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Hadoop基礎(chǔ)

by 匯智軟件　　　發(fā)布時(shí)間：2016/11/8

1 Hadoop是什么？

　　Google公司發(fā)表了兩篇論文：一篇論文是“The Google File System”，介紹如何實(shí)現(xiàn)分布式地存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)；另一篇論文是“Mapreduce:Simplified Data Processing on Large Clusters”，介紹如何對(duì)分布式大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Doug Cutting在這兩篇論文的啟發(fā)下，基于OSS（Open Source software）的思想實(shí)現(xiàn)了這兩篇論文中的原理，從而Hadoop誕生了。

　　Hadoop是一種開源的適合大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)和處理的平臺(tái)。作為一種大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，Hadoop已成為許多程序員的一項(xiàng)重要技能。

2 Hadoop能夠做什么？

　　以下內(nèi)容有博友王路情整理。

　　大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，給我們的生活、工作、思維方式都帶來變革。如何尋求大數(shù)據(jù)后面的價(jià)值，既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。不管是金融數(shù)據(jù)、還是電商數(shù)據(jù)、又還是社交數(shù)據(jù)、游戲數(shù)據(jù)… … 這些數(shù)據(jù)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、增長的速度都給傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理技術(shù)帶來巨大的考驗(yàn)。幸運(yùn)的是，Hadoop的誕生和所構(gòu)建成的生態(tài)系統(tǒng)給大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和分析帶來了曙光。

　　不管是國外的著名公司Google、Yahoo!、微軟、亞馬遜、 EBay、FaceBook、Twitter、LinkedIn等和初創(chuàng)公司Cloudera、Hortonworks等，又還是國內(nèi)的著名公司中國移動(dòng)、阿里巴巴、華為、騰訊、百度、網(wǎng)易、京東商城等，都在使用Hadoop及相關(guān)技術(shù)解決大規(guī)?；瘮?shù)據(jù)問題，以滿足公司需求和創(chuàng)造商業(yè)價(jià)值。

　　例如：Yahoo! 的垃圾郵件識(shí)別和過濾、用戶特征建模系統(tǒng)；Amazon.com（亞馬遜）的協(xié)同過濾推薦系統(tǒng)；Facebook的Web日志分析；Twitter、LinkedIn的人脈尋找系統(tǒng)；淘寶商品推薦系統(tǒng)、淘寶搜索中的自定義篩選功能……這些應(yīng)用都使用到Hadoop及其相關(guān)技術(shù)。

　　“Hadoop能做什么？” ，概括如下：

　　1）搜索引擎：這也正是Doug Cutting設(shè)計(jì)Hadoop的初衷，為了針對(duì)大規(guī)模的網(wǎng)頁快速建立索引；

　　2）大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：利用Hadoop的分布式存儲(chǔ)能力，例如數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)倉庫等；

　　3）大數(shù)據(jù)處理：利用Hadoop的分布式處理能力，例如數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析等；

　　4）科學(xué)研究：Hadoop是一種分布式的開源框架，對(duì)于分布式系統(tǒng)有很大程度地參考價(jià)值。

3 Hadoop的三種模式

　　Hadoop有三種不同的模式操作，分別為單機(jī)模式、偽分布模式和全分布模式。每種模式的詳細(xì)介紹以及單機(jī)模式的安裝請(qǐng)閱讀我之前的博客：[Hadoop] 在Ubuntu系統(tǒng)上一步步搭建Hadoop（單機(jī)模式），偽分布式模式和全分布式模式的相關(guān)操作請(qǐng)見王路情的博客。

4 Hadoop核心之分布式文件系統(tǒng)HDFS

　　Hadoop分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distributed File System，簡(jiǎn)稱HDFS）是Hadoop的核心模塊之一，它主要解決Hadoop的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，其思想來源與Google的文件系統(tǒng)GFS。HDFS的主要特點(diǎn)：

保存多個(gè)副本，且提供容錯(cuò)機(jī)制，副本丟失或宕機(jī)自動(dòng)恢復(fù)。默認(rèn)存3份。
運(yùn)行在廉價(jià)的機(jī)器上。
適合大數(shù)據(jù)的處理。HDFS默認(rèn)會(huì)將文件分割成block，64M為1個(gè)block。然后將block按鍵值對(duì)存儲(chǔ)在HDFS上，并將鍵值對(duì)的映射存到內(nèi)存中。如果小文件太多，那內(nèi)存的負(fù)擔(dān)會(huì)很重。

