分布式數據庫 HBase

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HBase 概念

HBase – Hadoop Database，是一個高可靠性、高性能、面向列、可伸縮的分布式存儲系統，利用HBase技術可在廉價PC Server上搭建起大規模結構化存儲集群。

HBase是Google Bigtable的開源實現，類似Google Bigtable利用GFS作為其文件存儲系統，HBase利用Hadoop HDFS作為其文件存儲系統；Google運行MapReduce來處理Bigtable中的海量數據，HBase同樣利用Hadoop MapReduce來處理HBase中的海量數據；Google Bigtable利用 Chubby作為協同服務，HBase利用Zookeeper作為對應。

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上圖描述了Hadoop EcoSystem中的各層系統，其中HBase位于結構化存儲層，Hadoop HDFS為HBase提供了高可靠性的底層存儲支持，Hadoop MapReduce為HBase提供了高性能的計算能力，Zookeeper為HBase提供了穩定服務和failover機制。

此外，Pig和Hive還為HBase提供了高層語言支持，使得在HBase上進行數據統計處理變的非常簡單。 Sqoop則為HBase提供了方便的RDBMS數據導入功能，使得傳統數據庫數據向HBase中遷移變的非常方便。

HBase 訪問接口

1.?????? Native Java API，最常規和高效的訪問方式，適合Hadoop MapReduce Job并行批處理HBase表數據

2.?????? HBase Shell，HBase的命令行工具，最簡單的接口，適合HBase管理使用

3.?????? Thrift Gateway，利用Thrift序列化技術，支持C++，PHP，Python等多種語言，適合其他異構系統在線訪問HBase表數據

4.?????? REST Gateway，支持REST 風格的Http API訪問HBase, 解除了語言限制

5.?????? Pig，可以使用Pig Latin流式編程語言來操作HBase中的數據，和Hive類似，本質最終也是編譯成MapReduce Job來處理HBase表數據，適合做數據統計

6.?????? Hive，當前Hive的Release版本尚沒有加入對HBase的支持，但在下一個版本Hive 0.7.0中將會支持HBase，可以使用類似SQL語言來訪問HBase

HBase 數據模型

Table & Column Family

Row Key	Timestamp	Column Family
		URI	Parser
r1	t3	url=http://www.taobao.com	title=天天特價
	t2	host=taobao.com	?
	t1	?	?
r2	t5	url=http://www.alibaba.com	content=每天…
	t4	host=alibaba.com	?

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???Row Key: 行鍵，Table的主鍵，Table中的記錄按照Row Key排序

?? Timestamp: 時間戳，每次數據操作對應的時間戳，可以看作是數據的version number

?? Column Family：列簇，Table在水平方向有一個或者多個Column Family組成，一個Column Family中可以由任意多個Column組成，即Column Family支持動態擴展，無需預先定義Column的數量以及類型，所有Column均以二進制格式存儲，用戶需要自行進行類型轉換。

Table & Region

當Table隨著記錄數不斷增加而變大后，會逐漸分裂成多份splits，成為regions，一個region由[startkey,endkey)表示，不同的region會被Master分配給相應的RegionServer進行管理：

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-ROOT- && .META. Table

HBase中有兩張特殊的Table，-ROOT-和.META.

?? .META.：記錄了用戶表的Region信息，.META.可以有多個regoin

?? -ROOT-：記錄了.META.表的Region信息，-ROOT-只有一個region

?? Zookeeper中記錄了-ROOT-表的location

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MapReduce on HBase

在HBase系統上運行批處理運算，最方便和實用的模型依然是MapReduce，如下圖：

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HBase Table和Region的關系，比較類似HDFS File和Block的關系，HBase提供了配套的TableInputFormat和TableOutputFormat API，可以方便的將HBase Table作為Hadoop MapReduce的Source和Sink，對于MapReduce Job應用開發人員來說，基本不需要關注HBase系統自身的細節。

HBase系統架構圖

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Client

HBase Client使用HBase的RPC機制與HMaster和HRegionServer進行通信。對于管理類操作，Client與HMaster進行RPC通信；對于數據讀寫類操作，Client與HRegionServer進行RPC通信。

Zookeeper

Zookeeper Quorum中除了存儲了-ROOT-表的地址和HMaster的地址，HRegionServer也會把自己以Ephemeral方式注冊到 Zookeeper 中，使得 HMaster 可以隨時感知到各個HRegionServer的健康狀態。此外，Zookeeper也避免了HMaster的單點問題。

HMaster?

