大数据Hadoop教程：Hadoop核心架构详细解析

通过这一阶段的调研总结，从内部机理的角度详细分析，HDFS、MapReduce、Hbase、Hive是如何运行，以及基于Hadoop数据仓库的构建和分布式数据库内部具体实现。如有不足，后续及时修改。

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HDFS的体系架构

整个Hadoop的体系结构主要是通过HDFS来实现对分布式存储的底层支持，并通过MR来实现对分布式并行任务处理的程序支持。

HDFS采用主从(Master/Slave)结构模型，一个HDFS集群是由一个NameNode和若干个DataNode组成的(在最新的Hadoop2.2版本已经实现多个NameNode的配置-这也是一些大公司通过修改hadoop源代码实现的功能，在最新的版本中就已经实现了)。NameNode作为主服务器，管理文件系统命名空间和客户端对文件的访问操作。DataNode管理存储的数据。HDFS支持文件形式的数据。

从内部来看，文件被分成若干个数据块，这若干个数据块存放在一组DataNode上。NameNode执行文件系统的命名空间，如打开、关闭、重命名文件或目录等，也负责数据块到具体DataNode的映射。DataNode负责处理文件系统客户端的文件读写，并在NameNode的统一调度下进行数据库的创建、删除和复制工作。NameNode是所有HDFS元数据的管理者，用户数据永远不会经过NameNode。

如图：HDFS体系结构图

图中涉及三个角色：NameNode、DataNode、Client。NameNode是管理者，DataNode是文件存储者、Client是需要获取分布式文件系统的应用程序。

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文件写入：

1) Client向NameNode发起文件写入的请求。

2) NameNode根据文件大小和文件块配置情况，返回给Client它管理的DataNode的信息。

3) Client将文件划分为多个block，根据DataNode的地址，按顺序将block写入DataNode块中。

文件读取：

1) Client向NameNode发起读取文件的请求。

2) NameNode返回文件存储的DataNode信息。

3) Client读取文件信息。

HDFS作为分布式文件系统在数据管理方面可借鉴点：

文件块的放置：一个Block会有三份备份，一份在NameNode指定的DateNode上，一份放在与指定的DataNode不在同一台机器的DataNode上，一根在于指定的DataNode在同一Rack上的DataNode上。备份的目的是为了数据安全，采用这种方式是为了考虑到同一Rack失败的情况，以及不同数据拷贝带来的性能的问题。

MapReduce体系架构

MR框架是由一个单独运行在主节点上的JobTracker和运行在每个集群从节点上的TaskTracker共同组成。主节点负责调度构成一个作业的所有任务，这些任务分布在不同的不同的从节点上。主节点监视它们的执行情况，并重新执行之前失败的任务。从节点仅负责由主节点指派的任务。当一个Job被提交时，JobTracker接受到提交作业和配置信息之后，就会将配置信息等分发给从节点，同时调度任务并监控TaskTracker的执行。JobTracker可以运行于集群中的任意一台计算机上。TaskTracker负责执行任务，它必须运行在DataNode上，DataNode既是数据存储节点，也是计算节点。JobTracker将map任务和reduce任务分发给空闲的TaskTracker，这些任务并行运行，并监控任务运行的情况。如果JobTracker出了故障，JobTracker会把任务转交给另一个空闲的TaskTracker重新运行。

HDFS和MR共同组成Hadoop分布式系统体系结构的核心。HDFS在集群上实现了分布式文件系统，MR在集群上实现了分布式计算和任务处理。HDFS在MR任务处理过程中提供了文件操作和存储等支持，MR在HDFS的基础上实现了任务的分发、跟踪、执行等工作，并收集结果，二者相互作用，完成分布式集群的主要任务。

