摘要
HBase 是一个开源的、非关系型的分布式数据库系统,主要用于存储海量的结构化和半结构化数据。它是基于谷歌的 Bigtable 论文实现的,运行在 Hadoop 分布式文件系统(HDFS)之上,并且可以与 Hadoop 生态系统的其他组件无缝集成。
HBase 的设计目标是提供高可扩展性、实时读写和随机访问能力,这使其特别适合于需要快速处理和查询大数据集的应用场景。它采用行键(Row Key)作为主键,并使用列族(Column Family)来组织数据,数据在物理上按照行键的顺序存储,支持范围查询。
HBase 提供了强大的数据模型,支持版本控制和稀疏存储,同时还支持通过 MapReduce 进行批处理操作。它具有自动分片、负载均衡和故障恢复能力,确保了系统的高可用性和可靠性。HBase 常用于需要高吞吐量和低延迟的应用,如实时分析、日志处理和用户行为跟踪等。
HBase 的查询语言类似于 SQL,但更适合大规模分布式数据存储和处理。它与传统的关系数据库不同,不支持复杂的关系操作,如 JOIN 和事务处理,但通过灵活的设计和高效的存储模型,HBase 在大数据场景下表现出色。
1. HBase基础概念
HBase是一种分布式、可扩展、支持海量数据存储的 NoSQL 数据库。 逻辑上,HBase的数据模型同关系型数据库很类似,数据存储在一张表中,有行有列。但从HBase的底层物理存储结构(K-V)来看,HBase更像是一个multi-dimensional map。
HBase被称为内存数据库,主要是因为它的数据存储和读取主要依赖于内存,这使得HBase能够提供高性能的随机读写能力。 具体来说,HBase具备以下几个核心特性:
- HBase使用内存作为主要的数据缓存,大部分常用数据都被存储在内存中,这样可以大幅度提高数据读取的速度;
- HBase支持数据的实时随机访问,这是因为HBase的数据模型是基于列的,列数据存储在一起,可以快速定位到具体的数据;
- HBase设计了高效的写入策略,通过Write-Ahead Log (WAL)机制,数据首先被写入到内存中,然后再同步到硬盘,这样可以大幅度提高写入的效率。
2. HBase系统架构
Region Server:Region Server为 Region的管理者,其实现类为HRegionServer,主要作用如下:
- 对于数据的操作:get, put, delete;
- 对于Region的操作:splitRegion、compactRegion。
Master:Master是所有Region Server的管理者,其实现类为HMaster,主要作用如下:
- 对于表的操作:create, delete, alter
- 对于RegionServer的操作:分配regions到每个RegionServer,监控每个RegionServer的状态,负载均衡和故障转移。
Zookeeper:HBase通过Zookeeper来做Master的高可用、RegionServer的监控、元数据的入口以及集群配置的维护等工作。
HDFS:HDFS为HBase提供最终的底层数据存储服务,同时为HBase提供高可用的支持。
StoreFile:保存实际数据的物理文件,StoreFile以HFile的形式存储在HDFS上。每个Store会有一个或多个StoreFile(HFile),数据在每个StoreFile中都是有序的。
MemStore:写缓存,由于HFile中的数据要求是有序的,所以数据是先存储在MemStore中,排好序后,等到达刷写时机才会刷写到HFile,每次刷写都会形成一个新的HFile。
WAL:由于数据要经MemStore排序后才能刷写到HFile,但把数据保存在内存中会有很高的概率导致数据丢失,为了解决这个问题,数据会先写在一个叫做Write-Ahead logfile的文件中,然后再写入MemStore中。所以在系统出现故障的时候,数据可以通过这个日志文件重建。
3. HBase数据模型
3.1. HBase逻辑结构
3.2. HBase物理结构
- Name Space:命名空间,类似于关系型数据库的DatabBase概念沐,与mysql的数据库的概念类似,每个命名空间下有多个表。HBase有两个自带的命名空间,分别是hbase和default,hbase中存放的是HBase内置的表,default表是用户默认使用的命名空间。
- Region:类似于关系型数据库的表概念。不同的是,HBase定义表时只需要声明列族即可,不需要声明具体的列。这意味着,往HBase写入数据时,字段可以动态、按需指定。因此和关系型数据库相比,HBase能够轻松应对字段变更的场景。
- Row:HBase表中的每行数据都由一个RowKey和多个Column(列)组成,数据是按照RowKey的字典顺序存储的,并且查询数据时只能根据RowKey进行检索,所以RowKey的设计十分重要。
- Column:HBase中的每个列都由Column Family(列族)和Column Qualifier(列限定符)进行限定,例如info:name,info:age。建表时,只需指明列族,而列限定符无需预先定义。
- Time Stamp:用于标识数据的不同版本(version),每条数据写入时,如果不指定时间戳,系统会自动为其加上该字段,其值为写入HBase的时间。
- Cell:由{rowkey, column Family:column Qualifier, time Stamp} 唯一确定的单元。cell中的数据是没有类型的,全部是字节码形式存贮。
4. HBase的函数API
4.1. HBase基本函数
# 进入HBase客户端命令行
bin/hbase shell
# 查看当前数据库中有哪些表
hbase(main):002:0> list
# 创建表
hbase(main):002:0> create 'student','info'
# 插入数据
hbase(main):003:0> put 'student','1001','info:sex','male'
