hbase系统架构图以及各部分的功能作用，物理存储，HBase寻址机制，读写过程，Regin管理，Master工作机制

1.1 hbase内部原理

1.1.1 系统架构

Client
1 包含访问hbase的接口，client维护着一些cache来加快对hbase的访问，比如regione的位置信息。

Zookeeper
1 保证任何时候，集群中只有一个master
2 存贮所有Region的寻址入口—-root表在哪台服务器上。
3 实时监控Region Server的状态，将Region server的上线和下线信息实时通知给Master
4 存储Hbase的schema,包括有哪些table，每个table有哪些column family

Master职责
1 为Region server分配region
2 负责region server的负载均衡
3 发现失效的region server并重新分配其上的region
4 HDFS上的垃圾文件回收
5 处理schema更新请求

Region Server职责
1 Region server维护Master分配给它的region，处理对这些region的IO请求
2 Region server负责切分在运行过程中变得过大的region
可以看到，client访问hbase上数据的过程并不需要master参与（寻址访问zookeeper和region server，数据读写访问regione server），master仅仅维护者table和region的元数据信息，负载很低。

1.1.2 物理存储

1、整体结构

1 Table中的所有行都按照row key的字典序排列。
2 Table 在行的方向上分割为多个Hregion。

3 region按大小分割的(默认10G)，每个表一开始只有一个region，随着数据不断插入表，region不断增大，当增大到一个阀值的时候，Hregion就会等分会两个新的Hregion。当table中的行不断增多，就会有越来越多的Hregion。

4 Hregion是Hbase中分布式存储和负载均衡的最小单元。最小单元就表示不同的Hregion可以分布在不同的HRegion server上。但一个Hregion是不会拆分到多个server上的。

5 HRegion虽然是负载均衡的最小单元，但并不是物理存储的最小单元。
事实上，HRegion由一个或者多个Store组成，每个store保存一个column family。
每个Strore又由一个memStore和0至多个StoreFile组成。如上图

2、STORE FILE & HFILE结构
StoreFile以HFile格式保存在HDFS上。

附：HFile的格式为：

首先HFile文件是不定长的，长度固定的只有其中的两块：Trailer和FileInfo。正如图中所示的，Trailer中有指针指向其他数 据块的起始点。
File Info中记录了文件的一些Meta信息，例如：AVG_KEY_LEN, AVG_VALUE_LEN, LAST_KEY, COMPARATOR, MAX_SEQ_ID_KEY等。
Data Index和Meta Index块记录了每个Data块和Meta块的起始点。
Data Block是HBase I/O的基本单元，为了提高效率，HRegionServer中有基于LRU的Block Cache机制。每个Data块的大小可以在创建一个Table的时候通过参数指定，大号的Block有利于顺序Scan，小号Block利于随机查询。 每个Data块除了开头的Magic以外就是一个个KeyValue对拼接而成, Magic内容就是一些随机数字，目的是防止数据损坏。
HFile里面的每个KeyValue对就是一个简单的byte数组。但是这个byte数组里面包含了很多项，并且有固定的结构。我们来看看里面的具体结构：

开始是两个固定长度的数值，分别表示Key的长度和Value的长度。紧接着是Key，开始是固定长度的数值，表示RowKey的长度，紧接着是 RowKey，然后是固定长度的数值，表示Family的长度，然后是Family，接着是Qualifier，然后是两个固定长度的数值，表示Time Stamp和Key Type（Put/Delete）。Value部分没有这么复杂的结构，就是纯粹的二进制数据了。

HFile分为六个部分：
Data Block 段–保存表中的数据，这部分可以被压缩
Meta Block 段 (可选的)–保存用户自定义的kv对，可以被压缩。
File Info 段–Hfile的元信息，不被压缩，用户也可以在这一部分添加自己的元信息。
Data Block Index 段–Data Block的索引。每条索引的key是被索引的block的第一条记录的key。
Meta Block Index段 (可选的)–Meta Block的索引。
Trailer–这一段是定长的。保存了每一段的偏移量，读取一个HFile时，会首先 读取Trailer，Trailer保存了每个段的起始位置(段的Magic Number用来做安全check)，然后，DataBlock Index会被读取到内存中，这样，当检索某个key时，不需要扫描整个HFile，而只需从内存中找到key所在的block，通过一次磁盘io将整个 block读取到内存中，再找到需要的key。DataBlock Index采用LRU机制淘汰。
HFile的Data Block，Meta Block通常采用压缩方式存储，压缩之后可以大大减少网络IO和磁盘IO，随之而来的开销当然是需要花费cpu进行压缩和解压缩。
目标Hfile的压缩支持两种方式：Gzip，Lzo。

3、Memstore与storefile
一个region由多个store组成，每个store包含一个列族的所有数据
Store包括位于内存的memstore和位于硬盘的storefile
写操作先写入memstore,当memstore中的数据量达到某个阈值，Hregionserver启动flashcache进程写入storefile,每次写入形成单独一个storefile
当storefile大小超过一定阈值后，会把当前的region分割成两个，并由Hmaster分配给相应的region服务器，实现负载均衡
客户端检索数据时，先在memstore找，找不到再找storefile

4、HLog(WAL log)
WAL 意为Write ahead log(http://en.wikipedia.org/wiki/Write-ahead_logging)，类似mysql中的binlog,用来 做灾难恢复只用，Hlog记录数据的所有变更,一旦数据修改，就可以从log中进行恢复。
每个Region Server维护一个Hlog,而不是每个Region一个。这样不同region(来自不同table)的日志会混在一起，这样做的目的是不断追加单个文件相对于同时写多个文件而言，可以减少磁盘寻址次数，因此可以提高对table的写性能。带来的麻烦是，如果一台region server下线，为了恢复其上的region，需要将region server上的log进行拆分，然后分发到其它region server上进行恢复。
HLog文件就是一个普通的Hadoop Sequence File：
 HLog Sequence File 的Key是HLogKey对象，HLogKey中记录了写入数据的归属信息，除了table和region名字外，同时还包括 sequence number和timestamp，timestamp是”写入时间”，sequence number的起始值为0，或者是最近一次存入文件系统中sequence number。
 HLog Sequece File的Value是HBase的KeyValue对象，即对应HFile中的KeyValue，可参见上文描述。

