hbase数据写入流程深度解析

2019/3/28 星期四
hbase数据写入流程深度解析
在看此链接之前，可以写查看 hbase读写请求详细解释 中的写请求流程 https://blog.51cto.com/12445535/2356085

简介：
hbase设置之初就是为了应对大量的写多读少的应用，他出色的写性能，在一个100台RS的集群可以轻松地支撑每天10T的写入量。
hbase的写数据流程大体分为3部分
1、客户端的写入流程
2、服务端的写入流程
3、wal的工作原理

我们先回顾一下hbase写数据流程
写请求处理过程小结
1 client 向region server 提交写请求
2 region server 找到目标region
3 region 检查数据是否与schema 一致
4 如果客户端没有指定版本，则获取当前系统时间作为数据版本
5 将更新写入WAL log
6 将更新写入Memstore
7 判断Memstore 的是否需要flush 为Store 文件。

第一部分：客户端的写入流程
客户端流程解析：
1、用户提交put请求后，HBase客户端会将put请求添加到本地buffer中，符合一定条件就会通过AsyncProcess异步批量提交。
HBase默认设置autoflush=true，表示put请求直接会提交给服务器进行处理；
2、用户可以设置autoflush=false，这样的话put请求会首先放到本地buffer，等到本地buffer大小超过一定阈值（默认为2M，可以通过配置文件配置）之后才会提交。很显然，后者采用group commit机制提交请求，可以极大地提升写入性能，但是因为没有保护机制，如果客户端崩溃的话会导致提交的请求丢失。
//提示：
cdh集群中hbase默认是使用autoflush=false 也就是首先会把数据放在本地的buffer中
HBase 客户端写入缓冲
hbase.client.write.buffer = 2M //写入缓冲区大小（以字节为单位）。较大缓冲区需要客户端和服务器中有较大内存，因为服务器将实例化已通过的写入缓冲区并进行处理，这会降低远程过程调用 (RPC) 的数量。为了估计服务器已使用内存的数量，请用值“hbase.client.write.buffer”乘以“hbase.regionserver.handler.count”。
HBase Region Server 处理程序计数
hbase.regionserver.handler.count = 30 //RegionServer 中启动的 RPC 服务器实例数量
3、在提交给服务端之前，HBase会在元数据表.meta.中根据rowkey找到它们归属的region server，这个定位的过程是通过HConnection的locateRegion方法获得的。如果是批量请求的话还会把这些rowkey按照HRegionLocation分组，每个分组可以对应一次RPC请求。
4、HBase会为每个HRegionLocation构造一个远程RPC请求MultiServerCallable<Row>，然后通过rpcCallerFactory.<MultiResponse> newCaller()执行调用，忽略掉失败重新提交和错误处理，客户端的提交操作到此结束。

第二部分：服务端写入流程
服务端流程解析
（1）获取行锁、Region更新共享锁 -》（2）开始写事务 -》（3）写缓存memstore -》（4）构造waledit并append hlog - 》 （5）
释放行锁，共享锁 - 》 （6）sync hlog -》（7）结束写事务 - 》（8） flush memstore
//解释
（1）获取行锁、Region更新共享锁： HBase中使用行锁保证对同一行数据的更新都是互斥操作，用以保证更新的原子性，要么更新成功，要么失败。
（2）开始写事务：获取write number，用于实现MVCC，实现数据的非锁定读，在保证读写一致性的前提下提高读取性能。
（3）写缓存memstore：HBase中每列族都会对应一个store，用来存储该列数据。每个store都会有个写缓存memstore，用于缓存写入数据。HBase并不会直接将数据落盘，而是先写入缓存，等缓存满足一定大小之后再一起落盘。
（4）Append HLog：HBase使用WAL机制保证数据可靠性，即首先写日志再写缓存，即使发生宕机，也可以通过恢复HLog还原出原始数据。该步骤就是将数据构造为WALEdit对象，然后顺序写入HLog中，此时不需要执行sync操作。0.98版本采用了新的写线程模式实现HLog日志的写入，可以使得整个数据更新性能得到极大提升，具体原理见下一个章节。
（5）释放行锁以及共享锁
（6）Sync HLog：HLog真正sync到HDFS，在释放行锁之后执行sync操作是为了尽量减少持锁时间，提升写性能。如果Sync失败，执行回滚操作将memstore中已经写入的数据移除。
（7）结束写事务：此时该线程的更新操作才会对其他读请求可见，更新才实际生效。具体分析见文章《数据库事务系列－HBase行级事务模型》
（8）flush memstore：当写缓存满128M之后，会启动flush线程将数据刷新到硬盘。刷新操作涉及到HFile相关结构，后面会详细对此进行介绍。
//HBase Memstore 刷新大小
hbase.hregion.memstore.flush.size = 128M //如 memstore 大小超过此值（字节数），Memstore 将刷新到磁盘。通过运行由 hbase.server.thread.wakefrequency 指定的频率的线程检查此值。

