HBase之数据刷写 (Memstore Flush) 详细说明

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并由本人对文章格式略做调整

接触过 HBase 的同学应该对 HBase 写数据的过程比较熟悉（不熟悉也没关系）。
HBase 写数据（比如 put、delete）的时候，
都是先写 WAL（假设 WAL 没有被关闭），
然后将数据写到一个称为 MemStore 的内存结构里面的，如下图：

HBase Rowkey 设计指南

但是，MemStore 毕竟是内存里面的数据结构，
写到这里面的数据最终还是需要持久化到磁盘的，
生成 HFile。如下图：

HBase Rowkey 设计指南

理解 MemStore 的刷写对优化 MemStore 有很重要的意义，
大部分人遇到的性能问题都是写操作被阻塞（Block）了，
无法写入HBase。
本文基于 HBase 2.0.2，并对 MemStore 的 Flush 进行说明，
包括哪几种条件会触发 Memstore Flush 及目前常见的刷写策略（FlushPolicy）。

什么时候触发 MemStore Flush

有很多情况会触发 MemStore 的 Flush 操作，
所以我们最好需要了解每种情况在什么时候触发 Memstore Flush。
总的来说，主要有以下几种情况会触发 Memstore Flush：

Region 中所有 MemStore 占用的内存超过相关阈值
整个 RegionServer 的 MemStore 占用内存总和大于相关阈值
WAL数量大于相关阈值
定期自动刷写
数据更新超过一定阈值
手动触发刷写

下面对这几种刷写进行简要说明。

Region 中所有 MemStore 占用的内存超过相关阈值

当一个 Region 中所有 MemStore 占用的内存（包括 OnHeap + OffHeap）大小
超过刷写阈值的时候会触发一次刷写，
这个阈值由 hbase.hregion.memstore.flush.size 参数控制，默认为128MB。
我们每次调用 put、delete 等操作都会检查的这个条件的。

但是如果我们的数据增加得很快，
达到了 hbase.hregion.memstore.flush.size * hbase.hregion.memstore.block.multiplier 的大小，hbase.hregion.memstore.block.multiplier 默认值为4，
也就是128*4=512MB的时候，
那么除了触发 MemStore 刷写之外，
HBase 还会在刷写的时候同时阻塞所有写入该 Store 的写请求！
这时候如果你往对应的 Store 写数据，会出现 RegionTooBusyException 异常。

整个 RegionServer 的 MemStore 占用内存总和大于相关阈值

HBase 为 RegionServer 的 MemStore 分配了一定的写缓存，
大小等于 hbase_heapsize（RegionServer 占用的堆内存大小）* hbase.regionserver.global.memstore.size。hbase.regionserver.global.memstore.size 的默认值是 0.4，
也就是说写缓存大概占用 RegionServer 整个 JVM 内存使用量的 40%。

如果整个 RegionServer 的 MemStore 占用内存总和大于 hbase.regionserver.global.memstore.size.lower.limit * hbase.regionserver.global.memstore.size * hbase_heapsize 的时候，
将会触发 MemStore 的刷写。
其中 hbase.regionserver.global.memstore.size.lower.limit 的默认值为 0.95。

举个例子，如果我们 HBase 堆内存总共是 32G，按照默认的比例，
那么触发 RegionServer 级别的 Flush 是
RS 中所有的 MemStore 占用内存为：32 * 0.4 * 0.95 = 12.16G。
PS:
从这里可以看出
MemoryStore 是 Store级别的，
但是其占用的内存却是RegionServer级别的

注意：
0.99.0 前 hbase.regionserver.global.memstore.size 是
hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit 参数；
hbase.regionserver.global.memstore.size.lower.limit 是
hbase.regionserver.global.memstore.lowerLimit，
参见 HBASE-5349

RegionServer 级别的 Flush 策略是每次找到 RS 中占用内存最大的 Region 对他进行刷写，
这个操作是循环进行的，
直到总体内存的占用低于全局 MemStore 刷写下限
（hbase.regionserver.global.memstore.size.lower.limit * hbase.regionserver.global.memstore.size * hbase_heapsize）
才会停止。

需要注意的是，如果达到了 RegionServer 级别的 Flush，
那么当前 RegionServer 的所有写操作将会被阻塞，
而且这个阻塞可能会持续到分钟级别。

WAL数量大于相关阈值

WAL（Write-ahead log，预写日志）用来解决宕机之后的操作恢复问题的。
数据到达 Region 的时候是先写入 WAL，
然后再被写到 Memstore 的。
如果 WAL 的数量越来越大，
这就意味着 MemStore 中未持久化到磁盘的数据越来越多。
当 RS 挂掉的时候，恢复时间将会变得很长，
所以有必要在 WAL 到达一定的数量时进行一次刷写操作。
这个阈值（maxLogs）的计算公式如下：

this.blocksize = WALUtil.getWALBlockSize(this.conf, this.fs, this.walDir);
float multiplier = conf.getFloat("hbase.regionserver.logroll.multiplier", 0.5f);
this.logrollsize = (long)(this.blocksize * multiplier);
this.maxLogs = conf.getInt("hbase.regionserver.maxlogs",
      Math.max(32, calculateMaxLogFiles(conf, logrollsize)));
 
public static long getWALBlockSize(Configuration conf, FileSystem fs, Path dir)
      throws IOException {
    return conf.getLong("hbase.regionserver.hlog.blocksize",
        CommonFSUtils.getDefaultBlockSize(fs, dir) * 2);
}
 
private int calculateMaxLogFiles(Configuration conf, long logRollSize) {
    Pair globalMemstoreSize = MemorySizeUtil.getGlobalMemStoreSize(conf);
    return (int) ((globalMemstoreSize.getFirst() * 2) / logRollSize);
}

