HBase工作原理学习
1 HBase简介
HBase是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统，利用HBase技术可在廉价PC Server上搭建大规模结构化的存储集群。HBase的目标是存储并处理大型数据，具体来说是仅需使用普通的硬件配置，就能够处理由成千上万的行和列所组成的大型数据。
与MapReduce的离线批处理计算框架不同，HBase是一个可以随机访问的存储和检索数据平台，弥补了HDFS不能随机访问数据的缺陷，适合实时性要求不是非常高的业务场景。HBase存储的都是Byte数组，它不介意数据类型，允许动态、灵活的数据模型。
上图描述了Hadoop 2.0生态系统中的各层结构。其中HBase位于结构化存储层，HDFS为HBase提供了高可靠性的底层存储支持， MapReduce为HBase提供了高性能的批处理能力，Zookeeper为HBase提供了稳定服务和failover机制，Pig和Hive为HBase提供了进行数据统计处理的高层语言支持，Sqoop则为HBase提供了便捷的RDBMS数据导入功能，使业务数据从传统数据库向HBase迁移变的非常方便。
2 HBase体系结构
2.1 设计思路
HBase是一个分布式的数据库，使用Zookeeper管理集群，使用HDFS作为底层存储。在架构层面上由HMaster（Zookeeper选举产生的Leader）和多个HRegionServer组成，基本架构如下图所示：
在HBase的概念中，HRegionServer对应集群中的一个节点，一个HRegionServer负责管理多个HRegion，而一个HRegion代表一张表的一部分数据。在HBase中，一张表可能会需要很多个HRegion来存储数据，每个HRegion中的数据并不是杂乱无章的。HBase在管理HRegion的时候会给每个HRegion定义一个Rowkey的范围，落在特定范围内的数据将交给特定的Region，从而将负载分摊到多个节点，这样就充分利用了分布式的优点和特性。另外，HBase会自动调节Region所处的位置，如果一个HRegionServer过热，即大量的请求落在这个HRegionServer管理的HRegion上，HBase就会把HRegion移动到相对空闲的其它节点，依次保证集群环境被充分利用。
2.2 基本架构
HBase由HMaster和HRegionServer组成，同样遵从主从服务器架构。HBase将逻辑上的表划分成多个数据块即HRegion，存储在HRegionServer中。HMaster负责管理所有的HRegionServer，它本身并不存储任何数据，而只是存储数据到HRegionServer的映射关系（元数据）。集群中的所有节点通过Zookeeper进行协调，并处理HBase运行期间可能遇到的各种问题。HBase的基本架构如下图所示：
Client：使用HBase的RPC机制与HMaster和HRegionServer进行通信，提交请求和获取结果。对于管理类操作，Client与HMaster进行RPC；对于数据读写类操作，Client与HRegionServer进行RPC。
Zookeeper：通过将集群各节点状态信息注册到Zookeeper中，使得HMaster可随时感知各个HRegionServer的健康状态，而且也能避免HMaster的单点问题。
HMaster：管理所有的HRegionServer，告诉其需要维护哪些HRegion，并监控所有HRegionServer的运行状态。当一个新的HRegionServer登录到HMaster时，HMaster会告诉它等待分配数据；而当某个HRegion死机时，HMaster会把它负责的所有HRegion标记为未分配，然后再把它们分配到其他HRegionServer中。HMaster没有单点问题，HBase可以启动多个HMaster，通过Zookeeper的选举机制保证集群中总有一个HMaster运行，从而提高了集群的可用性。
HRegion：当表的大小超过预设值的时候，HBase会自动将表划分为不同的区域，每个区域包含表中所有行的一个子集。对用户来说，每个表是一堆数据的集合，靠主键（RowKey）来区分。从物理上来说，一张表被拆分成了多块，每一块就是一个HRegion。我们用表名+开始/结束主键，来区分每一个HRegion，一个HRegion会保存一个表中某段连续的数据，一张完整的表数据是保存在多个HRegion中的。
