HDFS块详解

传统型分布式文件系统的缺点

现在想象一下这种情况：有四个文件 0.5TB的file1，1.2TB的file2，50GB的file3，100GB的file4；有7个服务器，每个服务器上有10个1TB的硬盘。

在存储方式上，我们可以将这四个文件存储在同一个服务器上（当然大于1TB的文件需要切分），我们需要使用一个文件来记录这种存储的映射关系吧。用户是可以通过这种映射关系来找到节点硬盘相应的文件的。那么缺点也就暴露了出来：

第一、负载不均衡。

因为文件大小不一致，势必会导致有的节点磁盘的利用率高，有的节点磁盘利用率低。

第二、网络瓶颈问题。

一个过大的文件存储在一个节点磁盘上，当有并行处理时，每个线程都需要从这个节点磁盘上读取这个文件的内容，那么就会出现网络瓶颈，不利于分布式的数据处理。

HDFS的块

HDFS与其他普通文件系统一样，同样引入了块(Block)的概念，并且块的大小是固定的。但是不像普通文件系统那样小，而是根据实际需求可以自定义的。块是HDFS系统当中的最小存储单位，在hadoop2.0中默认大小为128MB（hadoop1.x中的块大小为64M）。在HDFS上的文件会被拆分成多个块，每个块作为独立的单元进行存储。多个块存放在不同的DataNode上，整个过程中 HDFS系统会保证一个块存储在一个数据节点上 。但值得注意的是，如果某文件大小或者文件的最后一个块没有到达128M，则不会占据整个块空间 。

我们来看看HDFS的设计思想：以下图为例，来进行解释。

HDFS的块大小

HDFS上的块大小为什么会远远大于传统文件?

1. 目的是为了最小化寻址开销时间。
   在I/O开销中，机械硬盘的寻址时间是最耗时的部分，一旦找到第一条记录，剩下的顺序读取效率是非常高的，因此以块为单位读写数据，可以尽量减少总的磁盘寻道时间。
   HDFS寻址开销不仅包括磁盘寻道开销，还包括数据块的定位开销，当客户端需要访问一个文件时，首先从名称节点获取组成这个文件的数据块的位置列表，然后根据位置列表获取实际存储各个数据块的数据节点的位置，最后，数据节点根据数据块信息在本地Linux文件系统中找到对应的文件，并把数据返回给客户端，设计成一个比较大的块，可以减少每个块儿中数据的总的寻址开销，相对降低了单位数据的寻址开销
   磁盘的寻址时间为大约在5~15ms之间，平均值为10ms,而最小化寻址开销时间普遍认为占1秒的百分之一是最优的，那么块大小的选择就参考1秒钟的传输速度，比如2010年硬盘的传输速率是100M/s，那么就选择块大小为128M。
2. 为了节省内存的使用率
   一个块的元数据大约150个字节。1亿个块，不论大小，都会占用20G左右的内存。因此块越大，集群相对存储的数据就越多。所以暴漏了HDFS的一个缺点，不适合存储小文件。

为什么HDFS不适合存储小文件？

1. 从存储能力出发（固定内存）
   因为HDFS的文件是以块为单位存储的，且如果文件大小不到128M的时候，是不会占用整个块的空间的。但是，这个块依然会在内存中占用150个字节的元数据。因此，同样的内存占用的情况下，大量的小文件会导致集群的存储能力不足。
   例如: 同样是128G的内存，最多可存储9.2亿个块。如果都是小文件，例如1M，则集群存储的数据大小为9.2亿*1M = 877TB的数据。但是如果存储的都是128M的文件，则集群存储的数据大小为109.6PB的数据。存储能力大不相同。

2. 从内存占用出发（固定存储能力）
   同样假设存储1M和128M的文件对比，同样存储1PB的数据，如果是1M的小文件存储，占用的内存空间为1PB/1Mb150Byte = 150G的内存。如果存储的是128M的文件存储，占用的内存空间为1PB/128M150Byte = 1.17G的内存占用。可以看到，同样存储1PB的数据，小文件的存储比起大文件占用更多的内存。

块的相关参数设置

当然块大小在默认配置文件hdfs-default.xml中有相关配置，我们可以在hdfs-site.xml中进行重置
<property>
    <name>dfs.blocksize</name>
    <value>134217728</value>
    <description>默认块大小，以字节为单位。可以使用以下后缀(不区分大小写):k，m，g，t，p，e以重新指定大小(例如128k, 512m, 1g等)</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.fs-limits.min-block-size</name>
    <value>1048576</value>
    <description>以字节为单位的最小块大小，由Namenode在创建时强制执行时间。这可以防止意外创建带有小块的文件降低性能。</description>
</property>

<property>
    <name>dfs.namenode.fs-limits.max-blocks-per-file</name>
    <value>1048576</value>
    <description>每个文件的最大块数，由写入时的Namenode执行。这可以防止创建降低性能的超大文件</description>
</property>

块的存储位置

在hdfs-site.xml中我们配置过下面这个属性，这个属性的值就是块在linux系统上的存储位置

<!-- 确定DFS数据节点应该将其块存储在本地文件系统的何处-->
<property>
    <name>dfs.datanode.data.dir</name>
    <value>file://${hadoop.tmp.dir}/dfs/data</value>
</property>

HDFS的优点

1. 高容错性（硬件故障是常态）：数据自动保存多个副本，副本丢失后，会自动恢复
2. 适合大数据集：GB、TB、甚至PB级数据、千万规模以上的文件数量，1000以上节点规模。
3. 数据访问： 一次性写入，多次读取；保证数据一致性,安全性
4. 构建成本低：可以构建在廉价机器上。
5. 多种软硬件平台中的可移植性
6. 高效性：Hadoop能够在节点之间动态地移动数据，并保证各个节点的动态平衡，因此处理速度非常快。
7. 高可靠性：Hadoop的存储和处理数据的能力值得人们信赖.

HDFS的缺点

1. 不适合做低延迟数据访问：
   HDFS的设计目标有一点是：处理大型数据集，高吞吐率。这一点势必要以高延迟为代价的。因此HDFS不适合处理用户要求的毫秒级的低延迟应用请求
2. 不适合小文件存取：
   一个是大量小文件需要消耗大量的寻址时间，违反了HDFS的尽可能减少寻址时间比例的设计目标。第二个是内存有限，一个block元数据大内存消耗大约为150个字节，存储一亿个block和存储一亿个小文件都会消耗20G内存。因此相对来说，大文件更省内存。
3. 不适合并发写入，文件随机修改：
   HDFS上的文件只能拥有一个写者，仅仅支持append操作。不支持多用户对同一个文件的写操作，以及在文件任意位置进行修改

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