hbase(main):004:0> put 'student','1001','info:age','18'
# 扫描查看表数据
hbase(main):008:0> scan 'student'
hbase(main):009:0> scan 'student',{STARTROW => '1001', STOPROW => '1001'}
hbase(main):010:0> scan 'student',{STARTROW => '1001'}
# 查看表结构
hbase(main):011:0> describe ‘student’
# 更新指定字段的数据
hbase(main):012:0> put 'student','1001','info:name','Nick'
hbase(main):013:0> put 'student','1001','info:age','100'
# 查看“指定行”或“指定列族:列”的数据
hbase(main):014:0> get 'student','1001'
hbase(main):015:0> get 'student','1001','info:name'
# 统计表数据行数
hbase(main):021:0> count 'student'
# 删除某rowkey的全部数据:
hbase(main):016:0> deleteall 'student','1001'
# 删除某rowkey的某一列数据:
hbase(main):017:0> delete 'student','1002','info:sex'
# 清空表数据 清空表student表
hbase(main):018:0> truncate 'student'
# 删除表,首先需要先让该表为disable状态:
hbase(main):019:0> disable 'student'
# 然后才能drop这个表:
hbase(main):020:0> drop 'student'
如果直接drop表,会报错:ERROR: Table student is enabled. Disable it first.
变更表信息,将info列族中的数据存放3个版本:
hbase(main):022:0> alter 'student',{NAME=>'info',VERSIONS=>3}
hbase(main):022:0> get 'student','1001',{COLUMN=>'info:name',VERSIONS=>3}
4.2. HBase基本API
DDL语句(表级别操作):
- 判断表是否存在
- 创建表
- 创建命名空间
- 删除表
DML语句(数据级别操作):
- 插入数据
- 查询数据
- 修改数据
- 删除数据
表的操作对象是HBaseAdmin admin
public static Configuration conf;
static{
//使用HBaseConfiguration的单例方法实例化
conf = HBaseConfiguration.create();
conf.set("hbase.zookeeper.quorum", "192.166.9.102");
conf.set("hbase.zookeeper.property.clientPort", "2181");
}
public static boolean isTableExist(String tableName) throws MasterNotRunningException,
ZooKeeperConnectionException, IOException{
//在HBase中管理、访问表需要先创建HBaseAdmin对象
//Connection connection = ConnectionFactory.createConnection(conf);
//HBaseAdmin admin = (HBaseAdmin) connection.getAdmin();
HBaseAdmin admin = new HBaseAdmin(conf);
return admin.tableExists(tableName);
}
public static void createTable(String tableName, String... columnFamily) throws
MasterNotRunningException, ZooKeeperConnectionException, IOException{
HBaseAdmin admin = new HBaseAdmin(conf);
//判断表是否存在
if(isTableExist(tableName)){
System.out.println("表" + tableName + "已存在");
//System.exit(0);
}else{
//创建表属性对象,表名需要转字节
HTableDescriptor descriptor = new HTableDescriptor(TableName.valueOf(tableName));
//创建多个列族
for(String cf : columnFamily){
descriptor.addFamily(new HColumnDescriptor(cf));
}
//根据对表的配置,创建表
admin.createTable(descriptor);
System.out.println("表" + tableName + "创建成功!");
}
}
public static void dropTable(String tableName) throws MasterNotRunningException,
ZooKeeperConnectionException, IOException{
HBaseAdmin admin = new HBaseAdmin(conf);
