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抽象出一个read方法

我们可以从java.io.InputStream类中看到,抽象出一个read方法,用来读取已经打开的InputStream实例中的字节,每次调用read方法,会读取一个字节数据,该方法抽象定义,如下所示:

public abstract int read() throws IOException;

Hadoop的DFSClient.DFSInputStream类实现了该抽象逻辑,如果我们清楚了如何从HDFS中读取一个文件的一个block的一个字节的原理,更加抽象的顶层只需要迭代即可获取到该文件的全部数据。

从HDFS读文件过程分析:获取文件对应的Block列表中,我们已经获取到一个文件对应的Block列表信息,打开一个文件,接下来就要读取实际的物理块数据,我们从下面的几个方面来详细说明读取数据的过程。

Client从Datanode读取文件的一个字节

下面,我们通过分析DFSClient.DFSInputStream中实现的代码,读取HDFS上文件的内容。首先从下面的方法开始:

@Override
public synchronized int read() throws IOException {
  int ret = read( oneByteBuf, 0, 1 );
  return ( ret <= 0 ) ? -1 : (oneByteBuf[0] & 0xff);
}

上面调用read(oneByteBuf, 0,
1)读取一个字节到单字节缓冲区oneByteBuf中,具体实现见如下方法:

@Override
public synchronized int read(byte buf[], int off, int len) throws IOException {
  checkOpen(); // 检查Client是否正在运行
  if (closed) {
    throw new IOException("Stream closed");
  }
  failures = 0;

  if (pos < getFileLength()) { // getFileLength()获取文件所包含的总字节数,pos表示读取当前文件的第(pos+1)个字节
    int retries = 2;
    while (retries > 0) {
      try {
        if (pos > blockEnd) { // blockEnd表示文件的长度(字节数)
          currentNode = blockSeekTo(pos); // 找到第pos个字节数据所在的Datanode(实际根据该字节数据所在的block元数据来定位)
        }
        int realLen = (int) Math.min((long) len, (blockEnd - pos + 1L));
        int result = readBuffer(buf, off, realLen); // 读取一个字节到缓冲区中

        if (result >= 0) {
          pos += result; // 每成功读取result个字节,pos增加result
        } else {
          // got a EOS from reader though we expect more data on it.
          throw new IOException("Unexpected EOS from the reader");
        }
        if (stats != null && result != -1) {
          stats.incrementBytesRead(result);
        }
        return result;
      } catch (ChecksumException ce) {
        throw ce;           
      } catch (IOException e) {
        if (retries == 1) {
          LOG.warn("DFS Read: " + StringUtils.stringifyException(e));
        }
        blockEnd = -1;
        if (currentNode != null) { addToDeadNodes(currentNode); }
        if (--retries == 0) {
          throw e;
        }
      }
    }
  }
  return -1;
}

读取文件数据的一个字节,具体过程如下:

  1. 检查流对象是否处于打开状态(前面已经获取到文件对应的block列表的元数据,并打开一个InputStream对象)
  2. 从文件的第一个block开始读取,首先需要找到第一个block对应的数据块所在的Datanode,可以从缓存的block列表中查询到(如果查找不到,则会与Namenode进行一次RPC通信请求获取到)
  3. 打开一个到该读取的block所在Datanode节点的流,准备读取block数据
  4. 建立了到Datanode的连接后,读取一个字节数据到字节缓冲区中,返回读取的字节数(1个字节)

在读取的过程中,以字节为单位,通过判断某个偏移位置的字节属于哪个block(根据block元数据所限定的字节偏移范围),在根据这个block去定位某一个Datanode节点,这样就可连续地读取一个文件的全部数据(组成文件的、连续的多个block数据块)。

查找待读取的一个字节所在的Datanode节点

上面public synchronized int read(byte buf[], int off, int len) throws
IOException方法,调用了blockSeekTo方法来获取,文件某个字节索引位置的数据所在的Datanode节点。其实,很容易就能想到,想要获取到数据所在的Datanode节点,一定是从block元数据中计算得到,然后根据Client缓存的block映射列表,找到block对应的Datanode列表,我们看一下blockSeekTo方法的代码实现:

private synchronized DatanodeInfo blockSeekTo(long target) throws IOException {
  ... ...

