概述

HDFS的产生背景和定义

HDFS 产生背景

随着数据量越来越大,在一个操作系统存不下所有的数据,那么就分配到更多的操作系统管理的磁盘中,但是不方便管理和维护,迫切需要一种系统来管理多台机器上的文件,这就是分布式文件管理系统。HDFS 只是分布式文件管理系统中的一种。

HDFS 定义

HDFS(Hadoop Distributed File System),它是一个文件系统,用于存储文件,通过目录树来定位文件;其次,它是分布式的,由很多服务器联合起来实现其功能,集群中的服务器有各自的角色。
HDFS 的使用场景:适合一次写入,多次读出的场景。一个文件经过创建、写入和关闭之后就不需要改变。

HDFS优缺点

优点

  1. 高容错性

  2. 适合处理大数据

  3. 可构建在廉价机器上,通过多副本机制,提高可靠性。

缺点

  1. 不适合低延时数据访问,比如毫秒级的存储数据,是做不到的。

  2. 无法高效的对大量小文件进行存储。
    (1)存储大量小文件的话,它会占用NameNode大量的内存来存储文件目录和块信息。这样是不可取的,因为NameNode的内存总是有限的;
    (2)小文件存储的寻址时间会超过读取时间,它违反了HDFS的设计目标。

  3. 不支持并发写入、文件随机修改。
    (1)一个文件只能有一个写,不允许多个线程同时写;
    (2)仅支持数据append(追加),不支持文件的随机修改。

组成

(1) NameNode(nn):就是Master,它是一个主管、管理者。

  • 管理HDFS的名称空间;
  • 配置副本策略;
  • 管理数据块(Block)映射信息;
  • 处理客户端读写请求。

(2) DataNode:就是Slave。NameNode下达命令,DataNode执行实际的操作。

  • 存储实际的数据块;
  • 执行数据块的读/写操作

(3) Client:就是客户端。

  • 文件切分。文件上传HDFS的时候,Client将文件切分成一个一个的Block,然后进行上传;
  • 与NameNode交互,获取文件的位置信息;
  • 与DataNode交互,读取或者写入数据;
  • Client提供一些命令来管理HDFS,比如NameNode格式化;
  • Client可以通过一些命令来访问HDFS,比如对HDFS增删查改操作

(4) Secondary NameNode:并非NameNode的热备。当NameNode挂掉的时候,它并不能马上替换NameNode并提供服务。

  • 辅助NameNode,分担其工作量,比如定期合并Fsimage和Edits,并推送给NameNode ;
  • 在紧急情况下,可辅助恢复NameNode。

HDFS文件块大小

HDFS中的文件在物理上是分块存储(Block),块的大小可以通过配置参数( dfs.blocksize)来规定,默认大小在Hadoop2.x/3.x版本中是128M,1.x版本中是64M。

思考:为什么块的大小不能设置太小,也不能设置太大?

(1)HDFS的块设置太小,会增加寻址时间,程序一直在找块的开始位置;
(2)如果块设置的太大,从磁盘传输数据的时间会明显大于定位这个块开始位置所需的时间。导致程序在处理这块数据时,会非常慢。

总结:HDFS块的大小设置主要取决于磁盘传输速率。

HDFS的Shell相关操作 (开发重点)

