《Hadoop 2.X HDFS源码剖析》读书笔记（DataNode)

1. Datanode逻辑结构

1.1 HDFS Federation

Federation的HDFS集群可以定义多个Namenode/Namespace，这些Namenode之间是互相独立的，它们各自分工管理着自己的命名空间。而Datanode则提供数据块的共享存储功能，每个Datanode都会向集群中所有Namenode注册，且周期性地向所有Namenode发送心跳和块汇报，然后执行Namenode通过响应发回的指令。

块池（BlockPool）

一个块池由属于同一个命名空间的所有数据块组成，这个块池中的数据块可以存储在集群中的所有Datanode上，而每个Datanode都可以存储集群中所有块池的数据块。

命名空间卷（NamespaceVolume）

一个Namenode管理的命名空间以及它对应的块池一起被称为命名空间卷，当一个Namenode/Namespace被删除后，对应的块池也会被删除。集群升级时，命名空间卷是基本的升级单元

1.2 Datanode逻辑结构

1.2.1 数据层

1. 数据存储（DataStorage）：负责管理与组织Datanode的磁盘存储空间，同时也负责管理存储空间的生命周期（包括升级、回滚、提交等操作）。BlockPoolSliceStorage类管理Datanode上单个块池的存储空间。DataStorage类会持有所有BlockPoolSliceStorage对象的引用，并通过这些引用管理所有块池。
2. 文件系统数据集（FsDataset）：抽象了Datanode管理数据块的所有操作，例如创建数据块文件、维护数据块文件和校验和文件的对应关系等。

1.2.2 逻辑层

1. BlockPoolManager：管理所有块池的接口类。BlockPoolManager对象持有多个BPOfferService，每个BPOfferService对象都管理这个Datanode的一个块池。每个BPOfferService持有两个BPServiceActor对象，每个BPServiceActor对应HA机制中的一个Namenode，该对象负责向这个Namenode发送心跳、块汇报、缓存汇报以及增量快汇报，并执行Namenode返回的名字节点指令（DatanodeCommand）。
2. DataBlockScanner：一个独立线程，周期性扫描每个数据块并检查数据块的校验和是否正常
3. DirectoryScanner：独立线程，定时发起对磁盘数据块的扫描，对比内存中元数据与实际磁盘存储数据块的差异，然后更新内存中的元数据，使之与磁盘保存的数据块信息一致。

1.2.3 服务层

1. HttpServer：对外提供HTTP服务，可用于展示Datanode内部状态。
2. IPCServer：RPC服务端，响应来自于Client、Namenode以及其他Datanode的RPC请求。
3. DataXceiverServer：数据传输服务端，响应来自Client以及其他Datanode的流式接口请求。

2. Datanode存储

2.1 升级机制

升级重点考虑以下几个问题：

1. 兼容性：HDFS支持节点版本的向上升级，但不支持向下降版本。
2. 回滚：HDFS回滚机制主要是通过备份旧版本数据实现的，回滚时将旧版本数据复制到原有目录中即可。HDFS仅保留前一版本数据，同时引入升级提交机制，当管理员提交了一次升级（hadoop dfsadmin -finalizeUpgrade)时，HDFS将会删除之前的版本，也就升级后无法回滚。
3. 磁盘空间：使用了Linux硬链接的方式，把新旧版本的数据块文件的引用指向磁盘中的同一数据块，来节省空间。

2.1.1 升级

主要涉及以下目录：

1. current：保存当前版本数据的目录。
2. previous.tmp：在升级过程中，保存当前版本数据的目录。
3. previous：升级后，保存上一版本数据的目录。

步骤：

1. current改名为previous.tmp；
2. 重建current目录；
3. 建立current和previous.tmp中数据块文件和校验和文件之间的硬链接；
4. previous.tmp改名为previous。

2.1.2 回滚

主要涉及的目录：

1. previous：升级后，保存上一版本数据的目录。
2. removed.tmp：在回滚过程中，保存当前版本数据的目录。
3. current：回滚后，保存当前版本数据的目录。

步骤：

1. current改名为removed.tmp；
2. previous改名为current；
3. 删除removed.tmp；

2.1.3 提交

主要涉及的目录：

1. previous：升级后，保存上一版本数据的目录。
2. finalized.tmp：在提交过程中，保存前一版本数据的目录。

步骤：

1. previous改名为finalized.tmp；
2. 删除finalized.tmp

2.2 磁盘存储结构

Datanode可以定义多个存储目录保存数据块。

<property>
    <name>dfs.data.dirname>
    <value>/dfs/data,/dfs/data2value>
property>