if(isTableExist(tableName)){
# 先disbale 在能实现删除表
admin.disableTable(tableName);
admin.deleteTable(tableName);
System.out.println("表" + tableName + "删除成功!");
}else{
System.out.println("表" + tableName + "不存在!");
}
}
数据操作对象是 HTable hTable
public static void addRowData(String tableName, String rowKey, String columnFamily, String
column, String value) throws IOException{
//创建HTable对象 就是操作的对象
HTable hTable = new HTable(conf, tableName);
//向表中插入数据
Put put = new Put(Bytes.toBytes(rowKey));
//向Put对象中组装数据
put.add(Bytes.toBytes(columnFamily), Bytes.toBytes(column), Bytes.toBytes(value));
hTable.put(put);
hTable.close();
System.out.println("插入数据成功");
}
public static void deleteMultiRow(String tableName, String... rows) throws IOException{
HTable hTable = new HTable(conf, tableName);
List<Delete> deleteList = new ArrayList<Delete>();
for(String row : rows){
Delete delete = new Delete(Bytes.toBytes(row));
deleteList.add(delete);
}
hTable.delete(deleteList);
hTable.close();
}
public static void getAllRows(String tableName) throws IOException{
HTable hTable = new HTable(conf, tableName);
//得到用于扫描region的对象
Scan scan = new Scan();
//使用HTable得到resultcanner实现类的对象
ResultScanner resultScanner = hTable.getScanner(scan);
for(Result result : resultScanner){
Cell[] cells = result.rawCells();
for(Cell cell : cells){
//得到rowkey
System.out.println("行键:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneRow(cell)));
//得到列族
System.out.println("列族" + Bytes.toString(CellUtil.cloneFamily(cell)));
System.out.println("列:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneQualifier(cell)));
System.out.println("值:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneValue(cell)));
}
}
public static void getRow(String tableName, String rowKey) throws IOException{
HTable table = new HTable(conf, tableName);
Get get = new Get(Bytes.toBytes(rowKey));
//get.setMaxVersions();显示所有版本
//get.setTimeStamp();显示指定时间戳的版本
Result result = table.get(get);
for(Cell cell : result.rawCells()){
System.out.println("行键:" + Bytes.toString(result.getRow()));
System.out.println("列族" + Bytes.toString(CellUtil.cloneFamily(cell)));
System.out.println("列:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneQualifier(cell)));
System.out.println("值:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneValue(cell)));
System.out.println("时间戳:" + cell.getTimestamp());
}
}
public static void getRowQualifier(String tableName, String rowKey, String family, String
qualifier) throws IOException{
HTable table = new HTable(conf, tableName);
Get get = new Get(Bytes.toBytes(rowKey));