Hadoop上的并行应用程序开发是基于MR编程框架。MR编程模型原理：利用一个输入的key-value对集合来产生一个输出的key-value对集合。MR库通过Map和Reduce两个函数来实现这个框架。用户自定义的map函数接受一个输入的key-value对，然后产生一个中间的key-value对的集合。MR把所有具有相同的key值的value结合在一起，然后传递个reduce函数。Reduce函数接受key和相关的value结合，reduce函数合并这些value值，形成一个较小的value集合。通常我们通过一个迭代器把中间的value值提供给reduce函数(迭代器的作用就是收集这些value值)，这样就可以处理无法全部放在内存中的大量的value值集合了。

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说明：(第三幅图为同伴自己画的)

流程简而言之，大数据集被分成众多小的数据集块，若干个数据集被分在集群中的一个节点进行处理并产生中间结果。单节点上的任务，map函数一行行读取数据获得数据的(k1,v1)，数据进入缓存，通过map函数执行map(基于key-value)排序(框架会对map的输出进行排序)执行后输入(k2,v2)。每一台机器都执行同样的操作。不同机器上的(k2,v2)通过merge排序的过程(shuffle的过程可以理解成reduce前的一个过程)，最后reduce合并得到，(k3,v3)，输出到HDFS文件中。

谈到reduce，在reduce之前，可以先对中间数据进行数据合并(Combine)，即将中间有相同的key的对合并。Combine的过程与reduce的过程类似，但Combine是作为map任务的一部分，在执行完map函数后仅接着执行。Combine能减少中间结果key-value对的数目，从而降低网络流量。

Map任务的中间结果在做完Combine和Partition后，以文件的形式存于本地磁盘上。中间结果文件的位置会通知主控JobTracker，JobTracker再通知reduce任务到哪一个DataNode上去取中间结果。所有的map任务产生的中间结果均按其key值按hash函数划分成R份，R个reduce任务各自负责一段key区间。每个reduce需要向许多个map任务节点取的落在其负责的key区间内的中间结果，然后执行reduce函数，最后形成一个最终结果。有R个reduce任务，就会有R个最终结果，很多情况下这R个最终结果并不需要合并成一个最终结果，因为这R个最终结果可以作为另一个计算任务的输入，开始另一个并行计算任务。这就形成了上面图中多个输出数据片段(HDFS副本)。

Hbase数据管理

Hbase就是Hadoop database。与传统的mysql、oracle究竟有什么差别。即列式数据与行式数据由什么区别。NoSql数据库与传统关系型数据由什么区别：

Hbase VS Oracle

1、 Hbase适合大量插入同时又有读的情况。输入一个Key获取一个value或输入一些key获得一些value。

2、 Hbase的瓶颈是硬盘传输速度。Hbase的操作，它可以往数据里面insert，也可以update一些数据，但update的实际上也是insert，只是插入一个新的时间戳的一行。Delete数据，也是insert，只是insert一行带有delete标记的一行。Hbase的所有操作都是追加插入操作。Hbase是一种日志集数据库。它的存储方式，像是日志文件一样。它是批量大量的往硬盘中写，通常都是以文件形式的读写。这个读写速度，就取决于硬盘与机器之间的传输有多快。而Oracle的瓶颈是硬盘寻道时间。它经常的操作时随机读写。要update一个数据，先要在硬盘中找到这个block，然后把它读入内存，在内存中的缓存中修改，过段时间再回写回去。由于你寻找的block不同，这就存在一个随机的读。硬盘的寻道时间主要由转速来决定的。而寻道时间，技术基本没有改变，这就形成了寻道时间瓶颈。

3、 Hbase中数据可以保存许多不同时间戳的版本(即同一数据可以复制许多不同的版本，准许数据冗余，也是优势)。数据按时间排序，因此Hbase特别适合寻找按照时间排序寻找Top n的场景。找出某个人最近浏览的消息，最近写的N篇博客，N种行为等等，因此Hbase在互联网应用非常多。

4、 Hbase的局限。只能做很简单的Key-value查询。它适合有高速插入，同时又有大量读的操作场景。而这种场景又很极端，并不是每一个公司都有这种需求。在一些公司，就是普通的OLTP(联机事务处理)随机读写。在这种情况下，Oracle的可靠性，系统的