HBase探索篇 _ 单节点多RegionServer部署与性能测试

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1. 引言

随着集群中总的Region数持续增长，每个节点平均管理的Region数已达550左右，某些大表的写入流量一上来，Region Server就会不堪重负，相继挂掉。

在HBase中，Region的一个列族对应一个MemStore，通常一个MemStore的默认大小为128MB（我们设置的为256MB），见参数hbase.hregion.memstore.flush.size。当可用内存足够时，每个MemStore可以分配128MB的空间。

当表的写入流量上升时，假设每个Region的写入压力相同，则理论上每个MemStore会平均分配可用的内存空间。

因此，节点中Region过多时，每个MemStore分到的内存空间就会变小。此时，写入很小的数据量，就会被强制flush到磁盘，进而导致频繁刷写，会对集群HBase与HDFS造成很大的压力。

同时，Region过多导致的频繁刷写，又会在磁盘上产生非常多的HFile小文件，当小文件过多的时候，HBase为了优化查询性能就会做Compaction操作，合并HFile，减少文件数量。当小文件一直很多的时候，就会出现 “压缩风暴”。Compaction非常消耗系统的IO资源，还会降低数据的写入速度，严重时会影响正常业务的进行。

2. 合理的Region数量

关于每个Region Server节点中，Region数量大致合理的范围，HBase官网上也给出了定义：

region-number

可见，通常情况下，每个节点拥有20-200个Region是比较正常的。

其实，每个Region Server的最大Region数量由总的MemStore内存大小决定。每个Region的每个列族会对应一个MemStore，假设HBase表都有一个列族，那么每个Region只包含一个MemStore。一个MemStore大小通常在128~256MB，见参数：hbase.hregion.memstore.flush.size。默认情况下，RegionServer会将自身堆内存的40%（我们线上60%）（见参数：hbase.regionserver.global.memstore.size）提供给节点上的所有MemStore使用，如果所有MemStore的总大小达到该配置大小，新的更新将会被阻塞并且会强制刷写磁盘。因此，每个节点最理想的Region数量应该由以下公式计算（假设HBase表都有统一的列族配置）：

((RS memory) * (total memstore fraction)) / ((memstore size)*(column families))

其中：

• RS memory：表示Region Server堆内存的大小，即HBASE_HEAPSIZE。
• total memstore fraction：表示所有MemStore占HBASE_HEAPSIZE的比例，HBase0.98版本以后由hbase.regionserver.global.memstore.size参数控制，老版本由hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit参数控制，默认值0.4。
• memstore size：即每个MemStore的大小，HBase中默认128M。
• column families：即表的列族数量，通常情况下只设置1个，最好不超过3个。

以我们线上集群的配置举例，我们每个RegionServer的堆内存是32GB，那么节点上最理想的Region数量应该是：32768*0.6/256 ≈ 76（32768*0.6/128 ≈ 153）

500个region反推每个节点需要的堆内存为：500 * 256 / 0.6 / 1024 ≈ 208G (500 * 128 / 0.6 / 1024 ≈ 104G)

上述最理想的情况是假设每个Region上的填充率都一样，包括数据写入的频次、写入数据的大小，但实际上每个Region的负载各不相同，有的Region可能特别活跃、负载特别高，有的Region则比较空闲。所以，通常我们认为2_{3倍的理想Region数量也是比较合理的，针对上面举例来说，大概200}300个Region左右算是合理的。

3. Region数量优化

针对上文所述的Region数过多的隐患，以下内容主要从两方面考虑来优化。

• 提高单个Region Server的堆内存，保证每个Region的MemStore被分配到比较充裕的内存空间，避免写入高峰期，引起频繁刷写。
• 单节点多Region Server配置，如果你的物理机资源充裕，可以考虑部署多个RS进程来削弱写入压力（这也许可以作为一个应急的方案）。

3.1提高RegionServer的堆内存

提高内存的目的是为了增加每个Region拥有的MemStore的空间，避免其写入压力上升时，MemStore频繁刷写，形成小的HFile过多，引起压缩风暴，占用大量IO。

