HDFS文件读写原理

Client（客户端）对HDFS中的数据进行读写操作，分别是Client从HDFS中查找数据，即为Read（读）数据；Client从HDFS中存储数据，即为Write（写）数据。下面我们对HDFS的读写流程进行详细的介绍。假设有一个文件1.txt文件，大小为300M，这样就划分出3个数据块，如图1所示。

图1 文件划分情况

下面，我们借助图1所示的文件，分别讲解HDFS文件读数据和写数据的原理。

1．HDFS写数据原理

在我们把文件上传到HDFS系统中，HDFS究竟是如何存储到集群中去的，又是如何创建备份的，接下来我们来学习客户端向HDFS中的写数据的流程，如图2所示。

图2 HDFS写数据流程

从图2可以看出，HDFS中的写数据流程可以分为12个步骤，具体如下：

（1） 客户端发起文件上传请求，通过RPC（远程过程调用）与NameNode建立通讯。

（2） NameNode检查元数据文件的系统目录树。

（3） 若系统目录树的父目录不存在该文件相关信息，返回客户端可以上传文件。

（4） 客户端请求上传第一个Block数据块，以及数据块副本的数量（可以自定义副本数量，也可以使用集群规划的副本数量）。

（5） NameNode检测元数据文件中DataNode信息池，找到可用的数据节点（DataNode_01，DataNode_02，DataNode_03）。

（6） 将可用的数据节点的IP地址返回给客户端。

（7） 客户端请求3台节点中的一台服务器DataNode_01，进行传送数据（本质上是一个RPC调用，建立管道Pipeline），DataNode_01收到请求会继续调用服务器DataNode_02，然后服务器DataNode_02调用服务器DataNode_03。

（8） DataNode之间建立Pipeline后，逐个返回建立完毕信息。

（9） 客户端与DataNode建立数据传输流，开始发送数据包（数据是以数据包形式进行发送）。

（10） 客户端向DataNode_01上传第一个Block数据块，是以Packet为单位（默认64K），发送数据块。当DataNode_01收到一个Packet就会传给DataNode_02，DataNode_02传给DataNode_03； DataNode_01每传送一个Packet都会放入一个应答队列等待应答。

（11） 数据被分割成一个个Packet数据包在Pipeline上依次传输，而在Pipeline反方向上，将逐个发送Ack（命令正确应答），最终由Pipeline中第一个DataNode节点DataNode_01将Pipeline的 Ack信息发送给客户端。

（12） DataNode返回给客户端，第一个Block块传输完成。客户端则会再次请求NameNode上传第二个Block块和第三块到服务器上，重复上面的步骤，直到3个Block都上传完毕。

小提示：

Hadoop在设计时考虑到数据的安全与高效，数据文件默认在HDFS上存放三份，存储策略为本地一份，同机架内其他某一节点上一份，不同机架的某一节点上一份。

Ack：检验数据完整性的信息。

2．HDFS读数据流程

在前面我们已经知道客户端向HDFS写数据的流程，接下来我们来学习客户端从HDFS中读数据的流程，如图3所示。

图3 HDFS读数据流程

从图3可以看出，HDFS中的读数据流程可以分为4个步骤，具体如下：

（1） 客户端向NameNode发起RPC请求，来获取请求文件Block数据块所在的位置。

（2） NameNode检测元数据文件，会视情况返回Block块信息或者全部Block块信息，对于每个Block块，NameNode都会返回含有该Block副本的DataNode地址。

（3） 客户端会选取排序靠前的DataNode来依次读取Block块（如果客户端本身就是DataNode，那么将从本地直接获取数据），每一个Block都会进行CheckSum（完整性验证），若文件不完整，则客户端会继续向NameNode获取下一批的Block列表，直到验证读取出来文件是完整的，则Block读取完毕。

（4） 客户端会把最终读取出来所有的Block块合并成一个完整的最终文件（例如：1.txt）。

小提示：

NameNode返回的DataNode地址，会按照集群拓扑结构得出DataNode与客户端的距离，然后进行排序。排序有两个规则：网络拓扑结构中距离客户端近的则靠前；心跳机制中超时汇报的DataNode状态为无效的，则排靠后。