  DatanodeInfo chosenNode = null;
  int refetchToken = 1; // only need to get a new access token once
  while (true) {
    LocatedBlock targetBlock = getBlockAt(target, true); // 获取字节偏移位置为target的字节数据所在的block元数据对象
    assert (target==this.pos) : "Wrong postion " + pos + " expect " + target;
    long offsetIntoBlock = target - targetBlock.getStartOffset();

    DNAddrPair retval = chooseDataNode(targetBlock); // 选择一个Datanode去读取数据
    chosenNode = retval.info;
    InetSocketAddress targetAddr = retval.addr;

    // 先尝试从本地读取数据,如果数据不在本地,则正常去读取远程的Datanode节点
    Block blk = targetBlock.getBlock();
    Token<BlockTokenIdentifier> accessToken = targetBlock.getBlockToken();
    if (shouldTryShortCircuitRead(targetAddr)) {
      try {
        blockReader = getLocalBlockReader(conf, src, blk, accessToken,
            chosenNode, DFSClient.this.socketTimeout, offsetIntoBlock); // 创建一个用来读取本地数据的BlockReader对象
        return chosenNode;
      } catch (AccessControlException ex) {
        LOG.warn("Short circuit access failed ", ex);
        //Disable short circuit reads
        shortCircuitLocalReads = false;
      } catch (IOException ex) {
        if (refetchToken > 0 && tokenRefetchNeeded(ex, targetAddr)) {
          /* Get a new access token and retry. */
          refetchToken--;
          fetchBlockAt(target);
          continue;
        } else {
          LOG.info("Failed to read " + targetBlock.getBlock()
              + " on local machine" + StringUtils.stringifyException(ex));
          LOG.info("Try reading via the datanode on " + targetAddr);
        }
      }
    }

    // 本地读取失败,按照更一般的方式去读取远程的Datanode节点来获取数据
    try {
      s = socketFactory.createSocket();
      LOG.debug("Connecting to " + targetAddr);
      NetUtils.connect(s, targetAddr, getRandomLocalInterfaceAddr(), socketTimeout);
      s.setSoTimeout(socketTimeout);
      blockReader = RemoteBlockReader.newBlockReader(s, src, blk.getBlockId(),
          accessToken,
          blk.getGenerationStamp(),
          offsetIntoBlock, blk.getNumBytes() - offsetIntoBlock,
          buffersize, verifyChecksum, clientName); // 创建一个远程的BlockReader对象
      return chosenNode;
    } catch (IOException ex) {
      if (refetchToken > 0 && tokenRefetchNeeded(ex, targetAddr)) {
        refetchToken--;
        fetchBlockAt(target);
      } else {
        LOG.warn("Failed to connect to " + targetAddr
            + ", add to deadNodes and continue" + ex);
        if (LOG.isDebugEnabled()) {
          LOG.debug("Connection failure", ex);
        }
        // Put chosen node into dead list, continue
        addToDeadNodes(chosenNode); // 读取失败,会将选择的Datanode加入到Client的dead node列表,为下次读取选择合适的Datanode读取文件数据提供参考元数据信息
      }
      if (s != null) {
        try {
          s.close();
        } catch (IOException iex) { }                       
      }
      s = null;
    }
  }
}

上面代码中,主要包括如下几个要点:

  • 选择合适的Datanode节点,提高读取效率

在读取文件的时候,首先会从Namenode获取文件对应的block列表元数据,返回的block列表是按照Datanode的网络拓扑结构进行排序过的(本地节点优先,其次是同一机架节点),而且,Client还维护了一个dead
node列表,只要此时bock对应的Datanode列表中节点不出现在dead
node列表中就会被返回,用来作为读取数据的Datanode节点。

  • 如果Client为集群Datanode节点,尝试从本地读取block

通过调用chooseDataNode方法返回一个Datanode结点,通过判断,如果该节点地址是本地地址,并且该节点上对应的block元数据信息的状态不是正在创建的状态,则满足从本地读取数据块的条件,然后会创建一个LocalBlockReader对象,直接从本地读取。在创建LocalBlockReader对象的过程中,会先从缓存中查找一个本地Datanode相关的LocalDatanodeInfo对象,该对象定义了与从本地Datanode读取数据的重要信息,以及缓存了待读取block对应的本地路径信息,可以从LocalDatanodeInfo类定义的属性来说明:

private ClientDatanodeProtocol proxy = null;
private final Map<Block, BlockLocalPathInfo> cache;

