_00004 Hadoop NameNode源码浅析（RPC是基础）

博文作者： 妳那伊抹微笑
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# NameNode源码分析（RPC是基础）

# namenode注释翻译

/**********************************************************

 * NameNode servesas both directory namespace manager and

 * "inodetable" for the Hadoop DFS.  There isa single NameNode

 * running in anyDFS deployment.  (Well, except when there

 * is a secondbackup/failover NameNode.)

 *

 * The NameNodecontrols two critical tables:

 *   1) filename->blocksequence (namespace)

 *   2) block->machinelist ("inodes")

 *

 * The first tableis stored on disk and is very precious.

 * The second tableis rebuilt every time the NameNode comes

 * up.

 *

 * 'NameNode'refers to both this class as well as the 'NameNode server'.

 * The'FSNamesystem' class actually performs most of the filesystem

 * management.  The majority of the 'NameNode' class itselfis concerned

 * with exposingthe IPC interface and the http server to the outside world,

 * plus someconfiguration management.

 *

 * NameNodeimplements the ClientProtocol interface, which allows

 * clients to askfor DFS services.  ClientProtocol is not

 * designed fordirect use by authors of DFS client code. End-users

 * should insteaduse the org.apache.nutch.hadoop.fs.FileSystem class.

 *

 * NameNode alsoimplements the DatanodeProtocol interface, used by

 * DataNodeprograms that actually store DFS data blocks. These

 * methods areinvoked repeatedly and automatically by all the

 * DataNodes in aDFS deployment.

 *

 * NameNode alsoimplements the NamenodeProtocol interface, used by

 * secondarynamenodes or rebalancing processes to get partial namenode's

 * state, forexample partial blocksMap etc.

 **********************************************************/

对于HDFS来说NameNode是一个目录命名空间管理器和”inode table”,它是一个单个的NameNode运行在任何的DFS的部署环境中（好吧,除非是有第二个备份/故障转移NameNode。）

 

NameNode控制着两个关键表：

1)  filename->blocksequence (namespace)第一个表名为文件名，放的是block的顺序

2) block->machinelist ("inodes")第二个表是block，放的是block所存放的机器列表

第一个表存放在硬盘上并且非常珍贵

第二个表在每次NameNode重启的时候会被重构

 

NameNode指的是这个类以及NameNode server，FSNamesystem这个类实际上执行的大多数文件系统管理。NameNode这个类主要的工作就是关注暴露的IPC接口以及向外部世界（用户）提供一些http服务，加上一些配置管理。

 

NameNode实现了ClientProtocol接口,它允许客户请求DFS服务。ClientProtocol不是专门为直接使用DFS客户机代码的作者设计的，终端用户（程序员）应该使用FileSystem这个类。

NameNode也实现了DatanodeProtocol接口,被DataNode的程序使用去完成DFS数据块的存储。在一个DFS的环境中NameNode实现了DatanodeProtocol接口中的方法会被所有的DataNode自动重复的调用执行。

 

NameNode也实现了NamenodeProtocol接口,被secondarynamenode使用或在平衡过程的进程中得到NameNode 的部分状态,例如部分blocksMap等等

 

# 知道了RPC原理才能更好的理解NameNode

# 首先看namenode类的结构，主要实现了ClientProtocol, DatanodeProtocol, NamenodeProtocol这三个接口

# 进入NameNode的源代码找到publicclass NameNodeimplements ClientProtocol, DatanodeProtocol, NamenodeProtocol,FSConstants,RefreshAuthorizationPolicyProtocol,

                                RefreshUserMappingsProtocol {

# 接下来进入main方法(由于NameNode是一个RPC的服务端，所以我们进入RPC的main方法，为了证明NameNode是一个RPC的服务端)

public static void main(String argv[]) throws Exception {

    try {

      StringUtils.startupShutdownMessage(NameNode.class,argv,LOG);

      NameNode namenode = createNameNode(argv,null);

      if (namenode != null)

        namenode.join();

    } catch (Throwable e) {

      LOG.error(StringUtils.stringifyException(e));

      System.exit(-1);

    }

  }

# 进入createNameNode方法（只看重点，会有下面这么一行）

NameNodenamenode = new NameNode(conf);

# 再点进去

public NameNode(Configuration conf) throws IOException {

    try {

      initialize(conf);

    } catch (IOException e) {

      this.stop();

      throw e;

    }

  }

# 进入initialize(conf)方法（只看重点代码）

this.namesystem =newFSNamesystem(this, conf);

 

    if (UserGroupInformation.isSecurityEnabled()){

      namesystem.activateSecretManager();

