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【大数据存储与管理】分布式文件系统HDFS:06 HDFS的数据读写过程

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【作者主页】Francek Chen 【专栏介绍】

大数据技术原理与应用

专栏系统介绍大数据的相关知识,分为大数据基础篇、大数据存储与管理篇、大数据处理与分析篇、大数据应用篇。内容包含大数据概述、大数据处理架构Hadoop、分布式文件系统HDFS、分布式数据库HBase、NoSQL数据库、云数据库、MapReduce、Hadoop再探讨、数据仓库Hive、Spark、流计算、Flink、图计算、数据可视化,以及大数据在互联网领域、生物医学领域的应用和大数据的其他应用。 【GitCode】专栏资源保存在我的GitCode仓库:https://gitcode.com/Morse_Chen/BigData_principle_application。

文章目录

    • 一、读数据的过程
    • 二、写数据的过程
    • 小结

在介绍 HDFS 的数据读写过程之前,需要简单介绍一下相关的类。FileSystem 是一个通用文件系统的抽象基类,可以被分布式文件系统继承,所有可能使用 Hadoop 文件系统的代码都要使用到这个类。Hadoop 为 FileSystem 这个抽象类提供了多种具体的实现,DistributedFileSystem 就是 FileSystem 在 HDFS 中的实现。FileSystem 的 open()方法返回的是一个输入流 FSDataInputStream 对象,在 HDFS 中具体的输入流就是 DFSInputStream;FileSystem 中的 create()方法返回的是一个输出流 FSDataOutputStream 对象,在 HDFS 中具体的输出流就是 DFSOutputStream。

一、读数据的过程

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FSDataInputStream;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;

public class Chapter3 {
public static void main(String[] args) {
try {
Configuration conf = new Configuration();
conf.set("fs.defaultFS", "hdfs://localhost:9000");
conf.set("fs.hdfs.impl", "org.apache.hadoop.hdfs.DistributedFileSystem");
FileSystem fs = FileSystem.get(conf);
Path file = new Path("test");
FSDataInputStream getIt = fs.open(file);
BufferedReader d = new BufferedReader(new InputStreamReader(getIt));
String content = d.readLine(); // 读取文件一行
System.out.println(content);
d.close(); // 关闭文件
fs.close(); // 关闭hdfs
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

Configuration conf = new Configuration(); conf.set("fs.defaultFS","hdfs://localhost:9000"); conf.set("fs.hdfs.impl","org.apache.hadoop.hdfs.DistributedFileSystem");
FileSystem fs = FileSystem.get(conf);
FSDataInputStream in = fs.open(new Path(uri));
FSDataOutputStream out = fs.create(new Path(uri));

客户端连续调用 open()、read()、close()读取数据时,HDFS 内部的执行过程如下图1。

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图1 HDFS读数据的过程

  • 客户端通过 FileSystem.open() 打开文件,相应地,在 HDFS 中 DistributedFileSystem 具体实现了 FileSystem。因此,调用 open() 方法后,DistributedFileSystem 会创建输入流 FSData InputStream,对于 HDFS 而言,具体的输入流就是 DFSInputStream。
  • 在 DFSInputStream 的构造函数中,输入流通过 ClientProtocal.getBlockLocations() 远程调用名称节点,获得文件开始部分数据块的保存位置。对于该数据块,名称节点返回保存该数据块的所有数据节点的地址,同时根据距离客户端的远近对数据节点进行排序;然后,DistributedFileSystem 会利用 DFSInputStream 来实例化 FSDataInputStream,并返回给客户端,同时返回数据块的数据节点地址。
  • 获得输入流 FSDataInputStream 后,客户端调用 read() 方法开始读取数据。输入流根据前面的排序结果,选择距离客户端最近的数据节点建立连接并读取数据。
  • 数据从该数据节点读到客户端;当该数据块读取完毕时,FSDataInputStream 关闭和该数据节点的连接。
  • 输入流通过 getBlockLocations() 方法查找下一个数据块(如果客户端缓存中已经包含了该数据块的位置信息,就不需要调用该方法)。
  • 找到该数据块的最佳数据节点,读取数据。
  • 当客户端读取完数据的时候,调用 FSDataInputStream 的 close() 方法,关闭输入流。需要注意的是,在读取数据的过程中,如果客户端与数据节点通信时出现错误,就会尝试连接包含此数据块的下一个数据节点。
  • 二、写数据的过程

