HDFS2.X源码分析之：NameNode读文件原理

原文出自云台博客：http://yuntai.1kapp.com/?p=952

HDFS被设计成写一次，读多次的应用场景，这应该跟它的MapReduce机制是紧密关联的，通过对线上的读写比例监控，大概读写比是10:1，也验证了它设计的目标。

3.1 读流程分析

GFS论文提到的文件读取简单流程：

在HDFS中，具体流程如下图：

从上图，可以看出读取文件需要如下几个流程：

1. 使用HDFS提供的客户端开发库Client，向远程的NameNode发起RPC请求；
2. Namenode会视情况返回文件的部分或者全部block列表，对于每个block，Namenode都会返回有该block拷贝的DataNode地址；
3. 客户端开发库Client会选取离客户端最接近的DataNode来读取block；如果客户端本身就是DataNode,那么将从本地直接获取数据.
4. 读取完当前block的数据后，关闭与当前的DataNode连接，并为读取下一个block寻找最佳的DataNode；
5. 当读完列表的block后，且文件读取还没有结束，客户端开发库会继续向Namenode获取下一批的block列表。
6. 读取完一个block都会进行checksum验证，如果读取datanode时出现错误，客户端会通知Namenode，然后再从下一个拥有该block拷贝的datanode继续读；

在此，仅就NameNode接收客户端的RPC请求获取文件，文件相应的块，块位置进行分析，其调用代码流程为：NameNodeRpcServer.getBlockLocations()->FSNamesystem. getBlockLocations()->FSNamesystem. getBlockLocations()->DatanodeManager.sortLocatedBlocks()。具体流程图如下：

从上图可看出，接收Client的RPC请求方法getBlockLocations，检查该路径是否有读取权限，然后进入尝试获取块位置的第一次循环，如果是第一次，首先检查该NameNode节点状态是否允许读操作；然后从NameSpace获取该文件对于的inode对象；如果支持访问时间，且循环是第一次，则contine进入下一个循环，如果为第二次，修改该文件的访问时间，并且开始调用BlockManager类的方法createLocatedBlocks

for (int attempt = 0; attempt < 2; attempt++) {
      if (attempt == 0) { // first attempt is with readlock
        readLock();//第一次读取，获得读锁
      }  else { // second attempt is with  write lock
//第二次需要写锁，因为需要修改访问时间
        writeLock(); // writelock is needed to set accesstime
      }
      try {
        checkOperation(OperationCategory.READ);
        // if the namenode is in safemode, then do not update access time
        if (isInSafeMode()) {
          doAccessTime = false;
        }
        long now = now();
//从namespace获取该文件的inode对象
        INodeFile inode = dir.getFileINode(src);
        if (inode == null) {
          throw new FileNotFoundException("File does not exist: " + src);
        }
        assert !inode.isLink();
        if (doAccessTime && isAccessTimeSupported()) {
          if (now <= inode.getAccessTime() + getAccessTimePrecision()) {
            // if we have to set access time but we only have the readlock, then
            // restart this entire operation with the writeLock.
            if (attempt == 0) {
              continue;
            }
          }
          dir.setTimes(src, inode, -1, now, false);
        }
//获取文件块位置
        return blockManager.createLocatedBlocks(inode.getBlocks(),
            inode.computeFileSize(false), inode.isUnderConstruction(),
            offset, length, needBlockToken);
      } finally {
        if (attempt == 0) {
//第一次循环完毕，关闭读锁
          readUnlock();
        } else {
//第二次循环完毕，关闭写锁，此处锁的粒度是否可以变得更细呢，因为仅在设置访问时间处需要加锁
          writeUnlock();
        }
      }
    }

