大数据存储利器 - Hbase 基础图解

由于疫情原因在家办公，导致很长一段时间没有更新内容，这次终于带来一篇干货,是一篇关于 Hbase架构原理 的分享。

Hbase 作为实时存储框架在大数据业务下承担着举足轻重的地位，可以说目前绝大多数大数据场景都离不开Hbase。

今天就先从 Hbase 基础入手，来说说 Hbase 经常用到却容易疏忽的基础知识。

本文主要结构总结如下：

Hbase 主从架构

Hbase 安装依靠 Hadoop 与 Zookeeper，网上有很多安装教程，安装比较简单，这里我们就着重看下 Habse 架构，如图：

可以从图中看出，Hbase 也是主从架构，其中 HMaster 为主，HRegionServer 为从。

Zookeeper 主要存储了Hbase中的元数据信息，如哪个表存储在哪个 HRegionServer 上；

HLog 是作为 Hbase 写数据前的日志记录；

BLockCache 作为读写数据的缓存；

HMaster：

• 负责新Region分配到指定HRegionServer

• 管理HRegionServer 间负载均衡，迁移 region

• 当HRegionServer 宕机，负责 region 迁移

HRegionserver：

• 响应客户端读写请求

• 管理Region

• 切分变大的 Region

Region：

• 一个 Region 对应一个 Table 表

• Hbase 存储的最小单元

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 HBase 表结构

Hbase 列式存储的结构与行式存储不同，它的表模型类似下图：

表中大致可以分为 rowKey 、列族 、版本号三大元素，列族下可以创建多个列，表中的每一个单元格又称为 cell，需要注意的是 cell 并不是只有一个数据，它可以有多个版本从而实现在同一rowkey ，同一列族， 同一列下存储多个数据。

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重点来了，有了上面的铺垫，接下来就可以进入正题部分了 ，下面我们来看下 Hbase 的架构原理。

Hbase 架构原理

1. Hbase 的存储原理

还回到上边的架构图，可以看到 一个 HRegionServer 上有多个 HRegion，一个 Region 实际上就对应了一张表，由于 region 的拆分机制，同一张表的数据可能不会在一个HRegionServer上， 但是一个 Region 肯定只存一张表的数据。

下面我们再看看 HRegion 里面的结构：

从图中我看可以看到以下几点：

• 一个region包含多个 store，其中 :

• 一个列族就划分成一个 store

• 如果一个表中只有1个列族，那么每一个region中只有一个store

• 如果一个表中只有N个列族，那么每一个region中有N个store

• 一个store里面只有一个memstore

• memstore 是一块内存，数据会先写进 memstore，然后再把数据刷到硬盘

• 一个store里面有很多的StoreFile，最后数据以很多 HFile 这种数据结构存在HDFS上

• StoreFile 是 Hfile 的抽象对象，说到StoreFile就等于HFile

• 每次 memsotre 刷新数据到磁盘，就生成对应的一个新的 HFile

2. Hbase 的读流程

在说读读写流程前，需要说明一下，整个 HBase集群，只有一张meta表（元数据信息表），此表只有一个region，该region数据保存在一个HRegionServer上 。

• 1、客户端首先与zk进行连接；从zk找到meta表的region位置，即meta表的数据存储在某一HRegionServer上；客户端与此HRegionServer建立连接，然后读取meta表中的数据；meta表中存储了所有用户表的region信息，我们可以通过scan  'hbase:meta'来查看meta表信息

• 2、根据要查询的namespace、表名和rowkey信息。找到写入数据对应的region信息

• 3、找到这个region对应的regionServer，然后发送请求

• 4、查找并定位到对应的region

• 5、先从memstore查找数据，如果没有，再从BlockCache上读取

• 一部分作为Memstore，主要用来写；

• 另外一部分作为BlockCache，主要用于读数据；

• HBase上Regionserver的内存分为两个部分

• 6、如果BlockCache中也没有找到，再到StoreFile上进行读取

• 从storeFile中读取到数据之后，不是直接把结果数据返回给客户端，而是把数据先写入到BlockCache中，目的是为了加快后续的查询；然后在返回结果给客户端。

3. Hbase 的写流程

• 1、客户端首先从zk找到meta表的region位置，然后读取meta表中的数据，meta表中存储了用户表的region信息

• 2、根据namespace、表名和rowkey信息。找到写入数据对应的region信息

• 3、找到这个region对应的regionServer，然后发送请求

• 4、把数据分别写到HLog（write ahead log）和memstore各一份

• write ahead log ：也称为WAL，类似mysql中的binlog,用来做灾难恢复时用，HLog记录数据的所有变更,一旦数据修改，就可以从log中进行恢复。