HRegionServer：HBase中的所有数据从底层来说一般都是保存在HDFS中的，用户通过一系列HRegionServer获取这些数据。集群一个节点上一般只运行一个HRegionServer，且每一个区段的HRegion只会被一个HRegionServer维护。HRegionServer主要负责响应用户I/O请求，向HDFS文件系统读写数据，是HBase中最核心的模块。HRegionServer内部管理了一系列HRegion对象，每个HRegion对应了逻辑表中的一个连续数据段。HRegion由多个HStore组成，每个HStore对应了逻辑表中的一个列族的存储，可以看出每个列族其实就是一个集中的存储单元。因此，为了提高操作效率，最好将具备共同I/O特性的列放在一个列族中。
HStore：它是HBase存储的核心，由MemStore和StoreFiles两部分组成。MemStore是内存缓冲区，用户写入的数据首先会放入MemStore，当MemStore满了以后会Flush成一个StoreFile（底层实现是HFile），当StoreFile的文件数量增长到一定阈值后，会触发Compact合并操作，将多个StoreFiles合并成一个StoreFile，合并过程中会进行版本合并和数据删除操作。因此，可以看出HBase其实只有增加数据，所有的更新和删除操作都是在后续的Compact过程中进行的，这样使得用户的写操作只要进入内存就可以立即返回，保证了HBaseI/O的高性能。当StoreFiles Compact后，会逐步形成越来越大的StoreFile，当单个StoreFile大小超过一定阈值后，会触发Split操作，同时把当前的HRegion Split成2个HRegion，父HRegion会下线，新分出的2个子HRegion会被HMaster分配到相应的HRegionServer，使得原先1个HRegion的负载压力分流到2个HRegion上。
HLog：每个HRegionServer中都有一个HLog对象，它是一个实现了Write Ahead Log的预写日志类。在每次用户操作将数据写入MemStore的时候，也会写一份数据到HLog文件中，HLog文件会定期滚动刷新，并删除旧的文件（已持久化到StoreFile中的数据）。当HMaster通过Zookeeper感知到某个HRegionServer意外终止时，HMaster首先会处理遗留的 HLog文件，将其中不同HRegion的HLog数据进行拆分，分别放到相应HRegion的目录下，然后再将失效的HRegion重新分配，领取到这些HRegion的HRegionServer在加载 HRegion的过程中，会发现有历史HLog需要处理，因此会Replay HLog中的数据到MemStore中，然后Flush到StoreFiles，完成数据恢复。
2.3 ROOT表和META表
HBase的所有HRegion元数据被存储在.META.表中，随着HRegion的增多，.META.表中的数据也会增大，并分裂成多个新的HRegion。为了定位.META.表中各个HRegion的位置，把.META.表中所有HRegion的元数据保存在-ROOT-表中，最后由Zookeeper记录-ROOT-表的位置信息。所有客户端访问用户数据前，需要首先访问Zookeeper获得-ROOT-的位置，然后访问-ROOT-表获得.META.表的位置，最后根据.META.表中的信息确定用户数据存放的位置，如下图所示。
-ROOT-表永远不会被分割，它只有一个HRegion，这样可以保证最多只需要三次跳转就可以定位任意一个HRegion。为了加快访问速度，.META.表的所有HRegion全部保存在内存中。客户端会将查询过的位置信息缓存起来，且缓存不会主动失效。如果客户端根据缓存信息还访问不到数据，则询问相关.META.表的Region服务器，试图获取数据的位置，如果还是失败，则询问-ROOT-表相关的.META.表在哪里。最后，如果前面的信息全部失效，则通过ZooKeeper重新定位HRegion的信息。所以如果客户端上的缓存全部是失效，则需要进行6次网络来回，才能定位到正确的HRegion。
3 HBase数据模型
HBase是一个类似于BigTable的分布式数据库，它是一个稀疏的长期存储的（存在HDFS上）、多维度的、排序的映射表。这张表的索引是行关键字、列关键字和时间戳。HBase的数据都是字符串，没有类型。
可以将一个表想象成一个大的映射关系，通过行键、行键+时间戳或行键+列（列族：列修饰符），就可以定位特定数据。由于HBase是稀疏存储数据的，所以某些列可以是空白的。上表给出了com.cnn.www网站的数据存放逻辑视图，表中仅有一行数据，行的唯一标识为“com.cnn.www”，对这行数据的每一次逻辑修改都有一个时间戳关联对应。表中共有四列：contents:html、anchor:cnnsi.com、anchor:my.look.ca、mime:type，每一列以前缀的方式给出其所属的列族。
行键（RowKey）是数据行在表中的唯一标识，并作为检索记录的主键。在HBase中访问表中的行只有三种方式：通过某个行键访问、给定行键的范围访问、全表扫描。行键可以是任意字符串（最大长度64KB）并按照字典序进行存储。对于那些经常一起读取的行，需要对键值精心设计，以便它们能放在一起存储。
