[HBase基础]--初识HBase

时间  2021-01-07

HBase是什么？

HBase是一个分布式的、面向列的开源数据库，该技术来源于 Fay Chang 所撰写的Google论文“Bigtable：一个结构化数据的分布式存储系统”。就像Bigtable利用了Google文件系统（File System）所提供的分布式数据存储一样，HBase在Hadoop之上提供了类似于Bigtable的能力。HBase是Apache的Hadoop 项目的子项目。HBase不同于一般的关系数据库，它是一个适合于非结构化数据存储的数据库。另一个不同的是HBase基于列的而不是基于行的模式。

解决小文件存储的问题，可以采用HBase，而大文件的存储则使用HDFS。

Hadoop家族

hadoop家族成员：


Hadoop Common：Hadoop体系最底层的一个模块，为Hadoop各子项目提供各种工具，如：配置文件和日志操作等。 

Avro：Avro是doug cutting主持的RPC项目，有点类似Google的protobuf和Facebook的thrift。avro用来做以后hadoop的RPC，使hadoop的RPC模块通信速度更快、数据结构更紧凑。 

Chukwa：Chukwa是基于Hadoop的大集群监控系统，由yahoo贡献。 

HBase：基于Hadoop Distributed File System，是一个开源的，基于列存储模型的分布式数据库。 

HDFS：分布式文件系统 

Hive：hive类似CloudBase，也是基于hadoop分布式计算平台上的提供data warehouse的sql功能的一套软件。使得存储在hadoop里面的海量数据的汇总，即席查询简单化。hive提供了一套QL的查询语言，以sql为基础，使用起来很方便。 

MapReduce：实现了MapReduce编程框架 

Pig：Pig是SQL-like语言，是在MapReduce上构建的一种高级查询语言，把一些运算编译进MapReduce模型的Map和Reduce中，并且用户可以定义自己的功能。Yahoo网格运算部门开发的又一个克隆Google的项目Sawzall。 

ZooKeeper：Zookeeper是Google的Chubby一个开源的实现。它是一个针对大型分布式系统的可靠协调系统，提供的功能包括：配置维护、名字服务、分布式同步、组服务等。ZooKeeper的目标就是封装好复杂易出错的关键服务，将简单易用的接口和性能高效、功能稳定的系统提供给用户。

HBase系统架构图

架构如下：

Client：HBase Client使用HBase的RPC机制与HMaster和HRegionServer进行通信，对于管理类操作，Client与HMaster进行RPC；对于数据读写类操作，Client与HRegionServer进行RPC 

Zookeeper ：Zookeeper Quorum中除了存储了-ROOT-表的地址和HMaster的地址，HRegionServer也会把自己以Ephemeral方式注册到 Zookeeper中，使得HMaster可以随时感知到各个HRegionServer的健康状态。此外，Zookeeper也避免了HMaster的单点问题，见下文描述 。

HMaster：HMaster没有单点问题，HBase中可以启动多个HMaster，通过Zookeeper的Master Election机制保证总有一个Master运行，HMaster在功能上主要负责Table和Region的管理工作： 
1. 管理用户对Table的增、删、改、查操作 
2. 管理HRegionServer的负载均衡，调整Region分布 
3. 在Region Split后，负责新Region的分配 
4. 在HRegionServer停机后，负责失效HRegionServer 上的Regions迁移 

HRegionServer：HRegionServer主要负责响应用户I/O请求，向HDFS文件系统中读写数据，是HBase中最核心的模块。 HRegionServer内部管理了一系列HRegion对象，每个HRegion对应了Table中的一个Region，HRegion中由多个HStore组成。每个HStore对应了Table中的一个Column Family的存储，可以看出每个Column Family其实就是一个集中的存储单元，因此最好将具备共同IO特性的column放在一个Column Family中，这样最高效。

