hadoop源码解析之hdfs内部结构分析

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概述

hdfs的内部的文件和目录是如何以树的结构存储的，每个文件对应的块是如何存储的，每个块对应的怎么对应到每一个datanode的，这些结构在hdfs的内部源码是用哪些变量存储的，整体结构是怎么连接起来的，下面我们通过Hadoop的最新稳定版代码（2.7.3）来学习一下。

命名空间Namesystem

org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.FSNamesystem类是hdfs的核心，存储了hdfs的命名空间相关的很多东西，具体来说就是为DataNode做簿记工作，所有datanode的请求都经过FSNamesystem类来处理。

具体他做了哪些重要的工作，我们来看相关注释

/*************************************************** * FSNamesystem does the actual bookkeeping work for the * DataNode. * * It tracks several important tables. * 文件名 -> 数据块(存放在磁盘，也就是FSImage和日志中) * 1) valid fsname --> blocklist (kept on disk, logged) 合法的数据块列表(上面关系的逆关系) * 2) Set of all valid blocks (inverted #1) 数据块 -> DataNode(只保存在内存中，根据DataNode发过来的信息动态建立) * 3) block --> machinelist (kept in memory, rebuilt dynamically from reports) DataNode上保存的数据块(上面关系的逆关系) * 4) machine --> blocklist (inverted #2) 通过LRU算法保存最近发送过心跳信息的DataNode * 5) LRU cache of updated-heartbeat machines ***************************************************/

文件目录管理

/** The namespace tree. */
  FSDirectory dir;
  private final BlockManager blockManager;

在namenode中，对hdfs的目录以及下面的子目录、文件的操作相当的复杂，会涉及到内存、硬盘的相关操作，还需要和很多对象打交道，FSDirectory主要就是对这个内部的复杂的操作做了一个简单的封装，对外提供一个简单的操作接口。

FSDirectory中很多重要的操作都和ClientProcotol协议中定义的相关方法一一对应,如addBlock等.

FSDirectory对象中有一个非常重要的INodeDirectory类型的变量rootDir，这个变量在内存中保存这个整个hdfs的目录树，下面我们对INode相关的知识做一下介绍。

i-node介绍

linux i-node介绍

在Linux中，inode是一个非常重要的设计，具体我这里就不介绍了，大家可以参考下这个文章。

http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/12/inode.html

hdfs的 INode介绍

org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.INode类是整个文件的一个抽象，其子类INodeDirectory和INodeFile分别表示目录和相应的文件，我们来看下具体的类之间的关系

其中，INode的直接子类INodeWithAdditionalFields存储了一个文件或者目录共有的一些东西，如id、名字、访问权限、访问时间等

/** The inode id. */
  final private long id;
  /** * The inode name is in java UTF8 encoding; * The name in HdfsFileStatus should keep the same encoding as this. * if this encoding is changed, implicitly getFileInfo and listStatus in * clientProtocol are changed; The decoding at the client * side should change accordingly. */
  private byte[] name = null;
  /** * Permission encoded using {@link PermissionStatusFormat}. * Codes other than {@link #clonePermissionStatus(INodeWithAdditionalFields)} * and {@link #updatePermissionStatus(PermissionStatusFormat, long)} * should not modify it. */
  private long permission = 0L;
  /** The last modification time*/
  private long modificationTime = 0L;
  /** The last access time*/
  private long accessTime = 0L;

INodeFile

在INodeFile类的内部，有一个非常重要的变量blocks，以一个数组的的形式保存着这个文件对应的块，具体的BlockInfoContiguous的相关信息将在下节来讲述。

private BlockInfoContiguous[] blocks;

INodeDirectory

INodeDirectory重要就是表示的hdfs中的目录树，和其他文件系统类似，一个目录最重要的就是他的子目录，在该类中，用一个INode类型的集合变量children表示。

private List<INode> children = null;

块管理

hdfs中所有块的管理通过FSNamesystem中的BlockManager变量来管理，主要可以提供一些常用的的服务，比如通过blockid查询块，某一个块位于哪个datanode等等

private final BlockManager blockManager;

BlockManager通过BlocksMap来存储信息

private final Namesystem namesystem;

private final DatanodeManager datanodeManager;
  