但其实RS的堆内存并不是越大越好，我们开始使用HBase的时候，对CMS和G1相关的参数，进行了大量压测，测试指标数据表明，内存分配的越大，吞吐量和p99读写平均延时会有一定程度的变差（也有可能是我们的JVM相关参数，当时调配的不合理）。

在我们为集群集成jdk15，设置为ZGC之后，多次压测并分析JVM日志之后，得出结论，在牺牲一定吞吐量的基础上，集群的GC表现能力确实提升的较为明显，尤其是GC的平均停顿时间，99.9%能维持在10ms以下。

而且ZGC号称管理上T的大内存，停顿时间控制在10ms之内（JDK16把GC停顿时间控制在1ms内，期待JDK17 LTS），STW时间不会因为堆的变大而变长。

因此理论上，增加RS堆内存之后，GC一样不会成为瓶颈。

3.2 单节点多Region Server的部署

之所以考虑在单节点上部署多个Region Server的进程，是因为我们单个物理机的资源配置很高，内存充足（三百多G，RS堆内存只分了32G）、而HBase又是弱计算类型的服务，平时CPU的利用率低的可怜，网络方面亦未见瓶颈，唯一掉链子的也就属磁盘了，未上SSD，IO延迟较为严重。

当然，也曾考虑过虚拟机的方案，但之前YCSB压测的数据都不太理想；K8s的调研又是起步都不算，没有技术积累。因此，简单、直接、易操作的方案就是多RS部署了。

以下内容先叙述CDH中多RS进程部署的一些关键流程，后续将在多RS、单RS、单RS大堆环境中，对集群进行基准性能测试，并对比试验数据，分析上述两种优化方案的优劣。

我们使用的HBase版本是2.1.0-cdh6.3.2，非商业版，未上Kerberos，CDH中HBase相关的jar包已替换为用JDK15编译的jar。

多Region Server的部署比较简单，最关键的是修改hbase-site.xml中region server的相关端口，避免端口冲突即可。可操作流程如下。

修改所需配置文件

hbase-site.xml配置文件一定不要直接从/etc/hbase/conf中获取，这里的配置文件是给客户端用的。CDH管理的HBase，配置文件都是运行时加载的，所以，找到HBase最新启动时创建的进程相关的目录，即可获取到服务端最新的配置文件，如：/var/run/cloudera-scm-agent/process/5347-hbase-REGIONSERVER。需要准备的目录结构如下：

dir-hbase

不需要HBase完整安装包中的内容（在自编译的完整安装包中运行RS进程时，依赖冲突或其他莫名其妙的报错会折磨的你抓狂），只需要bin、conf目录即可，pids文件夹是自定义的，RS进程对应pid文件的输出目录，start_rs.sh、stop_rs.sh是自定义的RS进程的启动和关闭脚本。

重点修改下图标注的配置文件，

conf

• hbase-site.xml

hbase-site

• log4j

log.threshold=INFO
main.logger=RFA
hbase.root.logger=INFO,RFA
log4j.rootLogger=INFO,RFA
log.dir=/var/log/hbase
log.file=${hbase.log.file}
max.log.file.size=200MB
max.log.file.backup.index=10
log4j.appender.RFA=org.apache.log4j.RollingFileAppender
log4j.appender.RFA.File=/var/log/hbase/${hbase.log.file}
log4j.appender.RFA.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.RFA.layout.ConversionPattern=%d{ISO8601} %p %c: %m%n
log4j.appender.RFA.MaxFileSize=200MB
log4j.appender.RFA.MaxBackupIndex=10
log4j.appender.console=org.apache.log4j.ConsoleAppender
log4j.appender.console.target=System.err
log4j.appender.console.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.console.layout.ConversionPattern=%d{yy/MM/dd HH:mm:ss} %p %c{2}: %m%n
log4j.logger.org.apache.zookeeper=INFO
log4j.logger.org.apache.hadoop.hbase.zookeeper.ZKUtil=INFO
log4j.logger.org.apache.hadoop.hbase.zookeeper.ZooKeeperWatcher=INFO
# CM日志采集相关的配置去掉，否则启动报Log4j相关的异常