HStore：HStore存储是HBase存储的核心了，其中由两部分组成。

一部分是 MemStore，一部分是StoreFiles。MemStore是Sorted Memory Buffer，用户写入的数据首先会放入MemStore，当MemStore满了以后会Flush成一个StoreFile（底层实现是HFile），当StoreFile文件数量增长到一定阈值，会触发Compact合并操作，将多个StoreFiles合并成一个StoreFile，合并过程中会进行版本合并和数据删除，因此可以看出HBase其实只有增加数据，所有的更新和删除操作都是在后续的compact过程中进行的，这使得用户的写操作只要进入内存中就可以立即返回，保证了HBase I/O的高性能。当StoreFiles Compact后，会逐步形成越来越大的StoreFile，当单个StoreFile大小超过一定阈值后，会触发Split操作，同时把当前 Region Split成2个Region，父Region会下线，新Split出的2个孩子Region会被HMaster分配到相应的HRegionServer 上，使得原先1个Region的压力得以分流到2个Region上。

HLog：HBase中WAL（Write Ahead Log） 的存储格式，物理上是Hadoop的Sequence File。 

在理解了上述 HStore的基本原理后，还必须了解一下HLog的功能，因为上述的HStore在系统正常工作的前提下是没有问题的，但是在分布式系统环境中，无法避免系统出错或者宕机，因此一旦HRegionServer意外退出，MemStore中的内存数据将会丢失，这就需要引入HLog了。每个 HRegionServer中都有一个HLog对象，HLog是一个实现Write Ahead Log的类，在每次用户操作写入MemStore的同时，也会写一份数据到HLog文件中（HLog文件格式见后续），HLog文件定期会滚动出新的，并删除旧的文件（已持久化到StoreFile中的数据）。当HRegionServer意外终止后，HMaster会通过Zookeeper感知到，HMaster首先会处理遗留的 HLog文件，将其中不同Region的Log数据进行拆分，分别放到相应region的目录下，然后再将失效的region重新分配，领取 到这些region的HRegionServer在Load Region的过程中，会发现有历史HLog需要处理，因此会Replay HLog中的数据到MemStore中，然后flush到StoreFiles，完成数据恢复。

HLog数据存储：HLog文件就是一个普通的Hadoop Sequence File，Sequence File 的Key是HLogKey对象，HLogKey中记录了写入数据的归属信息，除了table和region名字外，同时还包括 sequence number和timestamp，timestamp是“写入时间”，sequence number的起始值为0，或者是最近一次存入文件系统中sequence number。HLog Sequece File的Value是HBase的KeyValue对象，即对应HFile中的KeyValue

HFile数据存储：HBase中KeyValue数据的存储格式，HFile是Hadoop的二进制格式文件，实际上StoreFile就是对HFile做了轻量级包装，即StoreFile底层就是HFile。 

首先HFile文件是不定长的，长度固定的只有其中的两块：Trailer和FileInfo。Trailer中有指针指向其他数据块的起始点。

File Info中记录了文件的一些Meta信息，例如：AVG_KEY_LEN, AVG_VALUE_LEN, LAST_KEY, COMPARATOR, MAX_SEQ_ID_KEY等。

Data Index和Meta Index块记录了每个Data块和Meta块的起始点。 
Data Block是HBase I/O的基本单元，为了提高效率，HRegionServer中有基于LRU的Block Cache机制。每个Data块的大小可以在创建一个Table的时候通过参数指定，大号的Block有利于顺序Scan，小号Block利于随机查询。每个Data块除了开头的Magic以外就是一个个KeyValue对拼接而成, Magic内容就是一些随机数字，目的是防止数据损坏。后面会详细介绍每个KeyValue对的内部构造。 
HFile里面的每个KeyValue 对就是一个简单的byte数组。但是这个byte数组里面包含了很多项，并且有固定的结构。开始是两个固定长度的数值，分别表示Key的长度和Value 的长度。紧接着是Key，开始是固定长度的数值，表示RowKey的长度，紧接着是RowKey，然后是固定长度的数值，表示Family的长度，然后是 Family，接着是Qualifier，然后是两个固定长度的数值，表示Time Stamp和Key Type（Put/Delete）。Value部分没有这么复杂的结构，就是纯粹的二进制数据了。