    }

// create rpc server

    InetSocketAddress dnSocketAddr =getServiceRpcServerAddress(conf);

    if (dnSocketAddr !=null) {

      int serviceHandlerCount =

        conf.getInt(DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_SERVICE_HANDLER_COUNT_KEY,

                    DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_SERVICE_HANDLER_COUNT_DEFAULT);

      this.serviceRpcServer = RPC.getServer(this, dnSocketAddr.getHostName(),

          dnSocketAddr.getPort(),serviceHandlerCount,

          false, conf,namesystem.getDelegationTokenSecretManager());

      this.serviceRPCAddress =this.serviceRpcServer.getListenerAddress();

      setRpcServiceServerAddress(conf);

    }

    this.server = RPC.getServer(this, socAddr.getHostName(),

        socAddr.getPort(),handlerCount, false, conf,namesystem

       .getDelegationTokenSecretManager());

 

    // The rpc-server port can be ephemeral... ensure we have the correct info

    this.serverAddress =this.server.getListenerAddress();

    FileSystem.setDefaultUri(conf,getUri(serverAddress));

    LOG.info("Namenode up at: " +this.serverAddress);

 

   

 

    startHttpServer(conf);

    this.server.start(); //start RPC server  

    if (serviceRpcServer !=null) {

      serviceRpcServer.start();     

    }

    startTrashEmptier(conf);

namesystem后面再解释（namenode的初始化，namenode启动加载fsimage以及一些配置，后面详细解释）

//create rpc server 意思就是创建 RPC服务端，也就是说NameNode是一个RPC的服务端

注意：这里不是启动了一个rpc的服务端，而是启动了两个rpc的服务端。

serviceRpcServer：RPC服务器为了HDFS服务通信。备份节点（secondarynamenode）,Datanodes和所有其他服务应该连接到这个服务器配置。客户应该只去调用NameNode 下的server的RPC服务端（这个是程序内部调用的）

server：主要是用来给客户端调用的

# 然后再来看startHttpServer(conf);（开启一个Http的服务器）这个方法，跟进去

try {

      this.httpServer = ugi.doAs(new PrivilegedExceptionAction() {

        @Override

        public HttpServer run()throws IOException,InterruptedException {

          String infoHost =infoSocAddr.getHostName();

          int infoPort = infoSocAddr.getPort();

          httpServer = new HttpServer("hdfs", infoHost,infoPort,

              infoPort == 0, conf,

              SecurityUtil.getAdmin

# 在进入HttpServer 的构造方法，跟进new HttpServer("hdfs", infoHost, inf

public HttpServer(String name, String bindAddress, int port,

      boolean findPort, Configuration conf,AccessControlList adminsAcl)

      throws IOException {

    this(name, bindAddress, port, findPort, conf,adminsAcl,null);

  }

# 再跟进this(name, bindAddress, port, findPort, conf,adminsAcl,null);

public HttpServer(String name, String bindAddress, int port,

      boolean findPort, Configuration conf,AccessControlList adminsAcl,

      Connector connector) throws IOException{

    webServer =new Server();

    this.findPort = findPort;

    this.conf = conf;

    this.adminsAcl = adminsAcl;

 

    if(connector ==null) {

到这里就行了，把鼠标放到new Server()上面去，可以看到这么一行提示信息

org.mortbay.jetty.Server.Server()

这里额外说明一下jetty，jetty跟tomcat一样，也是一个服务器，只是更小而已，被内置到NameNode中去了。

到了这里之后就可以看出来NameNode开启了一个jetty服务，也就是可以通过浏览器访问，也就是我们经常访问的http://hadoopip:50070（这里hadoopip表示你的hadoop机器的ip地址）出现的web界面

# NameNode启动过程详细剖析

# NameNode中几个关键的数据结构

# FSImage

Namenode会将HDFS的文件和目录元数据存储在一个叫fsimage的二进制文件中，每次保存fsimage之后到下次保存之间的所有hdfs操作，将会记录在editlog文件中，当editlog达到一定的大小（bytes，由fs.checkpoint.size参数定义）或从上次保存过后一定时间段过后（sec，由fs.checkpoint.period参数定义），namenode会重新将内存中对整个HDFS的目录树和文件元数据刷到fsimage文件中。Namenode就是通过这种方式来保证HDFS中元数据信息的安全性。

Fsimage是一个二进制文件，当中记录了HDFS中所有文件和目录的元数据信息，在我的hadoop的HDFS版中，该文件的中保存文件和目录的格式如下：

 