基本语法

hadoop fs 具体命令 OR hdfs dfs 具体命令
两个是完全相同的。

命令大全

[root@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ bin/hadoop fs
[-appendToFile <localsrc> ... <dst>]
[-cat [-ignoreCrc] <src> ...]
[-chgrp [-R] GROUP PATH...]
[-chmod [-R] <MODE[,MODE]... | OCTALMODE> PATH...]
[-chown [-R] [OWNER][:[GROUP]] PATH...]
[-copyFromLocal [-f] [-p] <localsrc> ... <dst>]
[-copyToLocal [-p] [-ignoreCrc] [-crc] <src> ... <localdst>]
[-count [-q] <path> ...]
[-cp [-f] [-p] <src> ... <dst>]
[-df [-h] [<path> ...]]
[-du [-s] [-h] <path> ...]
[-get [-p] [-ignoreCrc] [-crc] <src> ... <localdst>]
[-getmerge [-nl] <src> <localdst>]
[-help [cmd ...]]
[-ls [-d] [-h] [-R] [<path> ...]]
[-mkdir [-p] <path> ...]
[-moveFromLocal <localsrc> ... <dst>]
[-moveToLocal <src> <localdst>]
[-mv <src> ... <dst>]
[-put [-f] [-p] <localsrc> ... <dst>]
[-rm [-f] [-r|-R] [-skipTrash] <src> ...]
[-rmdir [--ignore-fail-on-non-empty] <dir> ...]
<acl_spec> <path>]]
[-setrep [-R] [-w] <rep> <path> ...]
[-stat [format] <path> ...]
[-tail [-f] <file>]
[-test -[defsz] <path>]
[-text [-ignoreCrc] <src> ...]

常用的命令实操

准备工作

  1. 启动Hadoop集群
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ sbin/start-dfs.sh
    [hdfs@hadoop103 hadoop-3.1.3]$ sbin/start-yarn.sh
  2. -help:输出这个命令参数
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -help rm
  3. 创建/sanguo 文件夹
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mkdir /sanguo

上传

  1. -moveFromLocal:从本地剪切粘贴到 HDFS

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim shuguo.txt
    输入:
    shuguo
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -moveFromLocal ./shuguo.txt /sanguo
  2. -copyFromLocal:从本地文件系统中拷贝文件到 HDFS 路径去

    [atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim weiguo.txt
    输入:
    weiguo
    [atguigu@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -copyFromLocal weiguo.txt /sanguo
  3. -put:等同于 copyFromLocal,生产环境更习惯用 put

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim wuguo.txt
    输入:
    wuguo
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -put ./wuguo.txt /sanguo
  4. -appendToFile:追加一个文件到已经存在的文件末尾

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ vim liubei.txt
    输入:
    liubei
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -appendToFile liubei.txt /sanguo/shuguo.txt

下载

  1. -copyToLocal:从 HDFS 拷贝到本地

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -copyToLocal /sanguo/shuguo.txt ./
  2. -get:等同于 copyToLocal,生产环境更习惯用 get

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -get /sanguo/shuguo.txt ./shuguo2.txt

HDFS 直接操作

  1. -ls: 显示目录信息

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -ls /sanguo
  2. -cat:显示文件内容

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -cat /sanguo/shuguo.txt
  3. -chgrp、-chmod、-chown:Linux 文件系统中的用法一样,修改文件所属权限

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -chmod 666 /sanguo/shuguo.txt
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -chown hdfs:hdfs /sanguo/shuguo.txt
  4. -mkdir:创建路径

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mkdir /jinguo
  5. -cp:从 HDFS 的一个路径拷贝到 HDFS 的另一个路径

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -cp /sanguo/shuguo.txt /jinguo
  6. -mv:在 HDFS 目录中移动文件

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mv /sanguo/wuguo.txt /jinguo
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -mv /sanguo/weiguo.txt /jinguo
  7. -tail:显示一个文件的末尾 1kb 的数据

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -tail /jinguo/shuguo.txt
  8. -rm:删除文件或文件夹

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -rm /sanguo/shuguo.txt
  9. -rm -r:递归删除目录及目录里面内容

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -rm -r /sanguo
  10. -du 统计文件夹的大小信息

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -du -s -h /jinguo
    27 81 /jinguo
    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -du -h /jinguo
    14 42 /jinguo/shuguo.txt
    7 21 /jinguo/weiguo.txt
    6 18 /jinguo/wuguo.tx
  11. -setrep:设置 HDFS 中文件的副本数量

    [hdfs@hadoop102 hadoop-3.1.3]$ hadoop fs -setrep 10 /jinguo/shuguo.txt

    这里设置的副本数只是记录在 NameNode 的元数据中,是否真的会有这么多副本,还得看 DataNode 的数量。因为目前只有 3 台设备,最多也就 3个副本,只有节点数的增加到 10台时,副本数才能达到 10。