get.addColumn(Bytes.toBytes(family), Bytes.toBytes(qualifier));
Result result = table.get(get);
for(Cell cell : result.rawCells()){
System.out.println("行键:" + Bytes.toString(result.getRow()));
System.out.println("列族" + Bytes.toString(CellUtil.cloneFamily(cell)));
System.out.println("列:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneQualifier(cell)));
System.out.println("值:" + Bytes.toString(CellUtil.cloneValue(cell)));
}
}
5. HBase的写流程(与Rocketmq写类似)
写流程:
- Client先访问zookeeper,获取hbase:meta表位于哪个Region Server。
- 访问对应的Region Server,获取hbase:meta表,根据读请求的namespace:table/rowkey,查询出目标数据位于哪个Region Server中的哪个Region中。并将该table的region信息以及meta表的位置信息缓存在客户端的meta cache,方便下次访问。
- 与目标Region Server进行通讯;
- 将数据顺序写入(追加)到WAL;
- 将数据写入对应的MemStore,数据会在MemStore进行排序;
- 向客户端发送ack;
- 等达到MemStore的刷写时机后,将数据刷写到HFile。
6. HBase的读流程(读比写慢数据库)
HBase的读写流程是先把磁盘和内存的数据一起读区出来,然后在进行的merge。
读流程
- Client先访问zookeeper,获取hbase:meta表位于哪个Region Server。
- 访问对应的Region Server,获取hbase:meta表,根据读请求的namespace:table/rowkey,查询出目标数据位于哪个Region Server中的哪个Region中。并将该table的region信息以及meta表的位置信息缓存在客户端的meta cache,方便下次访问。
- 与目标Region Server进行通讯;
- 分别在Block Cache(读缓存),MemStore和Store File(HFile)中查询目标数据,并将查到的所有数据进行合并。此处所有数据是指同一条数据的不同版本(time stamp)或者不同的类型(Put/Delete)。
- 将从文件中查询到的数据块(Block,HFile数据存储单元,默认大小为64KB)缓存到Block Cache。
- 将合并后的最终结果返回给客户端。
7. HBase的Flush流程(数据刷盘机制,与mysql的数据刷盘类似)
MemStore刷写时机:
- 当某个memstroe的大小达到了hbase.hregion.memstore.flush.size(默认值128M),其所在region的所有memstore都会刷写。当memstore的大小达到了 hbase.hregion.memstore.flush.size(默认值128M),*hbase.hregion.memstore.block.multiplier(默认值4)时,会阻止继续往该memstore写数据。
- 当region server中memstore的总大小达到 java_heapsize,*hbase.regionserver.global.memstore.size(默认值0.4)*hbase.regionserver.global.memstore.size.lower.limit(默认值0.95),
- region会按照其所有memstore的大小顺序(由大到小)依次进行刷写。直到region server中所有memstore的总大小减小到上述值以下。
- 当region server中memstore的总大小达到 java_heapsize ,*hbase.regionserver.global.memstore.size(默认值0.4)时,会阻止继续往所有的memstore写数据。
- 到达自动刷写的时间,也会触发memstore flush。自动刷新的时间间隔由该属性进行配置hbase.regionserver.optionalcacheflushinterval(默认1小时)。
- 当WAL文件的数量超过hbase.regionserver.max.logs,region会按照时间顺序依次进行刷写,直到WAL文件数量减小到hbase.regionserver.max.log以下(该属性名已经废弃,现无需手动设置,最大值为32)。
8. HBase的StoreFile Compact流程(小文件合并)
由于memstore每次刷写都会生成一个新的HFile,且同一个字段的不同版本(timestamp)和不同类型(Put/Delete)有可能会分布在不同的HFile中,因此查询时需要遍历所有的HFile。为了减少HFile的个数,以及清理掉过期和删除的数据,会进行StoreFile Compaction。
Compaction分为两种,分别是Minor Compaction和Major Compaction。Minor Compaction会将临近的若干个较小的HFile合并成一个较大的HFile,但不会清理过期和删除的数据。Major Compaction会将一个Store下的所有的HFile合并成一个大HFile,并且会清理掉过期和删除的数据。
9. HBase的Region切分流程(大文件拆分)