　　HDFS中的兩個(gè)重要角色：

　　[Namenode]

　　1）管理文件系統(tǒng)的命名空間。

　　2）記錄每個(gè)文件數(shù)據(jù)快在各個(gè)Datanode上的位置和副本信息。

　　3）協(xié)調(diào)客戶端對(duì)文件的訪問。

　　4）記錄命名空間內(nèi)的改動(dòng)或者空間本省屬性的改動(dòng)。

　　5）Namenode 使用事務(wù)日志記錄HDFS元數(shù)據(jù)的變化。使用映像文件存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的命名空間，包括文件映射，文件屬性等。

　　從社會(huì)學(xué)來看，Namenode是HDFS里面的管理者，發(fā)揮者管理、協(xié)調(diào)、操控的作用。

　　[Datanode]

　　1）負(fù)責(zé)所在物理節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)管理。

　　2）一次寫入，多次讀取（不修改）。

　　3）文件由數(shù)據(jù)庫組成，一般情況下，數(shù)據(jù)塊的大小為64MB。

　　4）數(shù)據(jù)盡量散步到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　從社會(huì)學(xué)的角度來看，Datanode是HDFS的工作者，發(fā)揮按著Namenode的命令干活，并且把干活的進(jìn)展和問題反饋到Namenode的作用。

　　客戶端如何訪問HDFS中一個(gè)文件呢？具體流程如下:

　　1）首先從Namenode獲得組成這個(gè)文件的數(shù)據(jù)塊位置列表。

　　2）接下來根據(jù)位置列表知道存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊的Datanode。

　　3）最后訪問Datanode獲取數(shù)據(jù)。

　　注意：Namenode并不參與數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性至關(guān)重要。HDFS是如何保證其可靠性呢？它主要采用如下機(jī)理:

　　1）冗余副本策略，即所有數(shù)據(jù)都有副本，副本的數(shù)目可以在hdfs-site.xml中設(shè)置相應(yīng)的復(fù)制因子。

　　2）機(jī)架策略，即HDFS的“機(jī)架感知”，一般在本機(jī)架存放一個(gè)副本，在其它機(jī)架再存放別的副本，這樣可以防止機(jī)架失效時(shí)丟失數(shù)據(jù)，也可以提供帶寬利用率。

　　3）心跳機(jī)制，即Namenode周期性從Datanode接受心跳信號(hào)和快報(bào)告，沒有按時(shí)發(fā)送心跳的Datanode會(huì)被標(biāo)記為宕機(jī)，不會(huì)再給任何I/O請(qǐng)求，若是Datanode失效造成副本數(shù)量下降，并且低于預(yù)先設(shè)置的閾值，Namenode會(huì)檢測(cè)出這些數(shù)據(jù)塊，并在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行重新復(fù)制。

　　4）安全模式，Namenode啟動(dòng)時(shí)會(huì)先經(jīng)過一個(gè)“安全模式”階段。

　　5）校驗(yàn)和，客戶端獲取數(shù)據(jù)通過檢查校驗(yàn)和，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊是否損壞，從而確定是否要讀取副本。

　　6）回收站，刪除文件，會(huì)先到回收站/trash，其里面文件可以快速回復(fù)。

　　7）元數(shù)據(jù)保護(hù)，映像文件和事務(wù)日志是Namenode的核心數(shù)據(jù)，可以配置為擁有多個(gè)副本。

　　8）快照，支持存儲(chǔ)某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的映像，需要時(shí)可以使數(shù)據(jù)重返這個(gè)時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)。

　　如上圖所示，HDFS也是按照Master和Slave的結(jié)構(gòu)。分NameNode、SecondaryNameNode、DataNode這幾個(gè)角色。

　　NameNode：是Master節(jié)點(diǎn)，是大領(lǐng)導(dǎo)。管理數(shù)據(jù)塊映射；處理客戶端的讀寫請(qǐng)求；配置副本策略；管理HDFS的名稱空間；

　　SecondaryNameNode：是一個(gè)小弟，分擔(dān)大哥namenode的工作量；是NameNode的冷備份；合并fsimage和fsedits然后再發(fā)給namenode。

