hadoop源码 - datanode数据块的读与写
前提
Hadoop版本：hadoop-0.20.2
概述
现在已经知道datanode是通过DataXceiver来处理客户端和其它datanode的请求，在分析DataXceiver时已经对除数据块的读与写之外的操作进行了说明，本文主要分析比较复杂而且非常重要的两个操作：读与写。对于用户而言，HDFS用得最多的两个操作就是写和读文件，而且在大部分情况下，是一次写入，多次读取，满足高吞吐量需求而非低延迟，除去客户端与namenode的协商，剩下的部分主要是客户端直接与datanode通信（数据流的头部在上篇文章中已介绍），发送或接收数据，而这些数据在datanode如何接收并写入磁盘、如何从磁盘读出并发送出去就是本文所要介绍的内容。
DataChecksum
无论是读数据还是写数据，都会涉及到checksum，我们先来看看DataChecksum的结构，该类位于org.apache.hadoop.util这个包下，有以下几个主要属性：
- type：checksum的类型，有CHECKSUM_NULL和CHECKSUM_CRC32两种
- size：checksum的大小（字节），CHECKSUM_NULL的大小是0，CHECKSUM_CRC32的大小是4
- summer：真正用来做checksum的对象，CHECKSUM_NULL使用的是ChecksumNull这个自定义的不干实事的类，CHECKSUM_CRC32使用的是java提供的CRC32
- bytesPerChecksum：用来做checksum的数据片的大小（字节），即HDFS会把块文件（block）分成多个分片（chunk），对每个分片做checksum，那么读或写数据的最小单位是分片
- inSum：已经做checksum的总字节数
DataChecksum的header有5个字节，其中type占1个字节，bytesPerChecksum占4个字节。
DataChecksum有如下几类方法：
- newDataChecksum：创建一个新的DataChecksum
- writeHeader：将checksum header写到输出流
- getHeader：将checksum header存到一个byte数组中，并返回
- writeValue：将checksum计算结果写到输出流或缓冲区中
- getValue：返回checksum计算结果
- reset：重置checksum
- update：更新checksum
BlockMetadataHeader
一直在说一个块有数据文件和元数据文件，有了上边对checksum的分析，下面我们来揭开datanode上管理数据块元数据的BlockMetadataHeader的面纱，数据块无数据的最大部分是块的CRC，这部分与namenode与块相关的功能无关。
有两个属性：
- version：元数据版本（2个字节）
- checksum：数据校验和（header占5个字节）
那么元数据文件的header总共有7个字节，元数据文件的结构大概如下所示：
+---------------------------------------------------+ | 2 byte version | 1 byte checksum type | +---------------------------------------------------+ | 4 byte bytesPerChecksum | 4 byte checksum | +---------------------------------------------------+ | Sequence of checksums | +--------------------------+
BlockMetadataHeader提供以下几类方法：
- readHeader：从文件或输入流读取header
- writeHeader：将header写到输出流
- getHeaderSize：得到header的大小，该版本是7
BlockSender
从BlockSender这个名字我们就能够知道它的作用是用于发送块文件，首先，我们来看看其重要的属性：
- block：读取的数据块
- blockIn：本地磁盘的块文件
- blockInPosition：是否使用transferTo()
- checksumIn：本地磁盘的块元数据文件
- checksum：checksum stream
- offset：读取的数据在块中的起始位置
- endOffset：结束位置
- blockLength：块的长度
- bytesPerChecksum：chunk大小
- checksumSize：checksum大小
- corruptChecksumOk：是否需要验证checksum是否损坏
- chunkOffsetOK：是否需要发送chunk的开始位置
- seqno：packet编号
- transferToAllowed：是否允许transferTo
- blockReadFully：如果整个块被读取，设置为true
- verifyChecksum：在读数据时，是否检查checksum
下面，我们来看看其构造方法，其定义如下：
BlockSender(Block block, long startOffset, long length,
boolean corruptChecksumOk, boolean chunkOffsetOK,
boolean verifyChecksum, DataNode datanode, String clientTraceFmt);
参数有很多：
- block：要读取的块
- startOffset：读取数据的开始位置
- length：读取数据的长度
- corruptChecksumOk：是否需要验证checksum是否损坏
- chunkOffsetOK：是否需要发送chunk的开始位置
- verifyChecksum：在读数据时，是否检查checksum
- datanode：当前所在的datanode
- clientTraceFmt：client trace log message的格式
初始化的过程如下：
- 读取元数据，加载checksum
- 计算bytesPerChecksum和checksumSize，
- 检查并调整开始位置和结束位置，使开始位置和结束位置与验证块的边界对齐