HDFS的客户端API操作

window下的环境准备

  1. 找到资料包路径下的 Windows 依赖文件夹,拷贝 hadoop-3.1.0 到非中文路径(比如 d:\)【建议】。

  2. 配置HADOOP_HOME环境变量

  3. 配置 Path 环境变量。
    注意:如果环境变量不起作用,可以重启电脑试试。

    %HADOOP_HOME%\bin

  4. 在 IDEA 中创建一个 Maven 工程 HdfsClientDemo,并导入相应的依赖坐标+日志添加

    <dependencies>
    <dependency>
    <groupId>org.apache.hadoop</groupId>
    <artifactId>hadoop-client</artifactId>
    <version>3.1.3</version>
    </dependency>
    <dependency>
    <groupId>junit</groupId>
    <artifactId>junit</artifactId>
    <version>4.12</version>
    </dependency>
    <dependency>
    <groupId>org.slf4j</groupId>
    <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>
    <version>1.7.30</version>
    </dependency>
    </dependencies>

    在项目的 src/main/resources 目录下,新建一个文件,命名为"log4j.properties",在文件中填入

    log4j.rootLogger=INFO, stdout 
    log4j.appender.stdout=org.apache.log4j.ConsoleAppender
    log4j.appender.stdout.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
    log4j.appender.stdout.layout.ConversionPattern=%d %p [%c] - %m%n
    log4j.appender.logfile=org.apache.log4j.FileAppender
    log4j.appender.logfile.File=target/spring.log
    log4j.appender.logfile.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
    log4j.appender.logfile.layout.ConversionPattern=%d %p [%c] - %m%n
  5. 创建包名:com.atguigu.hdfs

  6. 创建 HdfsClient 类

    package com.atgui.hdfs;

    import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
    import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
    import org.apache.hadoop.fs.Path;
    import org.junit.Test;

    import java.io.IOException;
    import java.net.URI;
    import java.net.URISyntaxException;

    public class HdfsClient {
    @Test
    public void testMkdirs() throws IOException, URISyntaxException, InterruptedException {
    // 1 获取文件系统

    Configuration configuration = new Configuration();
    // FileSystem fs = FileSystem.get(newURI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration);
    FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration,"zzf");
    // 2 创建目录
    fs.mkdirs(new Path("/xiyou/huaguoshan/"));
    // 3 关闭资源
    fs.close();
    }
    }

    客户端去操作 HDFS 时,是有一个用户身份的。默认情况下,HDFS 客户端 API 会从采用 Windows 默认用户访问 HDFS,会报权限异常错误。所以在访问 HDFS 时,一定要配置用户。

    org.apache.hadoop.security.AccessControlException: Permission denied: user=56576, access=WRITE, inode="/xiyou/huaguoshan":atguigu:supergroup:drwxr-xr-x

HDFS的API案例实操

HDFS文件上传(测试参数优先级)

  1. 编写源代码

    /**
    * HDFS文件上传
    * @throws IOException
    * @throws InterruptedException
    * @throws URISyntaxException
    */
    @Test
    public void testCopyFromLocalFile() throws IOException, InterruptedException, URISyntaxException {
    // 1 获取文件系统
    Configuration configuration = new Configuration();
    configuration.set("dfs.replication", "2");
    FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"), configuration, "zzf");
    // 2 上传文件
    fs.copyFromLocalFile(new Path("C:\\Users\\BHY\\Desktop\\sunwukong.txt"), new Path("/xiyou/huaguoshan"));
    // 3 关闭资源
    fs.close();
    }
  2. 将 hdfs-site.xml 拷贝到项目的 resources 资源目录下

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
    <?xml-stylesheet type="text/xsl" href="configuration.xsl"?>
    <configuration>
    <property>
    <name>dfs.replication</name>
    <value>1</value>
    </property>
    </configuration>
  3. 参数优先级
    参数优先级排序:(1)客户端代码中设置的值 >(2)ClassPath 下的用户自定义配置文件 >(3)然后是服务器的自定义配置(xxx-site.xml)>(4)服务器的默认配置(xxx-default.xml)