默认情况下,每个Table起初只有一个Region,随着数据的不断写入,Region会自动进行拆分。刚拆分时,两个子Region都位于当前的Region Server,但处于负载均衡的考虑,HMaster有可能会将某个Region转移给其他的Region Server。
Region Split时机:
- 当1个region中的某个Store下所有StoreFile的总大小超过hbase.hregion.max.filesize,该Region就会进行拆分(0.94版本之前)。
- 当1个region中的某个Store下所有StoreFile的总大小超过Min(R^2 * "hbase.hregion.memstore.flush.size",hbase.hregion.max.filesize"),该Region就会进行拆分,其中R为当前Region Server中属于该Table的个数(0.94版本之后)
10. HBase的数据删除流程
- 逻辑删除: HBase不会立即在物理存储上删除数据,而是采用逻辑删除的方式。当执行删除操作时,HBase会将一条特殊的删除标记(Tombstone)插入到相应的数据单元中。这个删除标记指示这个数据单元已被删除,并且会在数据保留的时间后清理掉。
- Major Compaction(主要合并): HBase定期执行Major Compaction操作,它会合并和清理数据文件,删除标记和过期数据。Major Compaction将不再需要的数据清理掉,从而释放磁盘空间,并提高读取性能。
- Minor Compaction(次要合并): 在Major Compaction之外,HBase还执行Minor Compaction,它用于合并较小的数据文件以优化存储布局,但不会清理删除标记。
- 删除标记的清理: 当Major Compaction执行时,HBase会检查数据单元中的删除标记,如果数据的所有版本都已被标记为删除,则在Major Compaction中清理掉这些数据。
需要注意的是,HBase的删除操作并不是实时的,而是通过Compaction过程逐步进行的。这意味着一条数据的删除标记可能会在Compaction之前存在一段时间,直到Compaction执行并将其清理。这种机制有助于保持HBase的高性能和高吞吐量,同时确保数据的持久性和一致性。总之,HBase通过逻辑删除和Compaction机制来处理数据的删除操作。删除数据会在逻辑上插入删除标记,而实际的物理清理会在Compaction过程中进行。这种机制可以平衡数据的删除和性能需求,确保数据的有效管理和存储。
11. HBase的优化设计
11.1. HBase的Master的高可用设计
在HBase中HMaster负责监控HRegionServer的生命周期,均衡RegionServer的负载,如果HMaster挂掉了,那么整个HBase集群将陷入不健康的状态,并且此时的工作状态并不会维持太久。所以HBase支持对HMaster的高可用配置。
关闭HBase集群(如果没有开启则跳过此步)
[xjl@hadoop102 hbase]$ bin/stop-hbase.sh
在conf目录下创建backup-masters文件
[xjl@hadoop102 hbase]$ touch conf/backup-masters
在backup-masters文件中配置高可用HMaster节点
[xjl@hadoop102 hbase]$ echo hadoop103 > conf/backup-masters
将整个conf目录scp到其他节点
[xjl@hadoop102 hbase]$ scp -r conf/ hadoop103:/opt/module/hbase/
[xjl@hadoop102 hbase]$ scp -r conf/ hadoop104:/opt/module/hbase/
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11.2. HBase的预分区设计
每一个region维护着StartRow与EndRow,如果加入的数据符合某个Region维护的RowKey范围,则该数据交给这个Region维护。那么依照这个原则,我们可以将数据所要投放的分区提前大致的规划好,以提高HBase性能。
# 手动设定预分区
Hbase> create 'staff1','info','partition1',SPLITS => ['1000','2000','3000','4000']
# 生成16进制序列预分区
create 'staff2','info','partition2',{NUMREGIONS => 15, SPLITALGO => 'HexStringSplit'}
# 按照文件中设置的规则预分区
创建splits.txt文件内容如下:
aaaa
bbbb
cccc
dddd
然后执行:
create 'staff3','partition3',SPLITS_FILE => 'splits.txt'
# 使用JavaAPI创建预分区
//自定义算法,产生一系列hash散列值存储在二维数组中
byte[][] splitKeys = 某个散列值函数
//创建HbaseAdmin实例
HBaseAdmin hAdmin = new HBaseAdmin(HbaseConfiguration.create());
//创建HTableDescriptor实例
HTableDescriptor tableDesc = new HTableDescriptor(tableName);
//通过HTableDescriptor实例和散列值二维数组创建带有预分区的Hbase表
hAdmin.createTable(tableDesc, splitKeys);
11.3. HBase的RowKey设计(随机性,防止数据倾斜)
一条数据的唯一标识就是RowKey,那么这条数据存储于哪个分区,取决于RowKey处于哪个一个预分区的区间内,设计RowKey的主要目的,就是让数据均匀的分布于所有的region中,在一定程度上防止数据倾斜。接下来我们就谈一谈RowKey常用的设计方案。