HBase的逻辑模型

逻辑模型：


下面分别说说几个关键概念：

1）行键(RowKey)

-- 行键是字节数组, 任何字符串都可以作为行键；

-- 表中的行根据行键进行排序，数据按照Row key的字节序(byte order)排序存储；

-- 所有对表的访问都要通过行键 （单个RowKey访问，或RowKey范围访问，或全表扫描)

2）列族（ColumnFamily）

-- CF必须在表定义时给出

-- 每个CF可以有一个或多个列成员(ColumnQualifier)，列成员不需要在表定义时给出，新的列族成员可以随后按需、动态加入

-- 数据按CF分开存储，HBase所谓的列式存储就是根据CF分开存储（每个CF对应一个Store），这种设计非常适合于数据分析的情形

3）时间戳（TimeStamp）

-- 每个Cell可能又多个版本，它们之间用时间戳区分

4）单元格（Cell）

-- Cell 由行键，列族:限定符，时间戳唯一决定

-- Cell中的数据是没有类型的，全部以字节码形式存贮

5）区域(Region）

-- HBase自动把表水平（按Row）划分成多个区域(region)，每个region会保存一个表里面某段连续的数据；

-- 每个表一开始只有一个region，随着数据不断插入表，region不断增大，当增大到一个阀值的时候，region就会等分会两个新的region；

-- 当table中的行不断增多，就会有越来越多的region。这样一张完整的表被保存在多个Region 上。

-- HRegion是HBase中分布式存储和负载均衡的最小单元。最小单元表示不同的HRegion可以分布在不同的HRegionServer上。但一个HRegion不会拆分到多个server上。

HBase存储结构

HBase 是基于列的数据库，让我们看一下关系型数据库和hbase数据库存储的对比。

行式存储和列式存储对比：

1、行式存储

  • 数据是按行存储的
  • 没有索引的查询使用大量I/O
  • 建立索引和物化视图需要花费大量时间和资源
  • 面对查询的需求，数据库必须被大量膨胀才能满足性能要求

2、列式存储

  • 数据按列存储——每一列单独存放
  • 数据即是索引
  • 只访问查涉及的列——大量降低系统IO
  • 每一列由一个线索来处理——查询的并发处理
  • 数据类型一致，数据特征相似——高效压缩

从关系型数据库到HBase数据存储的变迁

传统关系型数据库(mysql，oracle)数据存储方式主要是个很典型的数据储存方式，我把每条记录分成3部分:主键、记录属性、索引字段。我们会对索引字段建立索引，达到二级索引的效果。

但是随着业务的发展，查询条件越来越复杂，需要更多的索引字段，且很多值都不存在，如果有6个索引字段，实际情况可能是上百个甚至更多，并且还需要根据多个索引字段刷选。查询性能越来越低，甚至无法满足查询要求。关系型数据里的局限也开始显现，于是很多人开始接触NoSQL。

列族数据库很强大，很多人就想把数据从mysql迁到hbase，存储的方式还是跟上图一样，主键为rowkey。其他各个字段的数据，存 储一个列族下的不同列。但是想对索引字段查询就没有办法，目前还没有比较好的基于bigtable的二级索引方案，所以无法对索引字段做查询。

这时候其实可以转换下思维，可以把数据倒过来，把各个索引字段的值作为rowkey，然后把记录的主键和属性值按照一定顺序存在对应rowkey的value里。上图只有一个列族，是最简单的方式。 Value里的记录可以设置成定长的byte[]，多个记录集合通过移位快速查询到。

但是上面只适合单个索引字段的查询。如果要同时对多个索引字段查询，上图的方式需要求取出所有value值，比如查询“浙江”and“手机”，需要取出两个value，再解析出各自的主键求交。如果每条记录的属性有上百个，对性能影响很大。

接下来的变化是解决多索引字段查询的问题。我们将主键字段和属性字段分开存储，储存在不同的列族下，多索引查询只需要取出列族1下的数据，再去最小集合的列族2里取得想要的值。