　　DataNode：Slave節(jié)點(diǎn)，奴隸，干活的。負(fù)責(zé)存儲(chǔ)client發(fā)來的數(shù)據(jù)塊block；執(zhí)行數(shù)據(jù)塊的讀寫操作。

　　熱備份：b是a的熱備份，如果a壞掉。那么b馬上運(yùn)行代替a的工作。

　　冷備份：b是a的冷備份，如果a壞掉。那么b不能馬上代替a工作。但是b上存儲(chǔ)a的一些信息，減少a壞掉之后的損失。

　　fsimage:元數(shù)據(jù)鏡像文件（文件系統(tǒng)的目錄樹。）

　　edits：元數(shù)據(jù)的操作日志（針對(duì)文件系統(tǒng)做的修改操作記錄）

　　namenode內(nèi)存中存儲(chǔ)的是=fsimage+edits。

　　SecondaryNameNode負(fù)責(zé)定時(shí)默認(rèn)1小時(shí)，從namenode上，獲取fsimage和edits來進(jìn)行合并，然后再發(fā)送給namenode。減少namenode的工作量。

　　有關(guān)HDFS詳細(xì)的寫操作和讀操作請(qǐng)見：老魏的博客。

　　有關(guān)HDFS的優(yōu)缺點(diǎn)介紹請(qǐng)見：蝦皮工作室。　

　　有一個(gè)關(guān)于HDFS工作原理的漫畫版本，請(qǐng)見這里：HDFS漫畫詳解。

5 Hadoop核心之MapReduce

　　上部分提到Hadoop存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)的核心模塊HDFS，這一部分介紹Hadoop處理大數(shù)據(jù)部分的核心模塊MapReduce。

　　Apache Foundation對(duì)MapReduce的介紹：“Hadoop MapReduce is a software framework for easily writing applications which process vast amounts of data (multi-terabyte data-sets) in-parallel on large clusters (thousands of nodes) of commodity hardware in a reliable, fault-tolerant manner.”

　　由此可知，Hadoop核心之MapReduce是一個(gè)軟件框架，基于該框架能夠容易地編寫應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序能夠運(yùn)行在由上千個(gè)商用機(jī)器組成的大集群上，并以一種可靠的，具有容錯(cuò)能力的方式并行地處理上TB級(jí)別的海量數(shù)據(jù)集。這個(gè)定義里面有著這些關(guān)鍵詞，一是軟件框架，二是并行處理，三是可靠且容錯(cuò)，四是大規(guī)模集群，五是海量數(shù)據(jù)集。因此，對(duì)于MapReduce，可以簡(jiǎn)潔地認(rèn)為，它是一個(gè)軟件框架，海量數(shù)據(jù)是它的“菜”，它在大規(guī)模集群上以一種可靠且容錯(cuò)的方式并行地“烹飪這道菜”。

　　MapReduce主要是用于解決Hadoop大數(shù)據(jù)處理的。所謂大數(shù)據(jù)處理，即以價(jià)值為導(dǎo)向，對(duì)大數(shù)據(jù)加工、挖掘和優(yōu)化等各種處理。

　　MapReduce擅長處理大數(shù)據(jù)，它為什么具有這種能力呢？這可由MapReduce的設(shè)計(jì)思想發(fā)覺。MapReduce的思想就是“分而治之”。Mapper負(fù)責(zé)“分”，即把復(fù)雜的任務(wù)分解為若干個(gè)“簡(jiǎn)單的任務(wù)”來處理?！昂?jiǎn)單的任務(wù)”包含三層含義：一是數(shù)據(jù)或計(jì)算的規(guī)模相對(duì)原任務(wù)要大大縮?。欢蔷徒?jì)算原則，即任務(wù)會(huì)分配到存放著所需數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算；三是這些小任務(wù)可以并行計(jì)算，彼此間幾乎沒有依賴關(guān)系。Reducer負(fù)責(zé)對(duì)map階段的結(jié)果進(jìn)行匯總。至于需要多少個(gè)Reducer，用戶可以根據(jù)具體問題，通過在mapred-site.xml配置文件里設(shè)置參數(shù)mapred.reduce.tasks的值，缺省值為1。

　　MapReduce的工作機(jī)制如圖所示：