1.1.3 寻址机制

1、寻址示意图

2、-ROOT-和.META.表结构

.META.行记录结构

3、寻址流程
现在假设我们要从Table2里面插寻一条RowKey是RK10000的数据。那么我们应该遵循以下步骤：
1. 从.META.表里面查询哪个Region包含这条数据。
2. 获取管理这个Region的RegionServer地址。
3. 连接这个RegionServer, 查到这条数据。

系统如何找到某个row key (或者某个 row key range)所在的region
bigtable 使用三层类似B+树的结构来保存region位置。
第一层是保存zookeeper里面的文件，它持有root region的位置。
第二层root region是.META.表的第一个region其中保存了.META.表其它region的位置。通过root region，我们就可以访问.META.表的数据。
.META.是第三层，它是一个特殊的表，保存了hbase中所有数据表的region 位置信息。

说明：
1 root region永远不会被split，保证了最需要三次跳转，就能定位到任意region 。
**2.**META.表每行保存一个region的位置信息，row key 采用表名+表的最后一行编码而成。
3 为了加快访问，.META.表的全部region都保存在内存中。
4 client会将查询过的位置信息保存缓存起来，缓存不会主动失效，因此如果client上的缓存全部失效，则需要进行最多6次网络来回，才能定位到正确的region(其中三次用来发现缓存失效，另外三次用来获取位置信息)。

1.1.4 读写过程

1、读请求过程：
1 客户端通过zookeeper以及root表和meta表找到目标数据所在的regionserver
2 联系regionserver查询目标数据
3 regionserver定位到目标数据所在的region，发出查询请求
4 region先在memstore中查找，命中则返回
5 如果在memstore中找不到，则在storefile中扫描（可能会扫描到很多的storefile—-bloomfilter）

2、写请求过程：
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。

细节描述：
hbase使用MemStore和StoreFile存储对表的更新。
数据在更新时首先写入Log(WAL log)和内存(MemStore)中，MemStore中的数据是排序的，当MemStore累计到一定阈值时，就会创建一个新的MemStore，并 且将老的MemStore添加到flush队列，由单独的线程flush到磁盘上，成为一个StoreFile。于此同时，系统会在zookeeper中记录一个redo point，表示这个时刻之前的变更已经持久化了。
当系统出现意外时，可能导致内存(MemStore)中的数据丢失，此时使用Log(WAL log)来恢复checkpoint之后的数据。

StoreFile是只读的，一旦创建后就不可以再修改。因此Hbase的更新其实是不断追加的操作。当一个Store中的StoreFile达到一定的阈值后，就会进行一次合并(minor_compact, major_compact),将对同一个key的修改合并到一起，形成一个大的StoreFile，当StoreFile的大小达到一定阈值后，又会对 StoreFile进行split，等分为两个StoreFile。
由于对表的更新是不断追加的，compact时，需要访问Store中全部的 StoreFile和MemStore，将他们按row key进行合并，由于StoreFile和MemStore都是经过排序的，并且StoreFile带有内存中索引，合并的过程还是比较快。

1.1.5 Region管理

(1) region分配
任何时刻，一个region只能分配给一个region server。master记录了当前有哪些可用的region server。以及当前哪些region分配给了哪些region server，哪些region还没有分配。当需要分配的新的region，并且有一个region server上有可用空间时，master就给这个region server发送一个装载请求，把region分配给这个region server。region server得到请求后，就开始对此region提供服务。

(2) region server上线
master使用zookeeper来跟踪region server状态。当某个region server启动时，会首先在zookeeper上的server目录下建立代表自己的znode。由于master订阅了server目录上的变更消息，当server目录下的文件出现新增或删除操作时，master可以得到来自zookeeper的实时通知。因此一旦region server上线，master能马上得到消息。

(3) region server下线
当region server下线时，它和zookeeper的会话断开，zookeeper而自动释放代表这台server的文件上的独占锁。master就可以确定：
1 region server和zookeeper之间的网络断开了。
2 region server挂了。
无论哪种情况，region server都无法继续为它的region提供服务了，此时master会删除server目录下代表这台region server的znode数据，并将这台region server的region分配给其它还活着的同志。

1.1.6 Master工作机制

 master上线
master启动进行以下步骤:
1 从zookeeper上获取唯一一个代表active master的锁，用来阻止其它master成为master。
2 扫描zookeeper上的server父节点，获得当前可用的region server列表。
3 和每个region server通信，获得当前已分配的region和region server的对应关系。
4 扫描.META.region的集合，计算得到当前还未分配的region，将他们放入待分配region列表。

 master下线
由于master只维护表和region的元数据，而不参与表数据IO的过程，master下线仅导致所有元数据的修改被冻结(无法创建删除表，无法修改表的schema，无法进行region的负载均衡，无法处理region 上下线，无法进行region的合并，唯一例外的是region的split可以正常进行，因为只有region server参与)，表的数据读写还可以正常进行。因此master下线短时间内对整个hbase集群没有影响。
从上线过程可以看到，master保存的信息全是可以冗余信息（都可以从系统其它地方收集到或者计算出来）
因此，一般hbase集群中总是有一个master在提供服务，还有一个以上的‘master’在等待时机抢占它的位置。

动手练习（增删改查）