HDFS 文件下载

/**
* 下载文件
* @throws IOException
* @throws InterruptedException
* @throws URISyntaxException
*/
@Test
public void testCopyToLocalFile() throws IOException,
InterruptedException, URISyntaxException{
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"),
configuration, "zzf");

// 2 执行下载操作
// boolean delSrc 指是否将原文件删除
// Path src 指要下载的文件路径
// Path dst 指将文件下载到的路径
// boolean useRawLocalFileSystem 是否开启文件校验
fs.copyToLocalFile(false,
new Path("/xiyou/huaguoshan/sunwukong.txt"),
new Path("C:\\Users\\BHY\\Desktop\\sunwukong2.txt"),
true);

// 3 关闭资源
fs.close();
}

注意:如果执行上面代码,下载不了文件,有可能是你电脑的微软支持的运行库少,需要安装一下微软运行库。

HDFS 文件更名和移动

/**
* 更名或移动文件
* @throws IOException
* @throws InterruptedException
* @throws URISyntaxException
*/
@Test
public void testRename() throws IOException, InterruptedException,
URISyntaxException{
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"),
configuration, "zzf");
// 2 修改文件名称
fs.rename(new Path("/xiyou/huaguoshan/sunwukong.txt"), new
Path("/xiyou/huaguoshan/meihouwang.txt"));
// 3 关闭资源
fs.close();
}

HDFS 删除文件和目录

/**
* 删除文件
* @throws IOException
* @throws InterruptedException
* @throws URISyntaxException
*/
@Test
public void testDelete() throws IOException, InterruptedException,
URISyntaxException{
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"),
configuration, "zzf");
// 2 执行删除
fs.delete(new Path("/xiyou"), true);
// 3 关闭资源
fs.close();
}

HDFS 文件详情查看

查看文件名称、权限、长度、块信息

/**
* HDFS 文件详情查看
* @throws IOException
* @throws InterruptedException
* @throws URISyntaxException
*/
@Test
public void testListFiles() throws IOException, InterruptedException,
URISyntaxException {
// 1 获取文件系统
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"),
configuration, "zzf");
// 2 获取文件详情
RemoteIterator<LocatedFileStatus> listFiles = fs.listFiles(new Path("/"), true);
while (listFiles.hasNext()) {
LocatedFileStatus fileStatus = listFiles.next();
System.out.println("========" + fileStatus.getPath() + "=========");
System.out.println(fileStatus.getPermission());
System.out.println(fileStatus.getOwner());
System.out.println(fileStatus.getGroup());
System.out.println(fileStatus.getLen());
System.out.println(fileStatus.getModificationTime());
System.out.println(fileStatus.getReplication());
System.out.println(fileStatus.getBlockSize());
System.out.println(fileStatus.getPath().getName());
// 获取块信息
BlockLocation[] blockLocations = fileStatus.getBlockLocations();
System.out.println(Arrays.toString(blockLocations));
}
// 3 关闭资源
fs.close();
}

HDFS 文件和文件夹判断

/**
* HDFS 文件和文件夹判断
* @throws IOException
* @throws InterruptedException
* @throws URISyntaxException
*/
@Test
public void testListStatus() throws IOException, InterruptedException,
URISyntaxException{
// 1 获取文件配置信息
Configuration configuration = new Configuration();
FileSystem fs = FileSystem.get(new URI("hdfs://hadoop102:8020"),
configuration, "zzf");
// 2 判断是文件还是文件夹
FileStatus[] listStatus = fs.listStatus(new Path("/"));
for (FileStatus fileStatus : listStatus) {
// 如果是文件
if (fileStatus.isFile()) {
System.out.println("f:"+fileStatus.getPath().getName());
}else {
System.out.println("d:"+fileStatus.getPath().getName());
}
}
// 3 关闭资源
fs.close();
}

HDFS的读写流程(面试重点)

