hbase~工作原理

HBase 的工作原理图

在上面的图中，我们需要注意几个我们之前没有提到的概念：Store、MemStore、StoreFile 以及 HFile。带着这几个新的概念，我们完整的梳理下整个 HBase 的工作流程。

首先我们需要知道 HBase 的集群是通过 Zookeeper 来进行机器之前的协调，也就是说 HBase Master 与 Region Server 之间的关系是依赖 Zookeeper 来维护。当一个 Client 需要访问 HBase 集群时，Client 需要先和 Zookeeper 来通信，然后才会找到对应的 Region Server。每一个 Region Server 管理着很多个 Region。对于 HBase 来说，Region 是 HBase 并行化的基本单元。因此，数据也都存储在 Region 中。这里我们需要特别注意，每一个 Region 都只存储一个 Column Family 的数据，并且是该 CF 中的一段（按 Row 的区间分成多个 Region）。Region 所能存储的数据大小是有上限的，当达到该上限时（Threshold），Region 会进行分裂，数据也会分裂到多个 Region 中，这样便可以提高数据的并行化，以及提高数据的容量。每个 Region 包含着多个 Store 对象。每个 Store 包含一个 MemStore，和一个或多个 HFile。MemStore 便是数据在内存中的实体，并且一般都是有序的。当数据向 Region 写入的时候，会先写入 MemStore。当 MemStore 中的数据需要向底层文件系统倾倒（Dump）时（例如 MemStore 中的数据体积到达 MemStore 配置的最大值），Store 便会创建 StoreFile，而 StoreFile 就是对 HFile 一层封装。所以 MemStore 中的数据会最终写入到 HFile 中，也就是磁盘 IO。由于 HBase 底层依靠 HDFS，因此 HFile 都存储在 HDFS 之中。这便是整个 HBase 工作的原理简述。

我们了解了 HBase 大致的工作原理，那么在 HBase 的工作过程中，如何保证数据的可靠性呢？带着这个问题，我们理解下 HLog 的作用。HBase 中的 HLog 机制是 WAL 的一种实现，而 WAL（一般翻译为预写日志）是事务机制中常见的一致性的实现方式。每个 Region Server 中都会有一个 HLog 的实例，Region Server 会将更新操作（如 Put，Delete）先记录到 WAL（也就是 HLog）中，然后将其写入到 Store 的 MemStore，最终 MemStore 会将数据写入到持久化的 HFile 中（MemStore 到达配置的内存阀值）。这样就保证了 HBase 的写的可靠性。如果没有 WAL，当 Region Server 宕掉的时候，MemStore 还没有写入到 HFile，或者 StoreFile 还没有保存，数据就会丢失。或许有的读者会担心 HFile 本身会不会丢失，这是由 HDFS 来保证的。在 HDFS 中的数据默认会有 3 份。因此这里并不考虑 HFile 本身的可靠性。

HFile介绍

前面，我们很多次提到了 HFile，也就是 HBase 持久化的存储文件。也许有的读者还不能完全理解 HFile，这里我们便详细的看看 HFile 的结构，如下图。

从图中我们可以看到 HFile 由很多个数据块（Block）组成，并且有一个固定的结尾块。其中的数据块是由一个 Header 和多个 Key-Value 的键值对组成。在结尾的数据块中包含了数据相关的索引信息，系统也是通过结尾的索引信息找到 HFile 中的数据。HFile 中的数据块大小默认为 64KB。如果访问 HBase 数据库的场景多为有序的访问，那么建议将该值设置的大一些。如果场景多为随机访问，那么建议将该值设置的小一些。一般情况下，通过调整该值可以提高 HBase 的性能。

如果要用很短的一句话总结 HBase，我们可以认为 HBase 就是一个有序的多维 Map，其中每一个 Row-key 映射了许多数据，这些数据存储在 CF 中的 Column。我们可以用下图来表示这句话。

HBase 的数据映射关系

HBase 的使用建议

之前介绍了很多 HBase 与 RDBMS 的区别，以及一些优势的地方。那么什么时候最需要 HBase，或者说 HBase 是否可以替代原有的 RDBMS？对于这个问题，我们必须时刻谨记——HBase 并不适合所有问题，其设计目标并不是替代 RDBMS，而是对 RDBMS 的一个重要补充，尤其是对大数据的场景。当需要考量 HBase 作为一个备选项时，我们需要进行如下的调研工作。

首先，要确信有足够多数据，如果有上亿或上千亿行数据，HBase 才会是一个很好的备选。其次，需要确信业务上可以不依赖 RDBMS 的额外特性，例如，列数据类型, 二级索引，SQL 查询语言等。再而，需要确保有足够硬件。且不说 HBase，一般情况下当 HDFS 的集群小于 5 个数据节点时，也干不好什么事情 (HDFS 默认会将每一个 Block 数据备份 3 分)，还要加上一个 NameNode。

以下我给了一些使用 HBase 时候对表格设计的一些建议，读者也可以理解背后的含义。不过我并不希望这些建议成为使用 HBase 的教条，毕竟也有不尽合理的地方。首先，一个 HBase 数据库是否高效，很大程度会和 Row-Key 的设计有关。因此，如何设计 Row-key 是使用 HBase 时，一个非常重要的话题。随着数据访问方式的不同，Row-Key 的设计也会有所不同。不过概括起来的宗旨只有一个，那就是尽可能选择一个 Row-Key，可以使你的数据均匀的分布在集群中。这也很容易理解，因为 HBase 是一个分布式环境，Client 会访问不同 Region Server 获取数据。如果数据排布均匀在不同的多个节点，那么在批量的 Client 便可以从不同的 Region Server 上获取数据，而不是瓶颈在某一个节点，性能自然会有所提升。对于具体的建议我们一般有几条：

1. 当客户端需要频繁的写一张表，随机的 RowKey 会获得更好的性能。
2. 当客户端需要频繁的读一张表，有序的 RowKey 则会获得更好的性能。
3. 对于时间连续的数据（例如 log），有序的 RowKey 会很方便查询一段时间的数据（Scan 操作）。

上面我们谈及了对 Row-Key 的设计，接着我们需要想想是否 Column Family 也会在不同的场景需要不同的设计方案呢。答案是肯定的，不过 CF 跟 Row-key 比较的话，确实也简单一些，但这并不意味着 CF 的设计就是一个琐碎的话题。在 RDBMS（传统关系数据库）系统中，我们知道如果当用户的信息分散在不同的表中，便需要根据一个 Key 进行 Join 操作。而在 HBase 中，我们需要设计 CF 来聚合用户所有相关信息。简单来说，就是需要将数据按类别（或者一个特性）聚合在一个或多个 CF 中。这样，便可以根据 CF 获取这类信息。上面，我们讲解过一个 Region 对应于一个 CF。那么设想，如果在一个表中定义了多个 CF 时，就必然会有多个 Region。当 Client 查询数据时，就不得不查询多个 Region。这样性能自然会有所下降，尤其当 Region 夸机器的时候。因此在大多数的情况下，一个表格不会超过 2 到 3 个 CF，而且很多情况下都是 1 个 CF 就足够了。

参考：https://developer.ibm.com/zh/articles/ba-cn-bigdata-hbase/

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