# 生成随机数、hash、散列值
比如:
原本rowKey为1001的,SHA1后变成:dd01903921ea24941c26a48f2cec24e0bb0e8cc7
原本rowKey为3001的,SHA1后变成:49042c54de64a1e9bf0b33e00245660ef92dc7bd
原本rowKey为5001的,SHA1后变成:7b61dec07e02c188790670af43e717f0f46e8913
在做此操作之前,一般我们会选择从数据集中抽取样本,来决定什么样的rowKey来Hash后作为每个分区的临界值。
# 字符串反转
20170524000001转成10000042507102
20170524000002转成20000042507102
这样也可以在一定程度上散列逐步put进来的数据。
# 字符串拼接
20170524000001_a12e
20170524000001_93i7
11.4. HBase的内存优化
HBase操作过程中需要大量的内存开销,毕竟Table是可以缓存在内存中的,一般会分配整个可用内存的70%给HBase的Java堆。但是不建议分配非常大的堆内存,因为GC过程持续太久会导致RegionServer处于长期不可用状态,一般16~48G内存就可以了,如果因为框架占用内存过高导致系统内存不足,框架一样会被系统服务拖死。
11.5. HBase基础优化
1.允许在HDFS的文件中追加内容
hdfs-site.xml、hbase-site.xml
属性:dfs.support.append
解释:开启HDFS追加同步,可以优秀的配合HBase的数据同步和持久化。默认值为true。
2.优化DataNode允许的最大文件打开数
hdfs-site.xml
属性:dfs.datanode.max.transfer.threads
解释:HBase一般都会同一时间操作大量的文件,根据集群的数量和规模以及数据动作,设置为4096或者更高。默认值:4096
3.优化延迟高的数据操作的等待时间
hdfs-site.xml
属性:dfs.image.transfer.timeout
解释:如果对于某一次数据操作来讲,延迟非常高,socket需要等待更长的时间,建议把该值设置为更大的值(默认60000毫秒),以确保socket不会被timeout掉。
4.优化数据的写入效率
mapred-site.xml
属性:
mapreduce.map.output.compress
mapreduce.map.output.compress.codec
解释:开启这两个数据可以大大提高文件的写入效率,减少写入时间。第一个属性值修改为true,第二个属性值修改为:org.apache.hadoop.io.compress.GzipCodec或者其他压缩方式。
5.设置RPC监听数量
hbase-site.xml
属性:Hbase.regionserver.handler.count
解释:默认值为30,用于指定RPC监听的数量,可以根据客户端的请求数进行调整,读写请求较多时,增加此值。
6.优化HStore文件大小
hbase-site.xml
属性:hbase.hregion.max.filesize
解释:默认值10737418240(10GB),如果需要运行HBase的MR任务,可以减小此值,因为一个region对应一个map任务,如果单个region过大,会导致map任务执行时间过长。该值的意思就是,如果HFile的大小达到这个数值,则这个region会被切分为两个Hfile。
7.优化HBase客户端缓存
hbase-site.xml
属性:hbase.client.write.buffer
解释:用于指定Hbase客户端缓存,增大该值可以减少RPC调用次数,但是会消耗更多内存,反之则反之。一般我们需要设定一定的缓存大小,以达到减少RPC次数的目的。
8.指定scan.next扫描HBase所获取的行数
hbase-site.xml
属性:hbase.client.scanner.caching
解释:用于指定scan.next方法获取的默认行数,值越大,消耗内存越大。
9.flush、compact、split机制
当MemStore达到阈值,将Memstore中的数据Flush进Storefile;compact机制则是把flush出来的小文件合并成大的Storefile文件。split则是当Region达到阈值,会把过大的Region一分为二。
涉及属性:
即:128M就是Memstore的默认阈值
hbase.hregion.memstore.flush.size:134217728
即:这个参数的作用是当单个HRegion内所有的Memstore大小总和超过指定值时,flush该HRegion的所有memstore。RegionServer的flush是通过将请求添加一个队列,模拟生产消费模型来异步处理的。那这里就有一个问题,当队列来不及消费,产生大量积压请求时,可能会导致内存陡增,最坏的情况是触发OOM。
hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit:0.4
hbase.regionserver.global.memstore.lowerLimit:0.38
即:当MemStore使用内存总量达到hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit指定值时,将会有多个MemStores flush到文件中,MemStore flush 顺序是按照大小降序执行的,直到刷新到MemStore使用内存略小于lowerLimit
博文参考
https://www.cnblogs.com/datadance/p/16327298.html
https://www.cnblogs.com/datadance/p/16327298.html