• hbase-env.sh

# 自定义HBase 配置文件的路径
export CUSTOM_HBASE_HOME=`dirname "$(cd "$(dirname $0)"; pwd)"`
# 定义HBase Region Server的相关端口号
REGION_SERVER_PORT=16110
# 定义JMX配置，暴露JMX端口给普罗米修斯，采集相关Metric数据
JMX_REMOTE_PORT=11100
JMX_PROMETHEUS_AGENT_PORT=9320
# 定义本机名称
HOST_NAME="`hostname`"
export JAVA_HOME=/usr/java/openjdk-15.0.2
# RS运行时找的HBase home，非常重要
export HBASE_HOME=/opt/cloudera/parcels/CDH/lib/hbase/
# RS运行时找的HBase配置文件home，非常重要
export HBASE_CONF_DIR=$CUSTOM_HBASE_HOME/conf
# HBASE日志相关
export HBASE_LOG_DIR=/var/log/hbase
export HBASE_LOGFILE="hbase-regionserver-$HOST_NAME-$REGION_SERVER_PORT"
export HBASE_PID_DIR=$CUSTOM_HBASE_HOME/pids

export HBASE_OPTS=""

# Uncomment one of the below three options to enable java garbage collection logging for the server-side processes.
export HBASE_REGIONSERVER_OPTS="-XX:MaxDirectMemorySize=26843545600 -Xms34359738368 -Xmx34359738368 -XX:ReservedCodeCacheSize=256m -XX:InitialCodeCacheSize=256m -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC -XX:ConcGCThreads=2 -XX:ParallelGCThreads=6 -XX:ZCollectionInterval=120 -XX:ZAllocationSpikeTolerance=5 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:-ZProactive -Xlog:safepoint,classhisto*=trace,age*,gc*=info:file=/var/log/hbase/region-server-$REGION_SERVER_PORT-zgc-%t.log:time,tid,tags:filecount=5,filesize=500m --illegal-access=warn --add-exports java.base/jdk.internal=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/jdk.internal.access=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/jdk.internal.misc=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.lang=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.lang.reflect=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.nio=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/sun.nio.ch=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/sun.nio.cs=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.security=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/sun.security.pkcs=ALL-UNNAMED --add-exports java.security.jgss/sun.security.krb5=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.util=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.util.regex=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.util.zip=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.net=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/java.io=ALL-UNNAMED --add-exports java.base/javax.crypto=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/jdk.internal=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/jdk.internal.access=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/jdk.internal.misc=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.lang=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.lang.reflect=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.nio=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/sun.nio.ch=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/sun.nio.cs=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.security=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/sun.security.pkcs=ALL-UNNAMED --add-opens java.security.jgss/sun.security.krb5=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.util=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.util.regex=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.util.zip=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.net=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/java.io=ALL-UNNAMED --add-opens java.base/javax.crypto=ALL-UNNAMED -Dorg.apache.hbase.thirdparty.io.netty.tryReflectionSetAccessible=true -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false -Dcom.sun.management.jmxremote.port=$JMX_REMOTE_PORT -javaagent:/data/hbase/monitor/jmx_prometheus_javaagent-0.11.0.jar=$JMX_PROMETHEUS_AGENT_PORT:/data/hbase/monitor/hbase_regonserver.yml -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/hbase_hbase-REGIONSERVER-$HOST_NAME-$REGION_SERVER_PORT.hprof -XX:OnOutOfMemoryError=/opt/cloudera/cm-agent/service/common/killparent.sh"

export HBASE_MANAGES_ZK=false

还有日志文件名的一些输出细节，可以按需在bin/hbase-daemon.sh中修改。

• start_rs.sh 和stop_rs.sh

#!/usr/bin/env bash
current_hbase_home="$(cd "$(dirname $0)"; pwd)"
sh $current_hbase_home/bin/hbase-daemon.sh start regionserver


#!/usr/bin/env bash
current_hbase_home="$(cd "$(dirname $0)"; pwd)"
sh $current_hbase_home/bin/hbase-daemon.sh stop regionserver

运行或关闭RS进程

sudo -uhbase sh /data/hbase/hbase_16110/start_rs.sh
sudo -uhbase sh /data/hbase/hbase_16110/stop_rs.sh