    import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
    import org.apache.hadoop.fs.FSDataOutputStream;
    import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
    import org.apache.hadoop.fs.Path;

    public class Chapter3 {
    public static void main(String[] args) {
    try {
    Configuration conf = new Configuration();
    conf.set("fs.defaultFS", "hdfs://localhost:9000");
    conf.set("fs.hdfs.impl", "org.apache.hadoop.hdfs.DistributedFileSystem");
    FileSystem fs = FileSystem.get(conf);
    byte[] buff = "Hello world".getBytes(); // 要写入的内容
    String filename = "test"; // 要写入的文件名
    FSDataOutputStream os = fs.create(new Path(filename));
    os.write(buff, 0, buff.length);
    System.out.println("Create:" + filename);
    os.close();
    fs.close();
    } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
    }
    }
    }

    客户端向 HDFS 写数据是一个复杂的过程,这里介绍一下在不发生任何异常的情况下,客户端连续调用 create()、write() 和 close() 时,HDFS 内部的执行过程见图2。

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    图2 HDFS写数据的过程

  • 客户端通过 FileSystem.create() 创建文件,相应地,在 HDFS 中 Distributed FileSystem 具体实现了 FileSystem。因此,调用 create() 方法后,DistributedFileSystem 会创建输出流 FSDataOutputStream,对于 HDFS 而言,具体的输出流就是 DFSOutputStream。
  • 然后,DistributedFileSystem 通过 RPC 远程调用名称节点,在文件系统的命名空间中创建一个新的文件。名称节点会执行一些检查,比如文件是否已经存在,客户端是否有权限创建文件等。检查通过之后,名称节点会构造一个新文件,并添加文件信息。远程方法调用结束后,DistributedFileSystem 会利用 DFSOutputStream 来实例化 FSDataOutputStream,并返回给客户端,客户端使用这个输出流写入数据。
  • 获得输出流 FSDataOutputStream 以后,客户端调用输出流的 write() 方法向 HDFS 中对应的文件写入数据。
  • 客户端向输出流 FSDataOutputStream 中写入的数据会首先被分成一个个的分包,这些分包被放入 DFSOutputStream 对象的内部队列。输出流 FSDataOutputStream 会向名称节点申请保存文件和副本数据块的若干个数据节点,这些数据节点形成一个数据流管道。队列中的分包最后被打包成数据包,发往数据流管道中的第 1 个数据节点,第 1 个数据节点将数据包发送给第 2 个数据节点,第 2 个数据节点将数据包发送给第 3 个数据节点,这样,数据包会流经管道上的各个数据节点。
  • 因为各个数据节点位于不同的机器上,数据需要通过网络发送。因此,为了保证所有数据节点的数据都是准确的,接收到数据的数据节点要向发送者发送“确认包”(ACK Packet)。确认包沿着数据流管道逆流而上,从数据流管道依次经过各个数据节点并最终发往客户端,当客户端收到应答时,它将对应的分包从内部队列移除。不断执行 3~5 步,直到数据全部写完。
  • 客户端调用 close() 方法关闭输出流,此时开始,客户端不会再向输出流中写入数据,所以,当 DFSOutputStream 对象内部队列中的分包都收到应答以后,就可以使用 ClientProtocol.complete() 方法通知名称节点关闭文件,完成一次正常的写文件过程。
  • 小结

    HDFS 读写数据时,读数据通过 FileSystem.open() 创建DFSInputStream,获取数据块位置,选择最近数据节点读取,读完关闭连接并查找下一数据块;写数据则通过 FileSystem.create() 创建 DFSOutputStream,远程调用名称节点创建文件,写入数据时分包放入队列,形成数据流管道传输,数据节点发送确认包,全部写完客户端调用 close() 关闭输出流,通知名称节点关闭文件,从而完成 HDFS 数据正常读写过程。

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