【十八掌●武功篇】第八掌：HBase之基本概念

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系列文章：
:【十八掌●武功篇】第八掌：HBase之基本概念
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【十八掌●武功篇】第八掌：HBase之性能调优
【十八掌●武功篇】第八掌：HBase之安装与集成 [草稿]

第一部分： HBase概述

一、 官网定义

Apache HBase is the Hadoop database, a distributed, scalable, big data store.

HBase是Hadoop生态系统中的一个分布式、可扩展、面向列、可伸缩、具有自动容错的大数据数据库。
● 分布式：HBase是集群方式运行的，HBase集群由一个Master节点和多个RegionServer节点组成，并由Zookeeper进行管理。
● 可扩展：HBase的数据存储是基于HDFS的，本身就可扩展的。
● 面向列：HBase是按列拆分为多个独立的集合进行存储的，按列存储利于压缩，减少存储空间， 并避免了读取冗余列，提高了查询的效率，缺点是不如行存储写入速度那么高，但是面向列存储更适合于大数据数据库。
● 可伸缩：可伸缩性讲究平滑线性的性能提升，HBase对数据的处理能力上是可以伸缩的，是指随着数据量的增长处理时间是同步线性增长的，并没有出现当数据量很大时造成处理时间的急剧增加现象
● 自动容错：HBase的自动容错体现在很多方面：Master自动容错、RegionServer自动容错、HDFS的自动容错。

二、 HBase的应用场景

应用于对大数据进行实时、随机查询的场景，这个大数据可以是数十亿行、数百万列的数据。但是HBase的局限在于HBase表的设计必须是依赖于查询条件的，是根据业务的查询条件来设计HBase表。

三、 存储和执行

HBase里的数据是存储在HDFS中的，是通过MapReduce来执行数据分析。

四、 HBase的框架特性

1、 线性与模块化扩展，体现了HBase的可伸缩性和扩展性。
2、 读写严格一致
3、 表可以自动或者通过配置进行切分
4、 数据读写节点服务器支持自动失效检测
5、 基于MapReduce方便对表进行数据处理
6、 方便使用Java API做为客户端进行过滤访问
7、 支持多客户端访问方式：Thrift、REST-ful。
8、 基于JRuby实现的Shell交互式操作界面
9、 可通过Ganglia或者JMX进行集群监控

五、 HBase表的特性

1、 大，一个表可以有几十亿行，百万列。数十亿行数百万列数千个版本=TB或者PB级别。
2、 模式自由：每行有一个可排序的主键和任意多的列，列可以动态增加，同一个表中的不同行可以有不同的列。
3、 面向列存储的。
4、 空null并不占用空间，数据在HBase都是以二进制数组进行存储的。
5、 数据有多个版本，每个单元格有多个不同的版本，版本号用时间戳自动分配，单元格中数据的更新都是新增新的版本的数据。
6、 数据类型单一，都是以字节数组存储的。

六、 HBase与HDFS比较

HDFS	HBase
为分布式存储提供文件系统	提供表状的面向列的数据存储
不支持随机读写，对存储大文件进行优化	对表状数据进行随机读写进行优化
直接读取文件	使用键值对类型数据
数据模型不灵活	提供灵活的数据模型
使用文件系统和处理框架	使用表状数据，依赖内置的MapReduce支持
为一次写多次读进行优化	为多次读写进行优化

七、 HBase与RDBMS比较

关系型数据库	HBase
支持向上扩展（升级硬件）	支持向外扩展（增加服务器）
使用SQL查询从表中读取数据	使用API和MapReduce来读写数据
面向行存储	面向列存储
数据总量依赖于数据库的配置	数据总量取决于服务器的个数
模式更严格	模式灵活，不严格
具有ACID支持	没有內建的对HBase的支持
适合结构化数据	适合结构化数据和
一般是中心化的	是分布式的
一般能保证事务的完整性	HBase不支持事务
支持Join	不支持Join
支持参照完整性	没有内置的参照完整性支持

第二部分： HBase的组成部分

一、 架构图

二、 Master作用

1、 为RegionServer分配Region
Region可以看做是HBase表的分区，HBase表数据根据RowKey进行划分后，分布在不同的Region上。
2、 负责RegionServer的负载均衡
3、 发现失效的RegionServer并重新分配其上的Region
4、 管理用户对HBase表的增删改查操作

三、 Region

Region是HBase的最小负载均衡的单元，HBase表数据会分布在一个或者多个Region上。默认情况下创建表时只有一个Region，默认是256M大小，当数据慢慢增多后，Region会自动切分，平均分为两个Region。

四、 RegionServer

1、 维护其所包括的Region，处理对这些Region的IO请求。
2、 负责切分运行中变的过大的Region。

五、 Zookeeper

1、 保证HBase集群中只有一个Master在工作。
Master和RegionServer启动时会自动向Zookeeper注册。
2、 存储所有Region的寻址入口。
HBase中有一个hbase:meta系统表，记录了HBase集群中有哪些表、表有哪些Region、Region在哪些RegionServer上、Region包含哪些Rowkey（起始RowKey、截止RowKey）这些信息。
Zookeeper上存储了hbase:meta表在哪些Region上，在哪些RegionServer上，RowRegion包含哪些RowKey。
3、 实时监控RegionServer的上线、下线信息，并实时通知Master。
4、 存储HBase的Schema和Table元数据。
5、 Zookeeper上关于HBase的ZK节点