如果文件存在块，需要获取文件块信息及其位置信息

assert namesystem.hasReadOrWriteLock();
    if (blocks == null) {
      return null;
} else if (blocks.length == 0) {
//如果不存在块
      return new LocatedBlocks(0, isFileUnderConstruction,
          Collections.emptyList(), null, false);
    } else {
      if (LOG.isDebugEnabled()) {
        LOG.debug("blocks = " + java.util.Arrays.asList(blocks));
      }
      final AccessMode mode = needBlockToken? AccessMode.READ: null;
//通过文件块列表，获取到块信息，及其副本所在的DN节点列表
      final List locatedblocks = createLocatedBlockList(
          blocks, offset, length, Integer.MAX_VALUE, mode);
      final BlockInfo last = blocks[blocks.length - 1];
      //如果最后一个块状态为complete状态，最后位置=文件大小-最后一个块大小
      //否则最后位置是文件大小
      final long lastPos = last.isComplete()?
          fileSizeExcludeBlocksUnderConstruction - last.getNumBytes()
          : fileSizeExcludeBlocksUnderConstruction;
//获取文件最后一个块副本所在位置
      final LocatedBlock lastlb = createLocatedBlock(last, lastPos, mode);
      return new LocatedBlocks(
          fileSizeExcludeBlocksUnderConstruction, isFileUnderConstruction,
          locatedblocks, lastlb, last.isComplete());

对于方法createLocatedBlockList ，通过名字及其参数就知道，通过该方法，可以获取文件所有的块，块信息（包含块在文件内的起始位置），块所在的DN机器。方法createLocatedBlock用于处理每一个块，只改方法中，如果三个副本中有几个副本损坏了，则只将没有损坏的块加入machines集合，如果三个副本均被损坏，则将三个副本所在的DN均加入machines集合?这是为什么呢？难道在客户端通过标示corrupt再判断该块是否损坏？需要再确认下

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//获取包含该块的DN节点数目
    final int numNodes = blocksMap.numNodes(blk);
    //是否整个块均被损坏：损坏块副本数等于节点数目
    final boolean isCorrupt = numCorruptNodes == numNodes;
    //如果某块所有的副本均损坏，则机器的数量为所有副本对应的机器数
    final int numMachines = isCorrupt ? numNodes: numNodes - numCorruptNodes;
    final DatanodeDescriptor[] machines = new DatanodeDescriptor[numMachines];
    int j = 0;
    if (numMachines > 0) {
      for(Iterator it = blocksMap.nodeIterator(blk);
          it.hasNext();) {
        final DatanodeDescriptor d = it.next();
        final boolean replicaCorrupt = corruptReplicas.isReplicaCorrupt(blk, d);
        //如果三个副本中有几个副本损坏了，则只将没有损坏的块加入machines集合
        //如果三个副本均被损坏，则将三个副本所在的DN均加入machines集合??这是为什么呢？？
        //难道在客户端通过标示corrupt再判断该块是否损坏
        if (isCorrupt || (!isCorrupt && !replicaCorrupt))
          machines[j++] = d;
      }
    }
    assert j == machines.length :
      "isCorrupt: " + isCorrupt +
      " numMachines: " + numMachines +
      " numNodes: " + numNodes +
      " numCorrupt: " + numCorruptNodes +
      " numCorruptRepls: " + numCorruptReplicas;
    final ExtendedBlock eb = new ExtendedBlock(namesystem.getBlockPoolId(), blk);
    //eb：通过poolid跟块唯一标示一个块
    //machines:副本所在的机器
    return new LocatedBlock(eb, machines, pos, isCorrupt);

在获取到文件所有的LocatedBlock对象后，还需要对每个块所对应的DN节点按照与client的距离进行排序，如果离客户端越近，那么就越会排在数组的前面，如果该DN节点已经退役，则排行的数组的最后面，引入排序规则，有利用提高下载文件的速度，具体实现在DatanodeManager. sortLocatedBlocks()

 /** Sort the located blocks by the distance to the target host.
   * 通过DN与client的距离，对每个副本的的DN节点进行排序 ，以便于更快地获取到数据*/
  public void sortLocatedBlocks(final String targethost,
      final List locatedblocks) {
    //sort the blocks
    final DatanodeDescriptor client = getDatanodeByHost(targethost);
    for (LocatedBlock b : locatedblocks) {
    //对于单个块对于的副本，按照DN节点与客户端的距离进行排序
      networktopology.pseudoSortByDistance(client, b.getLocations());
      // Move decommissioned datanodes to the bottom
      //如果块的DN节点列表内，有DN为退役状态，则将该DN节点移动DN列表尾部
      Arrays.sort(b.getLocations(), DFSUtil.DECOM_COMPARATOR);
    }   
  }