NameNode启动过程详细剖析

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。

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HDFS instance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)：namespace Quota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 -> datanodes list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datanodes list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，还包含了额外的信息。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->datanode list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->block list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->block list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->block list在内存中。

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。