- 将checksum数据定位到正确的位置
- 将块数据文件输入流定位到正确的位置
首先，我们来看看sendBlock方法，其定义如下：
long sendBlock(DataOutputStream out, OutputStream baseStream,
BlockTransferThrottler throttler) throws IOException;
其中：
- out：是块数据要写出的流
- baseStream：如果不为null，那么out是该流的包装器，即out封装了baseStream
- throttler：用于控制流量
sendBlock的处理流程是这样的：
- 将数据的header（checksum header，如果需要发送块的开始位置还需要再加一offset）写到out
- 检查是或允许transferTo（verifyChecksum为false，baseStream是SocketOutputStream，blockIn是FileInputStream），这种方式使用FileChannel来传输数据，而不是先将数据读取到缓冲区
- 计算每个packet数据（checksum和数据）的大小
- 将所有packet写到out
- 将一整数（int）0写到out，标记块的结束
到此我们知道发送的块数据如下所示：
+-----------------------------------------------------+ | 1 byte checksum type | 4 byte bytesPerChecksum | +-----------------------------------------------------+ | 8 byte offset if chunkOffsetOK=true | +-----------------------------------------------------+ | Sequence of data PACKETs | 4 byte 0 | +-----------------------------------------------------+
接下来，我们来看看sendChunks的处理流程，sendChunks的功能是发送一个packet，具体发送的chunk数由参数maxChunks指定：
- 计算真实的chunk数numChunks和packet的大小packetLen
- 将packet header（packet大小packetLen、数据在block中的位置offset、packet编号seqno、是否是最后一个packet、真实数据的大小len）写到out
- 读取checksum数据到缓冲区，如果corruptChecksumOk为真，那么在出错时修复数据
- 如果不允许transferTo，读取真实数据到缓冲区，如果verifyChecksum为真，那么检查checksum，最后将checksum和真实数据写到out
- 如果允许transferTo，调用SocketOutputStream的transferToFully方法传输数据
- 做流量控制
由以上分析，我们可知packet的结构如下：
+-----------------------------------------------------+ | 4 byte packet length (excluding packet header) | +-----------------------------------------------------+ | 8 byte offset in the block | 8 byte sequence number | +-----------------------------------------------------+ | 1 byte isLastPacketInBlock | +-----------------------------------------------------+ | 4 byte Length of actual data | +-----------------------------------------------------+ | x byte checksum data. x is defined below | +-----------------------------------------------------+ | actual data ...... | +-----------------------------------------------------+
其中x是根据以下表达式计算出来的：
x = (length of data + BYTE_PER_CHECKSUM - 1)/BYTES_PER_CHECKSUM *
CHECKSUM_SIZE
BlockReceiver
BlockReceiver主要作用是接收块文件，首先，我们来看看其重要的属性：
- block：接收的块
- in：接收数据的流
- out：本地磁盘的块文件
- checksum：计算checksum
- checksumOut：本地磁盘的元数据文件
- bytesPerChecksum：用来做checksum的数据片的大小
- checksumSize：checksum的大小
- buf：存接收的数据，一个完整的packet
- bufRead：接收的合法的数据的大小
- offsetInBlock：接收的数据在块中的位置
- mirrorAddr：pipeline中下一个datanode的地址
- mirrorOut：用于将数据发送到pipeline中下一个datanode
- responder：用于应答的线程
- isRecovery：是否是恢复操作（覆盖或追加）
- inAddr：数据发送方的地址
- myAddr：本地的地址
下面，我们来看看其构造方法，其定义如下：
BlockReceiver(Block block, DataInputStream in, String inAddr,
String myAddr, boolean isRecovery, String clientName,
DatanodeInfo srcDataNode, DataNode datanode) throws IOException {
参数也有不少：
- block：接收的块
- in：接收数据的流
- inAddr：数据发送方的地址