也就是说，如果设置了 hbase.regionserver.maxlogs，那就是这个参数的值；
否则是 max(32, hbase_heapsize * hbase.regionserver.global.memstore.size * 2 / logRollSize)。
如果某个 RegionServer 的 WAL 数量大于 maxLogs 就会触发 MemStore 的刷写。

WAL 数量触发的刷写策略是，
找到最旧的 un-archived WAL 文件，
并找到这个 WAL 文件对应的 Regions，
然后对这些 Regions 进行刷写。

定期自动刷写

如果我们很久没有对 HBase 的数据进行更新，
这时候就可以依赖定期刷写策略了。
RegionServer 在启动的时候会启动一个线程 PeriodicMemStoreFlusher
每隔 hbase.server.thread.wakefrequency 时间
去检查属于这个 RegionServer 的 Region
有没有超过一定时间都没有刷写，
这个时间是由 hbase.regionserver.optionalcacheflushinterval 参数控制的，默认是 3600000，
也就是1小时会进行一次刷写。如果设定为0，则意味着关闭定时自动刷写。

为了防止一次性有过多的 MemStore 刷写，
定期自动刷写会有 0 ~ 5 分钟的延迟，
具体参见 PeriodicMemStoreFlusher 类的实现。

数据更新超过一定阈值

如果 HBase 的某个 Region 更新的很频繁，
而且既没有达到自动刷写阀值，
也没有达到内存的使用限制，
但是内存中的更新数量已经足够多，
比如超过 hbase.regionserver.flush.per.changes 参数配置，默认为30000000，
那么也是会触发刷写的。

手动触发刷写

除了 HBase 内部一些条件触发的刷写之外，
我们还可以通过执行相关命令或 API 来触发 MemStore 的刷写操作。
比如调用可以调用 Admin 接口提供的方法：

void flush(TableName tableName) throws IOException;
void flushRegion(byte[] regionName) throws IOException;
void flushRegionServer(ServerName serverName) throws IOException;

分别对某张表、某个 Region 或者某个 RegionServer 进行刷写操作。
也可以在 Shell 中通过执行 flush 命令：

hbase> flush 'TABLENAME'
hbase> flush 'REGIONNAME'
hbase> flush 'ENCODED_REGIONNAME'
hbase> flush 'REGION_SERVER_NAME'

需要注意的是，
以上所有条件触发的刷写操作最后都会检查对应的 HStore 包含的 StoreFiles 文件
超过 hbase.hstore.blockingStoreFiles 参数配置的个数，默认值是16。
如果满足这个条件，那么当前刷写会被推迟到
hbase.hstore.blockingWaitTime 参数设置的时间后再刷写。
在阻塞刷写的同时，HBase 还会请求 Split 或 Compaction 操作。

什么操作会触发 MemStore 刷写

我们常见的 put、delete、append、increment、
调用 flush 命令、Region 分裂、Region Merge、bulkLoad HFiles
以及给表做快照操作都会对上面的相关条件做检查，
以便判断要不要做刷写操作。

MemStore 刷写策略（FlushPolicy）

在 HBase 1.1 之前，MemStore 刷写是 Region 级别的。
就是说，如果要刷写某个 MemStore ，
MemStore 所在的 Region 中其他 MemStore 也是会被一起刷写的！
这会造成一定的问题，比如小文件问题，
具体参见《为什么不建议在 HBase 中使用过多的列族》。
针对这个问题，HBASE-10201/HBASE-3149引入列族级别的刷写。
我们可以通过 hbase.regionserver.flush.policy 参数选择不同的刷写策略。

目前 HBase 2.0.2 的刷写策略全部都是实现 FlushPolicy 抽象类的。
并且自带三种刷写策略：
FlushAllLargeStoresPolicy、
FlushNonSloppyStoresFirstPolicy
以及 FlushAllStoresPolicy。

FlushAllStoresPolicy

这种刷写策略实现最简单，
直接返回当前 Region 对应的所有 MemStore。
也就是每次刷写都是对 Region 里面所有的 MemStore 进行的，
这个行为和 HBase 1.1 之前是一样的。

FlushAllLargeStoresPolicy

在 HBase 2.0 之前版本是 FlushLargeStoresPolicy，
后面被拆分成分 FlushAllLargeStoresPolicy 和FlushNonSloppyStoresFirstPolicy，
参见 HBASE-14920。