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 7]  ls /hbase
[meta-region-server, backup-masters, draining, table, region-in-transition, table-lock, running, namespace, hbaseid, online-snapshot, replication, recovering-regions, splitWAL, rs]

(1) meta-region-server：存储的是hbase:mate表的元数据。
(2) backup-masters：存储备份Master的信息，因为有可能有多个backup-master，所以可能有多个子节点。
(3) draining：记录哪些RegionSever下线了。
(4) table：存储HBase上表的信息，存储有哪些表。
(5) region-in-transition：控制事务的。
(6) table-lock：表锁信息，HBase只有行锁。
(7) running：正在运行的一些信息。
(8) master：master节点的信息。
(9) namespace：表的命名空间的信息，默认是default命名空间，系统的命名空间是hbase。
如hbase:meta中，hbase是命名空间的名字。
(10) hbaseid：hbase的编号。
(11) online-snapshot：
(12) replicateion
(13) recovering-regions
(14) splitWAL
(15) rs：储存regionServer节点的信息，RegionSever启动时会在Zookeeper上的注册。

六、 Client

包含访问HBase的接口，并维护Cache来加快HBase的访问，比如Region的位置信息。

七、 hbase:meta表

hbase:meta表中存储的是HBase中表Regin的信息，查看hbase:meta表中数据的命令如下：
hbase(main):005:0> scan ‘hbase:meta’ , {LIMIT=>100}
表中rowkey格式为：test,,1481541882182.b46f1de4ea1a909e
test为表名；第二个为开始的Rowkey，带三部分是时间戳，最后为对前面的md5。

第三部分： HBase表的逻辑结构

八、 表的组成结构

1、 表结构示意图

2、 表名
类似于关系型数据库的表。
3、 RowKey
类似于关系型数据库中的主键，RowKey是HBase表中数据的唯一标示，是按照字典顺序排序的，最多存储64K数据。
4、 列族
必须是在创建表时要定义好列族，也可以动态添加列族，列族不能太多，一般是一两个。
在物理上同一行同一个列族下的所有内容存储在一起。
5、 列标签
一个列族下，是由列标签和Value值组成的键值对组成的，插入数据时是可以任意指定列标签的，但是实际应用时，是要根据业务来定义列表标签。
6、 单元格
单元格是存储数据的最小单位，是由表名、rowkey、列族、列标签确定一个单元格的，一个单元格上多个版本，每一个版本有一个值，同一个单元格上，可以有多个版本的数据。
7、 时间戳
时间戳是单元格上的版本号。

九、 HBase的更新

因为HBase实际上是存储在HDFS上的，由于HDFS上的数据是不能进行更改的。
HBase的更新是在单元格上新增一个版本。

第四部分： HBase数据读写流程

十、 读HBase数据过程

1、 客户端连接Zookeeper，从ZK节点，/hbase/meta-region-server节点上获取关于hbase:meta表的信息。
2、 根据hbase:meta表的元数据找存储hbase:meta表数据的到RegionServer，读取数据。
3、 从hbase:meta表中读取目标表的元数据，根据元数据去读取对应Region上的数据。
4、 写缓存：blockcache

十一、 HBase写数据过程

下面以客户端向HBase中test表里写一条数据为例，说明写入数据的过程：
1、 客户端首先读取Zookeeper节点，获取hbase:meta表所在Region信息
2、 根据Regin信息找到hbase:meta表的位置，读取hbase:meta表里的数据。
3、 从hbase:meta表里读取到test表所有的Region信息，再根据RowKey确定插入哪个Region中。
4、 Region内部会根据列族划分出Store，每个Store中会有一个memstore和零个或者多个storefile。memstore是一块内存空间，默认是128M，达到最大空间后，就会刷写到磁盘，生成一个storefile。memstore是滚动刷写的，即当memstore满后就会生成一块新的memstore用来接收新的写入，老的memstore用来进行刷写磁盘，这样避免阻塞提高效率。
一个storefile是一个HFile。
5、 当插入memstore之前会有一个WAL（预写日志）机制，就是先将数据写入一个日志文件Hlog中，这个文件是顺序写的，然后再写入memstore，这样避免了memstore没有刷写到前宕机造成数据丢失的问题。如果宕机，可以从HLog中再次重生数据。HLog也是DataNode上的一个文件，有多个备份。
6、 当memstore中的数据刷写到磁盘后，HLog中的数据也会随着删除。

第五部分： RowKey设计

1、 唯一性
rowkey是HBase表中的唯一标识，所以必须唯一。
2、 长度尽量短，最长不能超过64KB。
每一行都有一个rowkey， HBase表中的数据往往很大，但是rowkey是与业务信息无关的数据，如果rowkey设计的很长，那就会占用很大的硬盘资源，造成资源巨大的浪费。所以应该在能满足需求的基础上，rowkey设计的尽量的短。
3、 写入散列、读取连续原则
HBase是根据rowkey进行分配Region的，相近的rowkey会分配到同一个region上，rowkey设计的散列，更利于在各个Region上平均分配，不会导致数据在某一时刻集中存储到某一两个Region上，造成这几个Region压力过大。
4、 尽可能将查询字段放入rowkey
因为HBase根据rowkey查询速度是最快的，所以要尽量将查询字段放入rowkey中。

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