4 HBase读写流程
上图是HRegionServer数据存储关系图。上文提到，HBase使用MemStore和StoreFile存储对表的更新。数据在更新时首先写入HLog和MemStore。MemStore中的数据是排序的，当MemStore累计到一定阈值时，就会创建一个新的MemStore，并且将老的MemStore添加到Flush队列，由单独的线程Flush到磁盘上，成为一个StoreFile。与此同时，系统会在Zookeeper中记录一个CheckPoint，表示这个时刻之前的数据变更已经持久化了。当系统出现意外时，可能导致MemStore中的数据丢失，此时使用HLog来恢复CheckPoint之后的数据。
StoreFile是只读的，一旦创建后就不可以再修改。因此Hbase的更新其实是不断追加的操作。当一个Store中的StoreFile达到一定阈值后，就会进行一次合并操作,将对同一个key的修改合并到一起，形成一个大的StoreFile。当StoreFile的大小达到一定阈值后，又会对 StoreFile进行切分操作，等分为两个StoreFile。
4.1 写操作流程
步骤1：Client通过Zookeeper的调度，向HRegionServer发出写数据请求，在HRegion中写数据。
步骤2：数据被写入HRegion的MemStore，直到MemStore达到预设阈值。
步骤3：MemStore中的数据被Flush成一个StoreFile。
步骤4：随着StoreFile文件的不断增多，当其数量增长到一定阈值后，触发Compact合并操作，将多个StoreFile合并成一个StoreFile，同时进行版本合并和数据删除。
步骤5：StoreFiles通过不断的Compact合并操作，逐步形成越来越大的StoreFile。
步骤6：单个StoreFile大小超过一定阈值后，触发Split操作，把当前HRegion Split成2个新的HRegion。父HRegion会下线，新Split出的2个子HRegion会被HMaster分配到相应的HRegionServer 上，使得原先1个HRegion的压力得以分流到2个HRegion上。
4.2 读操作流程
步骤1：client访问Zookeeper，查找-ROOT-表，获取.META.表信息。
步骤2：从.META.表查找，获取存放目标数据的HRegion信息，从而找到对应的HRegionServer。
步骤3：通过HRegionServer获取需要查找的数据。
步骤4：HRegionserver的内存分为MemStore和BlockCache两部分，MemStore主要用于写数据，BlockCache主要用于读数据。读请求先到MemStore中查数据，查不到就到BlockCache中查，再查不到就会到StoreFile上读，并把读的结果放入BlockCache。
5 HBase使用场景
半结构化或非结构化数据：对于数据结构字段不够确定或杂乱无章，很难按一个概念去进行抽取的数据适合用HBase。如随着业务发展需要存储更多的字段时，RDBMS需要停机维护更改表结构，而HBase支持动态增加。
记录非常稀疏：RDBMS的行有多少列是固定的，为空的列浪费了存储空间。而HBase为空的列不会被存储，这样既节省了空间又提高了读性能。
多版本数据：根据RowKey和列标识符定位到的Value可以有任意数量的版本值（时间戳不同），因此对于需要存储变动历史记录的数据，用HBase将非常方便。
超大数据量：当数据量越来越大，RDBMS数据库撑不住了，就出现了读写分离策略，通过一个Master专门负责写操作，多个Slave负责读操作，服务器成本倍增。随着压力增加，Master撑不住了，这时就要分库了，把关联不大的数据分开部署，一些join查询不能用了，需要借助中间层。随着数据量的进一步增加，一个表的记录越来越大，查询就变得很慢，于是又得搞分表，比如按ID取模分成多个表以减少单个表的记录数。经历过这些事的人都知道过程是多么的折腾。采用HBase就简单了，只需要在集群中加入新的节点即可，HBase会自动水平切分扩展，跟Hadoop的无缝集成保障了数据的可靠性（HDFS）和海量数据分析的高性能（MapReduce）。
6 HBase的MapReduce
HBase中Table和Region的关系，有些类似HDFS中File和Block的关系。由于HBase提供了配套的与MapReduce进行交互的API如TableInputFormat和TableOutputFormat，可以将HBase的数据表直接作为Hadoop MapReduce的输入和输出，从而方便了MapReduce应用程序的开发，基本不需要关注HBase系统自身的处理细节。