HDFS写数据流程

剖析文件写入

  1. 客户端通过 Distributed FileSystem 模块向 NameNode 请求上传文件,NameNode 检查目标文件是否已存在,父目录是否存在。
  2. NameNode 返回是否可以上传。
  3. 客户端请求第一个 Block 上传到哪几个 DataNode 服务器上。
  4. NameNode 返回 3 个 DataNode 节点,分别为 dn1、dn2、dn3。
  5. 客户端通过 FSDataOutputStream 模块请求 dn1 上传数据,dn1 收到请求会继续调用dn2,然后 dn2 调用 dn3,将这个通信管道建立完成。
  6. dn1、dn2、dn3 逐级应答客户端。
  7. 客户端开始往 dn1 上传第一个 Block(先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存),以 Packet 为单位,dn1 收到一个 Packet 就会传给 dn2,dn2 传给 dn3;dn1 每传一个packet会放入一个应答队列等待应答。
  8. 当一个 Block 传输完成之后,客户端再次请求 NameNode 上传第二个 Block 的服务器。(重复执行 3-7 步)。

网络拓扑-节点距离计算

在 HDFS 写数据的过程中,NameNode 会选择距离待上传数据最近距离的 DataNode 接收数据。那么这个最近距离怎么计算呢
节点距离:两个节点到达最近的共同祖先的距离总和。

HDFS读数据流程

  1. 客户端通过 DistributedFileSystem 向 NameNode 请求下载文件,NameNode 通过查询元数据,找到文件块所在的 DataNode 地址。
  2. 挑选一台 DataNode(就近原则,然后随机)服务器,请求读取数据。
  3. DataNode 开始传输数据给客户端(从磁盘里面读取数据输入流,以 Packet 为单位来做校验)。
  4. 客户端以 Packet 为单位接收,先在本地缓存,然后写入目标文件。

NameNode 和 SecondaryNameNode

NN 和 2NN 工作机制

思考:NameNode 中的元数据是存储在哪里的?

首先,我们做个假设,如果存储在 NameNode 节点的磁盘中,因为经常需要进行随机访问,还有响应客户请求,必然是效率过低。因此,元数据需要存放在内存中。但如果只存在内存中,一旦断电,元数据丢失,整个集群就无法工作了。因此产生在磁盘中备份元数据的FsImage。

这样又会带来新的问题,当在内存中的元数据更新时,如果同时更新 FsImage,就会导致效率过低,但如果不更新,就会发生一致性问题,一旦 NameNode 节点断电,就会产生数据丢失。因此,引入 Edits 文件(只进行追加操作,效率很高)。每当元数据有更新或者添加元据时,修改内存中的元数据并追加到 Edits 中。这样,一旦 NameNode 节点断电,可以通过 FsImage 和 Edits 的合并,合成元数据。

但是,如果长时间添加数据到 Edits 中,会导致该文件数据过大,效率降低,而且一旦断电,恢复元数据需要的时间过长。因此,需要定期进行 FsImage 和 Edits 的合并,如果这个操作由NameNode节点完成,又会效率过低。因此,引入一个新的节点SecondaryNamenode,专门用于 FsImage 和 Edits 的合并。

  1. 第一阶段:NameNode 启动
    (1)第一次启动 NameNode 格式化后,创建 Fsimage 和 Edits 文件。如果不是第一次启动,直接加载编辑日志和镜像文件到内存。
    (2)客户端对元数据进行增删改的请求。
    (3)NameNode 记录操作日志,更新滚动日志。
    (4)NameNode 在内存中对元数据进行增删改。

  2. 第二阶段:Secondary NameNode 工作
    (1)Secondary NameNode 询问 NameNode 是否需要 CheckPoint。直接带回 NameNode是否检查结果。
    (2)Secondary NameNode 请求执行 CheckPoint。
    (3)NameNode 滚动正在写的 Edits 日志。
    (4)将滚动前的编辑日志和镜像文件拷贝到 Secondary NameNode。
    (5)Secondary NameNode 加载编辑日志和镜像文件到内存,并合并。
    (6)生成新的镜像文件 fsimage.chkpoint。
    (7)拷贝 fsimage.chkpoint 到 NameNode。
    (8)NameNode 将 fsimage.chkpoint 重新命名成 fsimage。

CheckPoint 时间设置

Datanode工作机制