这种策略会先判断 Region 中每个 MemStore 的使用内存（ＯnHeap +　OffHeap）是否大于某个阀值，
大于这个阀值的 MemStore 将会被刷写。
阀值的计算是由 hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound 、hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound.min
以及 hbase.hregion.memstore.flush.size 参数决定的。
计算逻辑如下：
//region.getMemStoreFlushSize() / familyNumber
//就是 hbase.hregion.memstore.flush.size 参数的值除以相关表列族的个数
flushSizeLowerBound = max(region.getMemStoreFlushSize() / familyNumber, hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound.min)
//如果设置了 hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound
flushSizeLowerBound = hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound

计算逻辑上面已经很清晰的描述了。
hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound.min 默认值为 16MB，而 hbase.hregion.percolumnfamilyflush.size.lower.bound 没有设置。

比如当前表有3个列族，其他用默认的值，
那么 flushSizeLowerBound = max((long)128 / 3, 16) = 42。

如果当前 Region 中没有 MemStore 的使用内存大于上面的阀值，
FlushAllLargeStoresPolicy 策略就退化成 FlushAllStoresPolicy 策略了，
也就是会对 Region 里面所有的 MemStore 进行 Flush。

FlushNonSloppyStoresFirstPolicy

HBase 2.0 引入了 in-memory compaction，
参见 HBASE-13408。
如果我们对相关列族 hbase.hregion.compacting.memstore.type 参数的值不是 NONE，
那么这个 MemStore 的 isSloppyMemStore 值就是 true，否则就是 false。

FlushNonSloppyStoresFirstPolicy 策略
将 Region 中的 MemStore 按照 isSloppyMemStore
分到两个 HashSet 里面（sloppyStores 和 regularStores）。
然后

判断 regularStores 里面是否有 MemStore 内存占用大于相关阀值的 MemStore ，
有的话就会对这些 MemStore 进行刷写，
其他的不做处理，
这个阀值计算和 FlushAllLargeStoresPolicy 的阀值计算逻辑一致。
如果 regularStores 里面没有 MemStore 内存占用大于相关阀值的 MemStore，
这时候就开始在 sloppyStores 里面寻找
是否有 MemStore 内存占用大于相关阀值的 MemStore，
有的话就会对这些 MemStore 进行刷写，其他的不做处理。
如果上面 sloppyStores 和 regularStores 都没有满足条件的 MemStore 需要刷写，
这时候就 FlushNonSloppyStoresFirstPolicy 策略就
退化成 FlushAllStoresPolicy 策略了。

刷写的过程

MemStore 的刷写过程很复杂，很多操作都可能触发，
但是这些条件触发的刷写最终都是调用 HRegion 类中的 internalFlushcache 方法。

protected FlushResultImpl internalFlushcache(WAL wal, long myseqid,
      Collection storesToFlush, MonitoredTask status, boolean writeFlushWalMarker,
      FlushLifeCycleTracker tracker) throws IOException {
    PrepareFlushResult result =
        internalPrepareFlushCache(wal, myseqid, storesToFlush, status, writeFlushWalMarker, tracker);
    if (result.result == null) {
      return internalFlushCacheAndCommit(wal, status, result, storesToFlush);
    } else {
      return result.result; // early exit due to failure from prepare stage
    }
}

从上面的实现可以看出，Flush 操作主要分以下几步做的

prepareFlush 阶段：
刷写的第一步是对 MemStore 做 snapshot，
为了防止刷写过程中更新的数据同时在 snapshot 和 MemStore 中而造成后续处理的困难，
所以在刷写期间需要持有 updateLock 。
持有了 updateLock 之后，
这将阻塞客户端的写操作。
所以只在创建 snapshot 期间持有 updateLock，
而且 snapshot 的创建非常快，
所以此锁期间对客户的影响一般非常小。
对 MemStore 做 snapshot 是 internalPrepareFlushCache 里面进行的。
flushCache 阶段：
如果创建快照没问题，
那么返回的 result.result 将为 null。
这时候我们就可以进行下一步 internalFlushCacheAndCommit。
其实 internalFlushCacheAndCommit 里面包含两个步骤：
flushCache 和 commit 阶段。
- flushCache 阶段：
  其实就是将 prepareFlush 阶段创建好的快照写到临时文件里面，
  临时文件是存放在对应 Region 文件夹下面的 .tmp 目录里面。
- commit 阶段：
  将 flushCache 阶段生产的临时文件移到（rename）对应的列族目录下面，
  并做一些清理工作，比如删除第一步生成的 snapshot。

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HBase之 数据刷写 (Memstore Flush) 详细说明

什么时候触发 MemStore Flush

Region 中所有 MemStore 占用的内存超过相关阈值

整个 RegionServer 的 MemStore 占用内存总和大于相关阈值

WAL数量大于相关阈值

定期自动刷写

数据更新超过一定阈值

手动触发刷写

什么操作会触发 MemStore 刷写

MemStore 刷写策略（FlushPolicy）

FlushAllStoresPolicy

FlushAllLargeStoresPolicy

FlushNonSloppyStoresFirstPolicy

刷写的过程

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