列族数据库数据文件是按照列族分的。在取数据时，都会把一个列族的所有列数据都取出来，事实上我们并不需要把记录明细取出来，所以把这部分数据放到了另一个列族下。

接下来是对列族2扩展，列族2储存更多的列，用来做各种刷选、计算处理。

HBase的ROOT和META表

相关内容可以参考：

http://greatwqs.iteye.com/blog/1838904

HBase适合场景

1、高速插入


HBase -ROOT-和.META.表结构

       在HBase中，大部分的操作都是在RegionServer完成的，Client端想要插入，删除，查询数据都需要先找到相应的RegionServer。什么叫相应的RegionServer？就是管理你要操作的那个Region的RegionServer。Client本身并不知道哪个RegionServer管理哪个Region，那么它是如何找到相应的RegionServer的？本文就是在研究源码的基础上揭秘这个过程。

在前面的文章“HBase存储架构”中我们已经讨论了HBase基本的存储架构。在此基础上我们引入两个特殊的概念：-ROOT-和.META.。这是什么？它们是HBase的两张内置表，从存储结构和操作方法的角度来说，它们和其他HBase的表没有任何区别，你可以认为这就是两张普通的表，对于普通表的操作对它们都适用。它们与众不同的地方是HBase用它们来存贮一个重要的系统信息——Region的分布情况以及每个Region的详细信息。

好了，既然我们前面说到-ROOT-和.META.可以被看作是两张普通的表，那么它们和其他表一样就应该有自己的表结构。没错，它们有自己的表结构，并且这两张表的表结构是相同的，在分析源码之后我将这个表结构大致的画了出来：

-ROOT-和.META.表结构

-ROOT-和.META.表结构

我们来仔细分析一下这个结构，每条Row记录了一个Region的信息。

首先是RowKey，RowKey由三部分组成：TableName, StartKey 和 TimeStamp。RowKey存储的内容我们又称之为Region的Name。哦，还记得吗？我们在前面的文章中提到的，用来存放Region的文件夹的名字是RegionName的Hash值，因为RegionName可能包含某些非法字符。现在你应该知道为什么RegionName会包含非法字符了吧，因为StartKey是被允许包含任何值的。将组成RowKey的三个部分用逗号连接就构成了整个RowKey，这里TimeStamp使用十进制的数字字符串来表示的。这里有一个RowKey的例子： 

Java代码   收藏代码
  1. Table1,RK10000,12345678  

 然后是表中最主要的Family：info，info里面包含三个Column：regioninfo, server, serverstartcode。其中regioninfo就是Region的详细信息，包括StartKey, EndKey 以及每个Family的信息等等。server存储的就是管理这个Region的RegionServer的地址。

所以当Region被拆分、合并或者重新分配的时候，都需要来修改这张表的内容。

到目前为止我们已经学习了必须的背景知识，下面我们要正式开始介绍Client端寻找RegionServer的整个过程。我打算用一个假想的例子来学习这个过程，因此我先构建了假想的-ROOT-表和.META.表。

我们先来看.META.表，假设HBase中只有两张用户表：Table1和Table2，Table1非常大，被划分成了很多Region，因此在.META.表中有很多条Row用来记录这些Region。而Table2很小，只是被划分成了两个Region，因此在.META.中只有两条Row用来记录。这个表的内容看上去是这个样子的： 

.META.行记录结构

.META.行记录结构

现在假设我们要从Table2里面插寻一条RowKey是RK10000的数据。那么我们应该遵循以下步骤：

1. 从.META.表里面查询哪个Region包含这条数据。

2. 获取管理这个Region的RegionServer地址。

3. 连接这个RegionServer, 查到这条数据。

好，我们先来第一步。问题是.META.也是一张普通的表，我们需要先知道哪个RegionServer管理了.META.表，怎么办？有一个方法，我们把管理.META.表的RegionServer的地址放到ZooKeeper上面不久行了，这样大家都知道了谁在管理.META.。