 /** * Mapping: Block -> { BlockCollection, datanodes, self ref } * Updated only in response to client-sent information. */
final BlocksMap blocksMap;

数据块BlockInfoContiguous

接下来我们说说hdfs中块的最重要的 一个类，这个类里最核心的变量是一个Object的数组triplets。

/** * This array contains triplets of references. For each i-th storage, the * block belongs to triplets[3*i] is the reference to the * {@link DatanodeStorageInfo} and triplets[3*i+1] and triplets[3*i+2] are * references to the previous and the next blocks, respectively, in the list * of blocks belonging to this storage. * * Using previous and next in Object triplets is done instead of a * {@link LinkedList} list to efficiently use memory. With LinkedList the cost * per replica is 42 bytes (LinkedList#Entry object per replica) versus 16 * bytes using the triplets. */
  private Object[] triplets;

  /** * Construct an entry for blocksmap * @param replication the block's replication factor */
  public BlockInfoContiguous(short replication) {
    this.triplets = new Object[3*replication];
    this.bc = null;
  }

我们通过代码看到，object数组的长度就是3*replication（3乘以block的副本数），

triplets[i]：存储DatanodeStorageInfo对象，Block所在的DataNode;

triplets[i+1]：存储BlockInfoContiguous对象，该DataNode上该block前一个Block；

triplets[i+2]：存储BlockInfoContiguous，该DataNode上该block后一个Block；

这样通过存储块在DataNode上的上一个和下一个块实现了一个双向链表。就能快速的遍历该datanode上的所有的block，其实就是一个linkedlist，但是按照注释中的说法，要比linkedlist节省空间,对于hdfs这些一个巨大的文件系统来说，每个块存储多一点空间，整体上将会是巨大的开销。

集群中所有的块的管理

集群中所有的块的管理通过BlockManager中BlocksMap类型的对象blocksMap来管理

BlocksMap通过GSet存储映射

private GSet<Block, BlockInfoContiguous> blocks;

GSet是自定义的一个set集合,如下代码所示，E必须是K的子类

/** * A {@link GSet} is set, * which supports the {@link #get(Object)} operation. * The {@link #get(Object)} operation uses a key to lookup an element. * * Null element is not supported. * * @param <K> The type of the keys. * @param <E> The type of the elements, which must be a subclass of the keys. */
@InterfaceAudience.Private
public interface GSet<K, E extends K> extends Iterable<E>

保存hdfs的块的管理用的是GSet的子类LightWeightGSet.

DatanodeStorageInfo 数据节点存储

在介绍BlockInfoContiguous的时候，我们知道object数组第一项存储的是该块所在的datanode信息，即DatanodeStorageInfo类型的对象。

/** * A Datanode has one or more storages. A storage in the Datanode is represented * by this class. */
public class DatanodeStorageInfo{
    ........................
    
  private final DatanodeDescriptor dn;
  private final String storageID;
  private StorageType storageType; //存储类型，disk，ssd等
  private State state;

  private long capacity; 
  private long dfsUsed;
  private volatile long remaining;
  private long blockPoolUsed;

  private volatile BlockInfoContiguous blockList = null;
  private int numBlocks = 0;

  // The ID of the last full block report which updated this storage.
  private long lastBlockReportId = 0;

  /** The number of block reports received */
  private int blockReportCount = 0;
  
  ..............................
    
}

通过注释，我们了解到一个datanode有不止一个存储，该类所表示的是datanode相关的存储信息。

其中DatanodeDescriptor对象是namenode对datanode的抽象，里面封装了一些datanode基本信息.

DatanodeDescriptor相关的类的继承关系如上图，DatanodeID封装了datanode相关的一些基本信息，如ip，host等。

private String ipAddr;     // IP address
  private String hostName;   // hostname claimed by datanode
  private String peerHostName; // hostname from the actual connection
  private int xferPort;      // data streaming port
  private int infoPort;      // info server port
  private int infoSecurePort; // info server port
  private int ipcPort;       // IPC server port
  private String xferAddr;

总结

通过上面的学习，我们基本捋请了整个hdfs的目录和文件是如何存储的，每个文件包含了哪些数据块，每个数据块存储在哪个datanode上，具体的host和port是多少。

还简单了解了下hdfs是如何通过blockmanage来管理hdfs中所有的数据块