * @throws IOException
	 */
	@Test
	public void testRandomAccess() throws IllegalArgumentException, IOException{
		//先获取一个文件的输入流----针对hdfs上的
		FSDataInputStream in = fs.open(new Path("/iloveyou.txt"));
		
		
		//可以将流的起始偏移量进行自定义
		in.seek(22);
		
		//再构造一个文件的输出流----针对本地的
		FileOutputStream out = new FileOutputStream(new File("c:/iloveyou.line.2.txt"));
		
		IOUtils.copyBytes(in,out,19L,true);
		
	}
	
	
	
	/**
	 * 显示hdfs上文件的内容
	 * @throws IOException 
	 * @throws IllegalArgumentException 
	 */
	@Test
	public void testCat() throws IllegalArgumentException, IOException{
		
		FSDataInputStream in = fs.open(new Path("/iloveyou.txt"));
		
		IOUtils.copyBytes(in, System.out, 1024);
	}
}

6.6 场景编程

在mapreduce 、spark等运算框架中，有一个核心思想就是将运算移往数据，或者说，就是要在并发计算中尽可能让运算本地化，这就需要获取数据所在位置的信息并进行相应范围读取以下模拟实现：获取一个文件的所有block位置信息，然后读取指定block中的内容

@Test
	public void testCat() throws IllegalArgumentException, IOException{
		
		FSDataInputStream in = fs.open(new Path("/weblog/input/access.log.10"));
		//拿到文件信息
		FileStatus[] listStatus = fs.listStatus(new Path("/weblog/input/access.log.10"));
		//获取这个文件的所有block的信息
		BlockLocation[] fileBlockLocations = fs.getFileBlockLocations(listStatus[0], 0L, listStatus[0].getLen());
		//第一个block的长度
		long length = fileBlockLocations[0].getLength();
		//第一个block的起始偏移量
		long offset = fileBlockLocations[0].getOffset();
		
		System.out.println(length);
		System.out.println(offset);
		
		//获取第一个block写入输出流
//		IOUtils.copyBytes(in, System.out, (int)length);
		byte[] b = new byte[4096];
		
		FileOutputStream os = new FileOutputStream(new File("d:/block0"));
		while(in.read(offset, b, 0, 4096)!=-1){
			os.write(b);
			offset += 4096;
			if(offset>=length) return;
		};
		os.flush();
		os.close();
		in.close();
	}

7.  案例1：开发shell采集脚本

7.1 需求说明

点击流日志每天都10T，在业务应用服务器上，需要准实时上传至数据仓库（Hadoop HDFS）上

7.2 需求分析

一般上传文件都是在凌晨24点操作，由于很多种类的业务数据都要在晚上进行传输，为了减轻服务器的压力，避开高峰期。

如果需要伪实时的上传，则采用定时上传的方式

        

7.3 技术分析

       HDFS SHELL:  hadoop fs  –put   xxxx.tar  /data    还可以使用 Java ApI满足上传一个文件，不能满足定时、周期性传入。

       定时调度器：

                  Linux crontab

                  crontab -e

*/5 * * * * $home/bin/command.sh   //五分钟执行一次

系统会自动执行脚本，每5分钟一次，执行时判断文件是否符合上传规则，符合则上传

7.4 实现流程

7.4.1 日志产生程序

日志产生程序将日志生成后，产生一个一个的文件，使用滚动模式创建文件名。

         日志生成的逻辑由业务系统决定，比如在log4j配置文件中配置生成规则，如：当xxxx.log 等于10G时，滚动生成新日志

细节：

1. 如果日志文件后缀是1\2\3等数字，该文件满足需求可以上传的话。把该文件移动到准备上传的工作区间。
2. 工作区间有文件之后，可以使用hadoop put命令将文件上传。

阶段问题：

1. 待上传文件的工作区间的文件，在上传完成之后，是否需要删除掉。

7.4.2 伪代码

 使用ls命令读取指定路径下的所有文件信息， ls  | while read  line

 //判断line这个文件名称是否符合规则

if       line=access.log.* (

           将文件移动到待上传的工作区间

  )

//批量上传工作区间的文件

hadoop fs  –put   xxx

脚本写完之后，配置linux定时任务，每5分钟运行一次。

7.5 代码实现

代码第一版本，实现基本的上传功能和定时调度功能

 代码第二版本：增强版V2(基本能用，还是不够健全)

7.6 效果展示及操作步骤

1、日志收集文件收集数据，并将数据保存起来，效果如下：

2、上传程序通过crontab定时调度

3、程序运行时产生的临时文件

4、Hadoo hdfs上的效果

8. 案例2：开发JAVA采集程序

8.1 需求

从外部购买数据，数据提供方会实时将数据推送到6台FTP服务器上，我方部署6台接口采集机来对接采集数据，并上传到HDFS中

提供商在FTP上生成数据的规则是以小时为单位建立文件夹(2016-03-11-10)，每分钟生成一个文件（00.dat,01.data,02.dat,........）

提供方不提供数据备份，推送到FTP服务器的数据如果丢失，不再重新提供，且FTP服务器磁盘空间有限，最多存储最近10小时内的数据

由于每一个文件比较小，只有150M左右，因此，我方在上传到HDFS过程中，需要将15分钟时段的数据合并成一个文件上传到HDFS

为了区分数据丢失的责任，我方在下载数据时最好进行校验

8.2 设计分析