上图是当前Datanode的磁盘目录结构，无论是在存储目录中还是块池目录中都包含了current和previous文件夹。这种结构使得各个快照对应的Namenode可以独立升级（通过块池目录的升级文件夹），同时进行Datanode和Namenode的升级也可以，并且也支持Datanode级别的升级操作。

3. 文件系统数据集

Datanode最重要的功能之一管理与操作数据块功能（创建数据块文件、维护数据块文件与数据块校验文件的对应关系等）由FsDatasetImpl类实现。

Datanode可以配置多个存储目录保存数据块文件，所以Datanode将底层数据块的管理抽象为多个层次，并定义不同的类来实现。

1. BlockPoolSlice：管理一个指定块池在一个指定存储目录下的所有数据块。
2. FsVolumeImpl：管理Datanode一个存储目录下的所有数据块。
3. FsVolumeList：Datanode可以定义多个存储目录，FsVolumeList保存Datanode上所有的FsVolumeImpl对象。

4. BlockPoolManager

4.1 BPServiceActor

每个BPServiceActor的实例都是一个独立线程，主要实现以下功能：

1. 与Namenode进行第一次握手，获取命名空间的信息；
2. 向Namenode注册当前Datanode；
3. 定期向Namenode发送心跳、增量块汇报、全量快汇报以及缓存块汇报；
4. 执行Namenode传回的名字节点指令。

4.2 BPOfferService

每一个命名空间在Datanode上都有一个对应的块池存储这个命名空间的数据块，这个块池是由一个BPOfferService实例管理。同时BPOfferService类还需要管理当前Datanode认为是Active状态的Namenode的引用（通过bpServiceToActive字段）。

4.3 BlockPoolManager

负责管理所有BPOfferService实例，对外提供添加、删除、启动、停止、关闭BPOfferService类的接口。

5. 流式接口

5.1 DataTransferProtocol

用来描述写入与读出Datanode上数据的流式接口。

5.2 Sender和Receiver

Sender类封装了DataTransferProtocol的调用操作，用于发起流式接口请求；Receiver类封装了DataTransferProtocol的执行操作，用于响应流式接口请求。

5.3 DataXceiverServer

DataXceiverServer对象用于在Datanode上监听并接收流式接口请求，每当有Client通过Sender类发起流式接口请求时，DataXceiverServer就会监听并接收这个请求，然后创建一个DataXceiver对象用于响应这个请求并执行对应的操作。

6. 数据块扫描器

每个Datanode都会初始化一个数据块扫描器周期性地验证Datanode上存储的所有数据块的正确性，并把发现的损坏数据块报告给Namenode。DataBlockScanner类就是Datanode上数据块扫描器的实现。由于Datanode会保存多个块池的数据块，所以DataBlockScanner会持有多个BlockPoolSliceScanner对象，每个BlockPoolSliceScanner对象都负责验证一个指定块池下数据的正确性。

7. DirectoryScanner

主要任务是定期扫描磁盘上的数据块，检查磁盘上的数据块信息是否与FsDatasetImpl中保存的数据块信息一致，如果不一致则对FsDatasetImpl中的信息进行更新。只会检查内存和磁盘上FINALIZED状态的数据库是否一致。

8. DataNode类的实现

8.1 Datanode的启动

DataNode启动流程入口是main()方法，然后调用secureMain()方法，secureMain()方法通过调用createDataNode()创建并启动一个DataNode实例，然后在这个DataNode实例上调用join()方法等待DataNode停止运行。

8.2 Datanode的关闭

shutdown()方法用于关闭DataNode实例的运行：

1. 首先将DataNode.shouldRun字段设置为false，这样所有的BPServiceActor线程、DataXceiverServer线程、PacketResponder以及DataBlockScanner线程就会自动退出运行。
2. 如果这个关闭操作是用于重启，且当前Datanode正处于写数据流管道中，则向上游数据节点发送OOB消息通知客户端，之后调用DataXceiverServer.kill()方法强制关闭流式接口底层的套接字连接。
3. 接下来shutdown()方法会关闭DataBlockScanner以及DirectoryScanner，关闭WebServer，然后在DataXceiverServer对象上调用join方法，等待DataXceiverServer线程成功退出。
4. 最后依次关闭IPCServer、BlockPoolManager对象、DataStorage对象以及FSDatasetImpl对象。
5. shutdown()方法运行结束后，secureMain()方法的join()调用返回，然后执行finally语句，结束数据节点的运行并退出。