貌似问题解决了，但对于这个例子我们遇到了一个新问题。因为Table1实在太大了，它的Region实在太多了，.META.为了存储这些Region信息，花费了大量的空间，自己也需要划分成多个Region。这就意味着可能有多个RegionServer在管理.META.。怎么办？在ZooKeeper里面存储所有管理.META.的RegionServer地址让Client自己去遍历？HBase并不是这么做的。

HBase的做法是用另外一个表来记录.META.的Region信息，就和.META.记录用户表的Region信息一模一样。这个表就是-ROOT-表。这也解释了为什么-ROOT-和.META.拥有相同的表结构，因为他们的原理是一模一样的。

假设.META.表被分成了两个Region，那么-ROOT-的内容看上去大概是这个样子的：

-ROOT-行记录结构

-ROOT-行记录结构

这么一来Client端就需要先去访问-ROOT-表。所以需要知道管理-ROOT-表的RegionServer的地址。这个地址被存在ZooKeeper中。默认的路径是： 

Java代码   收藏代码
  1. /hbase/root-region-server  

 等等，如果-ROOT-表太大了，要被分成多个Region怎么办？嘿嘿，HBase认为-ROOT-表不会大到那个程度，因此-ROOT-只会有一个Region，这个Region的信息也是被存在HBase内部的。 

现在让我们从头来过，我们要查询Table2中RowKey是RK10000的数据。整个路由过程的主要代码在org.apache.hadoop.hbase.client.HConnectionManager.TableServers中： 

Java代码   收藏代码
  1. private HRegionLocation locateRegion(final byte[] tableName,  
  2.         final byte[] row, boolean useCache) throws IOException {  
  3.     if (tableName == null || tableName.length == 0) {  
  4.         throw new IllegalArgumentException("table name cannot be null or zero length");  
  5.     }  
  6.     if (Bytes.equals(tableName, ROOT_TABLE_NAME)) {  
  7.         synchronized (rootRegionLock) {  
  8.             // This block guards against two threads trying to find the root  
  9.             // region at the same time. One will go do the find while the  
  10.             // second waits. The second thread will not do find.  
  11.             if (!useCache || rootRegionLocation == null) {  
  12.                 this.rootRegionLocation = locateRootRegion();  
  13.             }  
  14.             return this.rootRegionLocation;  
  15.         }  
  16.     } else if (Bytes.equals(tableName, META_TABLE_NAME)) {  
  17.         return locateRegionInMeta(ROOT_TABLE_NAME, tableName, row, useCache, metaRegionLock);  
  18.     } else {  
  19.         // Region not in the cache – have to go to the meta RS  
  20.         return locateRegionInMeta(META_TABLE_NAME, tableName, row, useCache, userRegionLock);  
  21.     }  
  22. }  

 这是一个递归调用的过程： 

Java代码   收藏代码
  1. 获取Table2，RowKey为RK10000的RegionServer => 
  2. 获取.META.，RowKey为Table2,RK10000, 99999999999999的RegionServer => 
  3. 获取-ROOT-，RowKey为.META.,Table2,RK10000,99999999999999,99999999999999的RegionServer => 
  4. 获取-ROOT-的RegionServer => 
  5. 从ZooKeeper得到-ROOT-的RegionServer => 
  6. 从-ROOT-表中查到RowKey最接近（小于） .META.,Table2,RK10000,99999999999999,99999999999999的一条Row，并得到.META.的RegionServer => 
  7. 从.META.表中查到RowKey最接近（小于）Table2,RK10000, 99999999999999的一条Row，并得到Table2的RegionServer =>
  8. 从Table2中查到RK10000的Row  

 到此为止Client完成了路由RegionServer的整个过程，在整个过程中使用了添加“99999999999999”后缀并查找最接近（小于）RowKey的方法。对于这个方法大家可以仔细揣摩一下，并不是很难理解。

最后要提醒大家注意两件事情：

1. 在整个路由过程中并没有涉及到MasterServer，也就是说HBase日常的数据操作并不需要MasterServer，不会造成MasterServer的负担。

2. Client端并不会每次数据操作都做这整个路由过程，很多数据都会被Cache起来。至于如何Cache，则不在本文的讨论范围之内。

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