• 5、memstore达到阈值后把数据刷到磁盘，生成storeFile文件

• 6、删除HLog中的历史数据

4. Hbase 的 flush 与 compact 机制

概括来说，flush 是数据由 memstore 刷写到磁盘的过程，compact 是 磁盘文件合并的过程，如图所示：

flush 机制

flush 大致可以分为三个阶段，prepare 阶段，flush 阶段，commit 阶段：

• prepare 阶段

遍历当前 Region 中所有的 Memstore，将Memstore中当前数据集CellSkipListSet 做一个快照snapshot，之后创建一个新的CellSkipListSet，后期写入的数据都会写入新的CellSkipListSet中

• flush 阶段

遍历所有Memstore，将 prepare阶段生成的 snapshot 持久化为临时文件，临时文件会统一放到目录.tmp下。这个过程因为涉及到磁盘IO操作，因此相对比较耗时

• commit 阶段

遍历所有 Memstore，将 flush阶段生成的临时文件移到指定的ColumnFamily目录下，针对HFile生成对应的storefile和Reader，把storefile添加到HStore的storefiles列表中，最后再清空prepare阶段生成的snapshot 。

flush 的触发条件一般分为 memstore 级别，region 级别，regionServer 级别，HLog数量上限，具体配置可在官网文档中查询到。

compact 机制 

从图中可以看出 compact 合并机制，主要分为 小合并 、大合并两个阶段。

• minor compaction 小合并

将Store中多个HFile合并为一个HFile，一次Minor Compaction的结果是HFile数量减少并且合并出一个更大的StoreFile，这种合并的触发频率很高。

• major compaction 大合并

合并 Store 中所有的 HFile 为一个HFile，被删除的数据、TTL过期数据、版本号超过设定版本号的数据。合并频率比较低，默认7天执行一次，并且性能消耗非常大，建议生产关闭(设置为0)，在应用空闲时间手动触发。一般可以是手动控制进行合并，防止出现在业务高峰期。

5. Hbase 的 region 拆分 与 合并

region 的拆分

Q:

为什么要拆分 region 呢？

A:

region中存储的是大量的 rowkey 数据 ,当 region 中的数据条数过多， region 变得很大的时候,直接影响查询效率.因此当 region 过大的时候.hbase会拆分region , 这也是Hbase的一个优点 。

• region 拆分策略

0.94版本前默认切分策略，当region大小大于某个阈值(hbase.hregion.max.filesize=10G)之后就会触发切分，一个region等分为2个region。

0.94版本~2.0版本默认切分策略 ：根据拆分次数来判断触发拆分的条件

region split的计算公式是：

regioncount^3 * 128M * 2，当region达到该 size 的时候进行split

例如：

第一次split：1^3 * 256 = 256MB

第二次split：2^3 * 256 = 2048MB

第三次split：3^3 * 256 = 6912MB

第四次split：4^3 * 256 = 16384MB > 10GB，因此取较小的值10GB

后面每次split的size都是10GB了

• 预分区机制

当一个Hbase 表刚被创建的时候，Hbase默认的分配一个 region 给table。也就是说这个时候，所有的读写请求都会访问到同一个 regionServer 的同一个region中，这个时候就达不到负载均衡的效果了，集群中的其他 regionServer 就可能会处于比较空闲的状态。

为了解决这个问题，就有了 pre-splitting，也就是预分区机制,在创建table的时候就配置好，生成多个region，这样的好处就是可以优化数据读写效率；并且使用负载均衡机制，防止数据倾斜。

操作很简单，在创建表时，手动指定分区就好了：

create 'person','info1','info2',SPLITS => ['1000','2000','3000','4000']

region 的合并

Region的合并不是为了性能,  而是出于维护的目的 。

比如删除了大量的数据 ,这个时候每个Region都变得很小 ,存储多个 Region就浪费了 ,这个时候可以把Region合并起来，进而可以减少一些 Region 服务器节点，由此可见 region 的合并其实是为了更好的维护 Hbase 集群。

至此，正文内容就结束了，为了更好的梳理这些知识，我将文章中重要的部分都放到下面这张图中，方便以后总结查阅：

PS：后续文章更新方向除涉及大数据框架方向外，额外添加 C 语言和数据结构等计算机基础方向，敬请期待 ~