当namenode重启加载fsimage时，就是按照如下格式协议从文件流中加载元数据信息。从fsimag的存储格式可以看出，fsimage保存有如下信息：

1.        首先是一个image head，其中包含：

a)        imgVersion(int)：当前image的版本信息

b)       namespaceID(int)：用来确保别的HDFSinstance中的datanode不会误连上当前NN。

c)        numFiles(long)：整个文件系统中包含有多少文件和目录

d)       genStamp(long)：生成该image时的时间戳信息。

2.        接下来便是对每个文件或目录的源数据信息，如果是目录，则包含以下信息：

a)        path(String)：该目录的路径，如”/user/build/build-index”

b)       replications(short)：副本数（目录虽然没有副本，但这里记录的目录副本数也为3）

c)        mtime(long)：该目录的修改时间的时间戳信息

d)       atime(long)：该目录的访问时间的时间戳信息

e)        blocksize(long)：目录的blocksize都为0

f)        numBlocks(int)：实际有多少个文件块，目录的该值都为-1，表示该item为目录

g)       nsQuota(long)：namespaceQuota值，若没加Quota限制则为-1

h)       dsQuota(long)：disk Quota值，若没加限制则也为-1

i)         username(String)：该目录的所属用户名

j)         group(String)：该目录的所属组

k)       permission(short)：该目录的permission信息，如644等，有一个short来记录。

3.        若从fsimage中读到的item是一个文件，则还会额外包含如下信息：

a)        blockid(long)：属于该文件的block的blockid，

b)       numBytes(long)：该block的大小

c)        genStamp(long)：该block的时间戳

当该文件对应的numBlocks数不为1，而是大于1时，表示该文件对应有多个block信息，此时紧接在该fsimage之后的就会有多个blockid，numBytes和genStamp信息。

因此，在namenode启动时，就需要对fsimage按照如下格式进行顺序的加载，以将fsimage中记录的HDFS元数据信息加载到内存中。

# BlockMap

从以上fsimage中加载如namenode内存中的信息中可以很明显的看出，在fsimage中，并没有记录每一个block对应到哪几个datanodes的对应表信息，而只是存储了所有的关于namespace的相关信息。而真正每个block对应到datanodes列表的信息在hadoop中并没有进行持久化存储，而是在所有datanode启动时，每个datanode对本地磁盘进行扫描，将本datanode上保存的block信息汇报给namenode，namenode在接收到每个datanode的块信息汇报后，将接收到的块信息，以及其所在的datanode信息等保存在内存中。HDFS就是通过这种块信息汇报的方式来完成 block-> datanodes list的对应表构建。Datanode向namenode汇报块信息的过程叫做blockReport，而namenode将block -> datanodeslist的对应表信息保存在一个叫BlocksMap的数据结构中。

BlocksMap的内部数据结构如下：   

 

如上图显示，BlocksMap实际上就是一个Block对象对BlockInfo对象的一个Map表，其中Block对象中只记录了blockid，block大小以及时间戳信息，这些信息在fsimage中都有记录。而BlockInfo是从Block对象继承而来，因此除了Block对象中保存的信息外，还包括代表该block所属的HDFS文件的INodeFile对象引用以及该block所属datanodes列表的信息（即上图中的DN1，DN2，DN3，该数据结构会在下文详述）。

因此在namenode启动并加载fsimage完成之后，实际上BlocksMap中的key，也就是Block对象都已经加载到BlocksMap中，每个key对应的value(BlockInfo)中，除了表示其所属的datanodes列表的数组为空外，其他信息也都已经成功加载。所以可以说：fsimage加载完毕后，BlocksMap中仅缺少每个块对应到其所属的datanodeslist的对应关系信息。所缺这些信息，就是通过上文提到的从各datanode接收blockReport来构建。当所有的datanode汇报给namenode的blockReport处理完毕后，BlocksMap整个结构也就构建完成。

# BlockMap中datanode列表数据结构

在BlockInfo中，将该block所属的datanodes列表保存在一个Object[]数组中，但该数组不仅仅保存了datanodes列表，“。实际上该数组保存了如下信息：

 

上图表示一个block包含有三个副本，分别放置在DN1，DN2和DN3三个datanode上，每个datanode对应一个三元组，该三元组中的第二个元素，即上图中prev block所指的是该block在该datanode上的前一个BlockInfo引用。第三个元素，也就是上图中next Block所指的是该block在该datanode上的下一个BlockInfo引用。每个block有多少个副本，其对应的BlockInfo对象中就会有多少个这种三元组。