//提示：
我们需要注意，在服务器端写数据的时候，有很多资料是先写到memstore中，再写到wal log中，但是，这样理解不是很准确，因为这好像，违背了wal log的容灾机制，所有，我们可以理解为
先写入到wal log中再写入到memstore中的 //这一步源码中并没有完全的体现出来，可以理解为同步进行。
理论上应该是先写wal log中，HBase这块实现是先写mem，后写WAL，hbase能够保证只有这两个都写完了用户才会可见（mvcc机制），而且如果mem写成功，wal写失败，mem会被回滚。
这样做之所以it’s ok，是由于MVCC来保证的，在每个写线程开启事务的开头就会创建全局递增的write num，但是在HLog更新完毕之后才会去向前推进（roll forward）全局读取点。
所以在此期间内，任何读取线程采用MVCC机制根据读取点读取数据，任何写入/更新操作在HLog未更新完毕之前是不会向前推进读取点的，因此即使数据已经写入memstore，对读线程也是不可见的。

第三部分：WAL机制解析
1、WAL(Write-Ahead Logging)是一种高效的日志算法，几乎是所有非内存数据库提升写性能的不二法门，
2、基本原理是在数据写入之前首先顺序写入日志，然后再写入缓存，等到缓存写满之后统一落盘。
3、之所以能够提升写性能，是因为WAL将一次随机写转化为了一次顺序写加一次内存写。
4、提升写性能的同时，WAL可以保证数据的可靠性，即在任何情况下数据不丢失。
5、假如一次写入完成之后发生了宕机，即使所有缓存中的数据丢失，也可以通过恢复日志还原出丢失的数据。

WAL持久化等级
HBase中可以通过设置WAL的持久化等级决定是否开启WAL机制、以及HLog的落盘方式。
WAL的持久化等级分为如下四个等级：

1. SKIP_WAL：只写缓存，不写HLog日志。这种方式因为只写内存，因此可以极大的提升写入性能，但是数据有丢失的风险。在实际应用过程中并不建议设置此等级，除非确认不要求数据的可靠性。

2. ASYNC_WAL：异步将数据写入HLog日志中。

3. SYNC_WAL：同步将数据写入日志文件中，需要注意的是数据只是被写入文件系统中，并没有真正落盘。

4. FSYNC_WAL：同步将数据写入日志文件并强制落盘。最严格的日志写入等级，可以保证数据不会丢失，但是性能相对比较差。

5. USER_DEFAULT：默认如果用户没有指定持久化等级，HBase使用SYNC_WAL等级持久化数据。

用户可以通过客户端设置WAL持久化等级，代码：put.setDurability(Durability. SYNC_WAL );
//cdh中
WAL 提供程序
hbase.wal.provider = //可选项为： //RegionServer 应用于提前写入日志的实施。
RegionServer Default Group
多个 HDFS WAL
单个 HDFS WAL
HBase 默认设置（Single HDFS WAL）

WAL HSM 存储策略
hbase.wal.storage.policy
RegionServer Default Group
所有副本都在 SSD 上
一个副本在 SSD 上，其他副本均在 HDD 上
无(全部在 HDD 上)

关于wal 和 hlog概念的的升入研究 见参考链接
//HLog的写入模型。HLog的写入可以分为三个阶段，首先将数据对<HLogKey,WALEdit>写入本地缓存，然后再将本地缓存写入文件系统，最后执行sync操作同步到磁盘。

参考链接：
http://hbasefly.com/2016/03/23/hbase_writer/