HMaster沒有單點問題，HBase中可以啟動多個HMaster，通過Zookeeper的Master Selection機制保證總有一個Master運行，HMaster在功能上主要負責Table和Region的管理工作：

1.?????? 管理用戶對Table的增、刪、改、查操作

2.?????? 管理 HRegionServer 的負載均衡，調整 Region 分布

3.?????? 在 Region Split 后，負責新 Region 的分配

4.?????? 在 HRegionServer 停機后，負責失效 HRegionServer 上的Regions遷移

HRegionServer

HRegionServer主要負責響應用戶I/O請求，向HDFS文件系統中讀寫數據，是HBase中最核心的模塊。

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HRegionServer內部管理了一系列HRegion對象，每個HRegion對應了Table中的一個Region，HRegion中由多 個HStore組成。每個HStore對應了Table中的一個Column Family的存儲，可以看出每個Column Family其實就是一個集中的存儲單元，因此最好將具備共同IO特性的column放在一個Column Family中，這樣最高效。

HStore存儲是HBase存儲的核心了，其中由兩部分組成，一部分是MemStore，一部分是StoreFiles。MemStore是 Sorted Memory Buffer，用戶寫入的數據首先會放入MemStore，當MemStore滿了以后會Flush成一個StoreFile（底層實現是HFile）， 當StoreFile文件數量增長到一定閾值，會觸發Compact合并操作，將多個StoreFiles合并成一個StoreFile，合并過程中會進 行版本合并和數據刪除，因此可以看出HBase其實只有增加數據，所有的更新和刪除操作都是在后續的compact過程中進行的，這使得用戶的寫操作只要 進入內存中就可以立即返回，保證了HBase I/O的高性能。當StoreFiles Compact后，會逐步形成越來越大的StoreFile，當單個StoreFile大小超過一定閾值后，會觸發Split操作，同時把當前 Region Split成2個Region，父Region會下線，新Split出的2個孩子Region會被HMaster分配到相應的HRegionServer 上，使得原先1個Region的壓力得以分流到2個Region上。下圖描述了Compaction和Split的過程：

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在理解了上述HStore的基本原理后，還必須了解一下HLog的功能，因為上述的HStore在系統正常工作的前提下是沒有問題的，但是在分布式 系統環境中，無法避免系統出錯或者宕機，因此一旦HRegionServer意外退出，MemStore中的內存數據將會丟失，這就需要引入HLog了。 每個HRegionServer中都有一個HLog對象，HLog是一個實現Write Ahead Log的類，在每次用戶操作寫入MemStore的同時，也會寫一份數據到HLog文件中（HLog文件格式見后續），HLog文件定期會滾動出新的，并 刪除舊的文件（已持久化到StoreFile中的數據）。當HRegionServer意外終止后，HMaster會通過Zookeeper感知 到，HMaster首先會處理遺留的 HLog文件，將其中不同Region的Log數據進行拆分，分別放到相應region的目錄下，然后再將失效的region重新分配，領取 到這些region的HRegionServer在Load Region的過程中，會發現有歷史HLog需要處理，因此會Replay HLog中的數據到MemStore中，然后flush到StoreFiles，完成數據恢復。

HBase存儲格式

HBase中的所有數據文件都存儲在Hadoop HDFS文件系統上，主要包括上述提出的兩種文件類型：

1.?????? HFile， HBase中KeyValue數據的存儲格式，HFile是Hadoop的二進制格式文件，實際上StoreFile就是對HFile做了輕量級包裝，即StoreFile底層就是HFile

2.?????? HLog File，HBase中WAL（Write Ahead Log） 的存儲格式，物理上是Hadoop的Sequence File

HFile

下圖是HFile的存儲格式：

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首先HFile文件是不定長的，長度固定的只有其中的兩塊：Trailer和FileInfo。正如圖中所示的，Trailer中有指針指向其他數 據塊的起始點。File Info中記錄了文件的一些Meta信息，例如：AVG_KEY_LEN, AVG_VALUE_LEN, LAST_KEY, COMPARATOR, MAX_SEQ_ID_KEY等。Data Index和Meta Index塊記錄了每個Data塊和Meta塊的起始點。

Data Block是HBase I/O的基本單元，為了提高效率，HRegionServer中有基于LRU的Block Cache機制。每個Data塊的大小可以在創建一個Table的時候通過參數指定，大號的Block有利于順序Scan，小號Block利于隨機查詢。 每個Data塊除了開頭的Magic以外就是一個個KeyValue對拼接而成, Magic內容就是一些隨機數字，目的是防止數據損壞。后面會詳細介紹每個KeyValue對的內部構造。

HFile里面的每個KeyValue對就是一個簡單的byte數組。但是這個byte數組里面包含了很多項，并且有固定的結構。我們來看看里面的具體結構：

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開始是兩個固定長度的數值，分別表示Key的長度和Value的長度。緊接著是Key，開始是固定長度的數值，表示RowKey的長度，緊接著是 RowKey，然后是固定長度的數值，表示Family的長度，然后是Family，接著是Qualifier，然后是兩個固定長度的數值，表示Time Stamp和Key Type（Put/Delete）。Value部分沒有這么復雜的結構，就是純粹的二進制數據了。

HLogFile

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上圖中示意了HLog文件的結構，其實HLog文件就是一個普通的Hadoop Sequence File，Sequence File 的Key是HLogKey對象，HLogKey中記錄了寫入數據的歸屬信息，除了table和region名字外，同時還包括?sequence number和timestamp，timestamp是“寫入時間”，sequence number的起始值為0，或者是最近一次存入文件系統中sequence number。

HLog Sequece File的Value是HBase的KeyValue對象，即對應HFile中的KeyValue，可參見上文描述。

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