中间有异常，请查看相关日志输出。

4. 单RS、多RS、单RS大堆集群环境的YCSB压测数据对比

集群Region数疯涨，当写入存在压力时，会导致RS节点异常退出。为了解决目前的这种窘境，本次优化主要从单节点多Region Server部署和提高单个Region Server节点的堆内存两方面着手。

那这两种优化方案对HBase的读写性能指标，又会产生什么样的影响呢？我们以YCSB基准测试的结果指标数据做为参考，大致评价下这两种应急方案的优劣。

用于此次测试的HBase集群的配置

• 使用的集群：5个节点集群（5个Region Server）
• 说明：Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 v4 @ 2.10GHz，377GB Ram，12-3TB磁盘
• 安全性：未配置（无Kerberos）
• CDH版本：hbase2.1.0-cdh6.3.2
• JDK使用AdoptOpenJDK15
• HBase Region Server配置了32GB堆
• HBase HMaster已配置有8GB堆

此次测试使用的数据集大小

• 1TB数据、10亿行

测试方法

压测时选择的读写负载尽量模拟线上的读写场景，分别为：读写3/7、读写7/3、读写5/5；

压测时唯一的变量条件是：多RS部署（32G堆，在每个节点上启动3个RS进程，相当于集群中一共有15个RS节点）、单RS部署（32G小堆）和单RS部署（100G大堆），并尽可能保证其他实验条件不变，每个YCSB的工作负载各自运行20分钟左右，并且重复完整地运行5次，两次运行之间没有重新启动，以测量YCSB的吞吐量等指标，收集的测试结果数据是5次运行中最后3次运行的平均值，为了避免第一轮和第二轮的偶然性，忽略了前两次的测试。

YCSB压测的命令是：

python ycsb-0.15.0/bin/ycsb run hbase20 -P ycsb-0.15.0/workloads/workloada_3_7 -p table=usertable -p columnfamily=cf -p operationcount=100000000 -threads 200 -jvm-args '-Xms2048m -Xmx4096m -Xmn1024m'  -cp /etc/hbase/conf/hbase-site.xml -s > logs/run-workloada_3_7.log

收集实验数据后，大致得出不同读写负载场景下、各个实验条件下的指标数据，如下图。

指标数据

上述的测试数据比较粗糙，但大致也能得出些结论，提供一定程度上的参考。

• 集群Region数过多，横向增加节点，减少每个RS节点管理的Region数，在应对写入洪峰时能起到立竿见影的效果。
• 15个RS进程，在应对写入压力时，也会游刃有余，不会导致RS节点意外退出。观其吞吐量，与单纯5个RS节点相比，也并没有理论值几倍的提升（或许是单个客户端的压测能力有限，也许是多个RS进程受制于同一个IO环境），但其（平均、P99）读写延迟都有明显的改善。
• 盲目增加RS的堆内存，并不一定会得到性能上的提升（CDH官方所提供的建议值也是32G），内存的增加，GC的压力可能会随之增加，我们需要调试出一组合适的GC参数，或许才能得到最大化地提高集群性能。

5. 总结

多RS进程部署的模式，起到了一定程度上的进程间资源隔离的作用，分担了原先单台RS管理Region的压力，最大化利用了物理机的资源，但多出来的一些Region Server，需要单独的管理脚本和监控系统来维护，增加了维护成本。多个RS依赖同一台物理机，物理节点宕机便会影响多个RS进程，同时，某一个Region Server出现热点，压力过大，资源消耗过度，也许会引起同机其他进程的不良，在一定程度上，牺牲了稳定性和可靠性。

增加单个RS进程的堆内存，MemStore在一定程度上会被分配更充裕的内存空间，减小了flush的频次，势必会削弱写入的压力，但也可能会增加GC的负担，我们或许需要调整出合适的GC参数，甚至需要调优HBase本身的一些核心参数，才能兼顾稳定和性能。然而，这就又是一件漫长而繁琐的事情了，在此不过分探讨。

面对性能瓶颈的出现，我们不能盲目地扩充机器，在应急方案采取之后，我们需要做一些额外的、大量的优化工作，这或许才是上上之策。

6. 参考链接

• http://hbase.apache.org/book.html
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/60357239
• https://blog.csdn.net/high2011/article/details/107296170