- myAddr：本地的地址
- isRecovery：是否是恢复操作，即原来文件已经存在
- clientName：客户端名字
- srcDataNode：发送数据的datanode
- datanode：本datanode
初始化的过程如下：
- 读取checksum信息
- 打开本地的块文件和元数据文件，并检查块是否正确
- 如果是恢复操作，将块从blockScanner中删除
BlockReceiver这个类比较复杂，有一千行左右代码，我们以客户端写文件为例来说明其处理过程，如下图所示：
从上图可以看出数据被分成64KB的packet从客户端沿着pipeline逐一发送到所有的datanode，到达最后一个datanode后，应答信息ACK从最后一个datanode沿着pipeline送回客户端，客户端收到ACK就能够知道数据是否发送成功。对于每个datanode，其职责是接收数据包并将数据包发送到其下游datanode，收到ACK后，对ACK进行加工后发送给上游的datanode或client。如果是拷贝块数据操作，是不需要发送应答包的，过程比上图要简单，只需要把数据从一个datanode发送到另一个datanode。
那么，可以将下面的内容分成接收数据和发送应答包两部分，首先，我们来看看接收数据的入口receiveBlock方法：
void receiveBlock(
DataOutputStream mirrOut, // output to next datanode
DataInputStream mirrIn, // input from next datanode
DataOutputStream replyOut, // output to previous datanode
String mirrAddr, BlockTransferThrottler throttlerArg,
int numTargets) throws IOException;
先来分析其参数：
- mirrOut：到下游datanode的输出流，用以发送数据包
- mirrIn：来自下游datanode的输入流，用以接收应答包
- replyOut：到上流datanode的输出流，用以发送应答包
- mirrAddr：下游datanode的地址
- throttlerArg：节流器，用于控制流量
- numTargets：下游datanode的数量，用于确认应答包是否正确
处理的过程如下面的流程图所示：
在这个过程中，需要注意的是setBlockPosition这个方法，如果块文件之前已经finalize了，并且isRecovery为false或者offsetInBlock超过块的大小，那么会抛异常。前边已经讲到每个块文件会被分割成多个chunk，然后对每个chunk做checksum，在这里，如果offsetInBlock不与chunk的边界对齐，那么需要先读出offsetInBlock所位于chunk在offsetInBlock之前数据的checksum，再更新接收到的数据，这样才能确保checksum的正确性。
下面就来看看发送应答包是怎么回事，相关的类有PacketResponder、Packet和PipelineAck，PipelineAck是接口org.apache.hadoop.hdfs.protocol.DataTransferProtocol的内部静态类。先来看看简单的Packet，纯粹就是一个数据结构，有两个属性：
- seqno：packet的编号
- lastPacketInBlock：是否是最后一个包
PipelineAck封装了应答的内容，我们来看看其属性：
- seqno：packet的编号
- replies：一个数组，下游datanode及其自己的答应，数组中每个元素的取值是上一篇文章中操作的状态
- HEART_BEAT：心跳应答对象，seqno为-1，replies中只有一个值OP_STATUS_SUCCESS
一个ACK的内容如下所示：
+-----------------------------------------------------+ | 8 byte seqno | Sequence of 2 byte replies | +-----------------------------------------------------+
如何判断一个ACK是否是成功呢？很简单，只要replies中有值不为OP_STATUS_SUCCESS，那么就不成功。
好了，只剩下一个PacketResponder了，先看其属性：
- ackQueue：等待应答的packet队列
- running：PacketResponder是否在运行
- block：数据块
- mirrorIn：来自下游datanode的输入流，用以接收应答包
- replyOut：到上流datanode的输出流，用以发送应答包
- numTargets：下游datanode的数量，用于确认应答包是否正确
- receiver：PacketResponder的所有者
PacketResponder的处理有两种不同的方式：numTargets=0，说明这是pipeline的最后一个datanode；有下游datanode。
先来看看最后一个datanode是如何处理每个packet的：
- 如果ackQueue中没有元素，先等待一段时间，如果距上次发送心跳的时间间距超过某阈值，发送心跳给上游的datanode，重复以上操作直到ackQueue不为空
- 如果当前packet是最后一个，finalize数据块，并通知datanode接收完数据块
- 发送ACK给上游的datanode
如果不是最后一个datanode又是如何处理的：
- 接收下游datanode的ACK
- 如果是心跳ACK，直接发送给上游datanode，接着处理下个packet
- 如果非心跳ACK，先检查接收到的ACK的packet编号和当前队列中第一个元素的packet编号是否一致
- 如果当前packet是最后一个，finalize数据块，并通知datanode接收完数据块
- 构造ACK消息，replies的第一个元素是自己的状态，值为OP_STATUS_SUCCESS，如果没有收到下游datanode的ACK，其它元素的值为OP_STATUS_ERROR，否则其它元素的值为接收到的原值
- 将ACK消息发送给上游datanode
- 如果ACK有错，中止PacketResponder的运行