      Namenode采用这种结构来保存block->datanodelist的目的在于节约namenode内存。由于namenode将block->datanodes的对应关系保存在了内存当中，随着HDFS中文件数的增加，block数也会相应的增加，namenode为了保存block->datanodes的信息已经耗费了相当多的内存，如果还像这种方式一样的保存datanode->blocklist的对应表，势必耗费更多的内存，而且在实际应用中，要查一个datanode上保存的block list的应用实际上非常的少，大部分情况下是要根据block来查datanode列表，所以namenode中通过上图的方式来保存block->datanode list的对应关系，当需要查询datanode->blocklist的对应关系时，只需要沿着该数据结构中next Block的指向关系，就能得出结果，而又无需保存datanode->blocklist在内存中。

# NameNode启动过程

# fsimage加载过程

Fsimage加载过程完成的操作主要是为了：

1.        从fsimage中读取该HDFS中保存的每一个目录和每一个文件

2.        初始化每个目录和文件的元数据信息

3.        根据目录和文件的路径，构造出整个namespace在内存中的镜像

4.        如果是文件，则读取出该文件包含的所有blockid，并插入到BlocksMap中。

整个加载流程如下图所示：

 

如上图所示，namenode在加载fsimage过程其实非常简单，就是从fsimage中不停的顺序读取文件和目录的元数据信息，并在内存中构建整个namespace，同时将每个文件对应的blockid保存入BlocksMap中，此时BlocksMap中每个block对应的datanodes列表暂时为空。当fsimage加载完毕后，整个HDFS的目录结构在内存中就已经初始化完毕，所缺的就是每个文件对应的block对应的datanode列表信息。这些信息需要从datanode的RPC远程调用blockReport中获取，所以加载fsimage完毕后，namenode进程进入rpc等待状态，等待所有的datanodes发送blockReports。

# blockReport阶段

每个datanode在启动时都会扫描其机器上对应保存hdfs block的目录下(dfs.data.dir)所保存的所有文件块，然后通过namenode的rpc调用将这些block信息以一个long数组的方式发送给namenode，namenode在接收到一个datanode的blockReport rpc调用后，从rpc中解析出block数组，并将这些接收到的blocks插入到BlocksMap表中，由于此时BlocksMap缺少的仅仅是每个block对应的datanode信息，而namenoe能从report中获知当前report上来的是哪个datanode的块信息，所以，blockReport过程实际上就是namenode在接收到块信息汇报后，填充BlocksMap中每个block对应的datanodes列表的三元组信息的过程。其流程如下图所示:

 

当所有的datanode汇报完block，namenode针对每个datanode的汇报进行过处理后，namenode的启动过程到此结束。此时BlocksMap中block->datanodes的对应关系已经初始化完毕。如果此时已经达到安全模式的推出阈值，则hdfs主动退出安全模式，开始提供服务。

# NameNode源码分析总结

一个hdfs的cluster包含了一个NameNode和若干个DataNode，NameNode是master，主要负责管理hdfs文件系统，具体的包括namespace管理（目录结构）和block管理（具体filename->blocksequence（namespace），block->datanode list(“inodes”)）。前者是通过FSImage写入到本地文件系统中，而后者是通过每次hdfs启动时，datanode进行blockreport后在内存中重构的数据结构。在hdfs的程序代码中，namenode类其实只是一个用来被动接收调用的服务的包装，它实现了ClientProtocol接口，用来接收来自DFSClient的RPC请求；它实现了DatanodeProtocol接口，用来接收来自datanode的各种服务请求；同时还实现了NamenodeProtocol，用来提供跟SeconddaryNameNode之间的RPC的请求和通信。对以上数据结构进行维护的是hdfs中的FSNamesystem类。对于NameNode的各种请求，比如创建，修改，删除，移动，getLocations的操作，在NameNode内部都是通过FSNamesystem提供的接口对内部数据结构进行的访问。

 

NameNode是一个目录命名空间的管理器，NameNode在hdfs中只有一个。（当启动一个NameNode的时候，会产生一个锁文件，是锁住的，所以起不了第二个NameNode了）

NameNode维护这两张核心表：

       1. Filename------blocksequence (“namespace”)也就是block的顺序

       2. block------machinelist(“inodes”) 每个block的存储的机器(dataNode)列表

NameNode其实就是一个RPC的服务端，并且启动了两个RPC服务端（这里又涉及到了RPC原理了，看不懂的话就看下RPC的原理），并且还开启了一个jetty服务器，对外界提供了WEB的访问方式。

妳那伊抹微笑

The you smile until forever 、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、