Hbase读流程

Client-Server交互逻辑

经常有业务同学咨询为什么客户端配置文件中没有配置RegionServer的地址信息，这里针对这种疑问简单的做下解释，客户端与HBase系统的交互阶段主要有如下几个步骤：

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1. 客户端首先会根据配置文件中zookeeper地址连接zookeeper，并读取//meta-region-server节点信息，该节点信息存储HBase元数据（hbase:meta）表所在的RegionServer地址以及访问端口等信息。用户可以通过zookeeper命令(get //meta-region-server)查看该节点信息。
2. 根据hbase:meta所在RegionServer的访问信息，客户端会将该元数据表加载到本地并进行缓存。然后在表中确定待检索rowkey所在的RegionServer信息
3. 根据数据所在RegionServer的访问信息，客户端会向该RegionServer发送真正的数据读取请求。服务器端接收到该请求之后需要进行复杂的处理

通过上述对客户端以及HBase系统的交互分析，可以基本明确两点：

1. 客户端只需要配置zookeeper的访问地址以及根目录，就可以进行正常的读写请求。不需要配置集群的RegionServer地址列表。
2. 客户端会将hbase:meta元数据表缓存在本地，因此上述步骤中前两步只会在客户端第一次请求的时候发生，之后所有请求都直接从缓存中加载元数据。如果集群发生某些变化导致hbase:meta元数据更改，客户端再根据本地元数据表请求的时候就会发生异常，此时客户端需要重新加载一份最新的元数据表到本地。

RegionServer接收到客户端的get/scan请求之后，先后做了两件事情：构建scanner体系（实际上就是做一些scan前的准备工作），在此体系基础上一行一行检索。

scanner体系的核心在于三层scanner：RegionScanner、StoreScanner以及StoreFileScanner。三者是层级的关系，一个RegionScanner由多个StoreScanner构成，一张表由多个列族组成，就有多少个StoreScanner负责该列族的数据扫描。一个StoreScanner又是由多个StoreFileScanner组成。每个Store的数据由内存中的MemStore和磁盘上的StoreFile文件组成，相对应的，StoreScanner对象会雇佣一个MemStoreScanner和N个StoreFileScanner来进行实际的数据读取，每个StoreFile文件对应一个StoreFileScanner，注意：StoreFileScanner和MemstoreScanner是整个scan的最终执行者。

对应于建楼项目，一栋楼通常由好几个单元楼构成（每个单元楼对应于一个Store），每个单元楼会请一个监工（StoreScanner）负责该单元楼的建造。而监工一般不做具体的事情，他负责招募很多工人（StoreFileScanner），这些工人才是建楼的主体。下图是整个构建流程图：

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1. RegionScanner会根据列族构建StoreScanner，有多少列族就构建多少StoreScanner，用于负责该列族的数据检索

   1. 构建StoreFileScanner：每个StoreScanner会为当前该Store中每个HFile构造一个StoreFileScanner，用于实际执行对应文件的检索。同时会为对应Memstore构造一个MemstoreScanner，用于执行该Store中Memstore的数据检索。该步骤对应于监工在人才市场招募建楼所需的各种类型工匠。

   2. 过滤淘汰StoreFileScanner：根据Time Range以及RowKey Range对StoreFileScanner以及MemstoreScanner进行过滤，淘汰肯定不存在待检索结果的Scanner。上图中StoreFile3因为检查RowKeyRange不存在待检索Rowkey所以被淘汰。该步骤针对具体的建楼方案，裁撤掉部分不需要的工匠，比如这栋楼不需要地暖安装，对应的工匠就可以撤掉。

   3. Seek rowkey：所有StoreFileScanner开始做准备工作，在负责的HFile中定位到满足条件的起始Row。工匠也开始准备自己的建造工具，建造材料，找到自己的工作地点，等待一声命下。就像所有重要项目的准备工作都很核心一样，Seek过程（此处略过Lazy Seek优化）也是一个很核心的步骤，它主要包含下面三步：

      • 定位Block Offset：在Blockcache中读取该HFile的索引树结构，根据索引树检索对应RowKey所在的Block Offset和Block Size
      • Load Block：根据BlockOffset首先在BlockCache中查找Data Block，如果不在缓存，再在HFile中加载
      • Seek Key：在Data Block内部通过二分查找的方式定位具体的RowKey

   4. StoreFileScanner合并构建最小堆：将该Store中所有StoreFileScanner和MemstoreScanner合并形成一个heap（最小堆），所谓heap是一个优先级队列，队列中元素是所有scanner，排序规则按照scanner seek到的keyvalue大小由小到大进行排序。这里需要重点关注三个问题，首先为什么这些Scanner需要由小到大排序，其次keyvalue是什么样的结构，最后，keyvalue谁大谁小是如何确定的：

为什么这些Scanner需要由小到大排序？
最直接的解释是scan的结果需要由小到大输出给用户，当然，这并不全面，最合理的解释是只有由小到大排序才能使得scan效率最高。举个简单的例子，HBase支持数据多版本，假设用户只想获取最新版本，那只需要将这些数据由最新到最旧进行排序，然后取队首元素返回就可以。那么，如果不排序，就只能遍历所有元素，查看符不符合用户查询条件。这就是排队的意义。

HBase中KeyValue是什么样的结构？
HBase中KeyValue并不是简单的KV数据对，而是一个具有复杂元素的结构体，其中Key由RowKey，ColumnFamily，Qualifier ，TimeStamp，KeyType等多部分组成，Value是一个简单的二进制数据。Key中元素KeyType表示该KeyValue的类型，取值分别为Put/Delete/Delete Column/Delete Family等。KeyValue可以表示为如下图所示：

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了解了KeyValue的逻辑结构后，我们不妨再进一步从原理的角度想想HBase的开发者们为什么如此对其设计。这个就得从HBase所支持的数据操作说起了，HBase支持四种主要的数据操作，分别是Get/Scan/Put/Delete，其中Get和Scan代表数据查询，Put操作代表数据插入或更新（如果Put的RowKey不存在则为插入操作、否则为更新操作），特别需要注意的是HBase中更新操作并不是直接覆盖修改原数据，而是生成新的数据，新数据和原数据具有不同的版本（时间戳）；Delete操作执行数据删除，和数据更新操作相同，HBase执行数据删除并不会马上将数据从数据库中永久删除，而只是生成一条删除记录，最后在系统执行文件合并的时候再统一删除。

HBase中更新删除操作并不直接操作原数据，而是生成一个新纪录，那问题来了，如何知道一条记录到底是插入操作还是更新操作亦或是删除操作呢？这正是KeyType和Timestamp的用武之地。上文中提到KeyType取值为分别为Put/Delete/Delete Column/Delete Family四种，如果KeyType取值为Put，表示该条记录为插入或者更新操作，而无论是插入或者更新，都可以使用版本号（Timestamp）对记录进行选择；如果KeyType为Delete，表示该条记录为整行删除操作；相应的KeyType为Delete Column和Delete Family分别表示删除某行某列以及某行某列族操作；

不同KeyValue之间如何进行大小比较？
上文提到KeyValue中Key由RowKey，ColumnFamily，Qualifier ，TimeStamp，KeyType等5部分组成，HBase设定Key大小首先比较RowKey，RowKey越小Key就越小；RowKey如果相同就看CF，CF越小Key越小；CF如果相同看Qualifier，Qualifier越小Key越小；Qualifier如果相同再看Timestamp，Timestamp越大表示时间越新，对应的Key越小。如果Timestamp还相同，就看KeyType，KeyType按照DeleteFamily -> DeleteColumn -> Delete -> Put 顺序依次对应的Key越来越大。

scan查询－层层建楼

构建Scanner体系是为了更好地执行scan查询，就像组建工匠师团队就是为了盖房子一样。scan查询总是一行一行查询的，先查第一行的所有数据，再查第二行的所有数据，但每一行的查询流程却没有什么本质区别。盖房子也一样，无论是盖8层还是盖18层，都需要一层一层往上盖，而且每一层的盖法并没有什么区别。所以实际上我们只需要关注其中一行数据是如何查询的就可以。

对于一行数据的查询，又可以分解为多个列族的查询，比如RowKey=row1的一行数据查询，首先查询列族1上该行的数据集合，再查询列族2里该行的数据集合。同样是盖第一层房子，先盖一单元的一层，再改二单元的一层，盖完之后才算一层盖完，接着开始盖第二层。所以我们也只需要关注某一行某个列族的数据是如何查询的就可以。

还记得Scanner体系构建的最终结果是一个由StoreFileScanner和MemstoreScanner组成的heap（最小堆）么，这里就派上用场了。下图是一张表的逻辑视图，该表有两个列族cf1和cf2（我们只关注cf1），cf1只有一个列name，表中有5行数据，其中每个cell基本都有多个版本。cf1的数据假如实际存储在三个区域，memstore中有r2和r4的最新数据，hfile1中是最早的数据。现在需要查询RowKey=r2的数据，按照上文的理论对应的Scanner指向就如图所示：

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这三个Scanner组成的heap为，Scanner由小到大排列。查询的时候首先pop出heap的堆顶元素，即MemstoreScanner，得到keyvalue = r2:cf1:name:v3:name23的数据，拿到这个keyvalue之后，需要进行如下判定：

• 检查该KeyValue的KeyType是否是Deleted/DeletedCol等，如果是就直接忽略该列所有其他版本，跳到下列（列族）
• 检查该KeyValue的Timestamp是否在用户设定的Timestamp Range范围，如果不在该范围，忽略
• 检查该KeyValue是否满足用户设置的各种filter过滤器，如果不满足，忽略
• 检查该KeyValue是否满足用户查询中设定的版本数，比如用户只查询最新版本，则忽略该cell的其他版本；反正如果用户查询所有版本，则还需要查询该cell的其他版本。

现在假设用户查询所有版本而且该keyvalue检查通过，此时当前的堆顶元素需要执行next方法去检索下一个值，并重新组织最小堆。即图中MemstoreScanner将会指向r4，重新组织最小堆之后最小堆将会变为，堆顶元素变为StoreFileScanner2，得到keyvalue＝r2:cf1:name:v2:name22，进行一系列判定，再next，再重新组织最小堆…

不断重复这个过程，直至一行数据全部被检索得到。继续下一行…