如果缓存中存在待读取的block的相关信息,可以直接进行读取;否则,会创建一个proxy对象,以及计算待读取block的路径信息BlockLocalPathInfo,最后再加入到缓存,为后续可能的读取加速。我们看一下如果没有从缓存中找到LocalDatanodeInfo信息(尤其是BlockLocalPathInfo),则会执行如下逻辑:

// make RPC to local datanode to find local pathnames of blocks
pathinfo = proxy.getBlockLocalPathInfo(blk, token);

上面proxy为ClientDatanodeProtocol类型,Client与Datanode进行RPC通信的协议,RPC调用getBlockLocalPathInfo获取block对应的本地路径信息,可以在Datanode类中查看具体实现,如下所示:

BlockLocalPathInfo info = data.getBlockLocalPathInfo(block);

Datanode调用FSDataset(实现接口FSDatasetInterface)的getBlockLocalPathInfo,如下所示:

@Override //FSDatasetInterface
public BlockLocalPathInfo getBlockLocalPathInfo(Block block)
    throws IOException {
  File datafile = getBlockFile(block); // 获取本地block在本地Datanode文件系统中的文件路径
  File metafile = getMetaFile(datafile, block);  // 获取本地block在本地Datanode文件系统中的元数据的文件路径
  BlockLocalPathInfo info = new BlockLocalPathInfo(block, datafile.getAbsolutePath(), metafile.getAbsolutePath());
  return info;
}

接着可以直接去读取该block文件(如果需要检查校验和文件,会读取block的元数据文件metafile):

... // BlockReaderLocal类的newBlockReader静态方法
// get a local file system
File blkfile = new File(pathinfo.getBlockPath());
dataIn = new FileInputStream(blkfile);

if (!skipChecksum) { // 如果检查block的校验和
  // get the metadata file
  File metafile = new File(pathinfo.getMetaPath());
  checksumIn = new FileInputStream(metafile);

  // read and handle the common header here. For now just a version
  BlockMetadataHeader header = BlockMetadataHeader.readHeader(new DataInputStream(checksumIn));
  short version = header.getVersion();
  if (version != FSDataset.METADATA_VERSION) {
    LOG.warn("Wrong version (" + version + ") for metadata file for " + blk + " ignoring ...");
  }
  DataChecksum checksum = header.getChecksum();
  localBlockReader = new BlockReaderLocal(conf, file, blk, token, startOffset, length, pathinfo, checksum, true, dataIn, checksumIn);
} else {
  localBlockReader = new BlockReaderLocal(conf, file, blk, token, startOffset, length, pathinfo, dataIn);
}

在上面代码中,返回了BlockLocalPathInfo,但是很可能在这个过程中block被删除了,在删除block的时候,Namenode会调度指派该Datanode删除该block,恰好在这个时间间隔内block对应的BlockLocalPathInfo信息已经失效(文件已经被删除),所以上面这段代码再try中会抛出异常,并在catch中捕获到IO异常,会从缓存中再清除掉失效的block到BlockLocalPathInfo的映射信息。

  • 如果Client非集群Datanode节点,远程读取block

如果Client不是Datanode本地节点,则只能跨网络节点远程读取,首先创建Socket连接:

s = socketFactory.createSocket();
LOG.debug("Connecting to " + targetAddr);
NetUtils.connect(s, targetAddr, getRandomLocalInterfaceAddr(), socketTimeout);
s.setSoTimeout(socketTimeout);

建立Client到目标Datanode(targetAddr)的连接,然后同样也是创建一个远程BlockReader对象RemoteBlockReader来辅助读取block数据。创建RemoteBlockReader过程中,首先向目标Datanode发送RPC请求:

// in and out will be closed when sock is closed (by the caller)
DataOutputStream out = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(NetUtils.getOutputStream(sock,HdfsConstants.WRITE_TIMEOUT)));

//write the header.
out.writeShort( DataTransferProtocol.DATA_TRANSFER_VERSION ); // Client与Datanode之间传输数据的版本号
out.write( DataTransferProtocol.OP_READ_BLOCK ); // 传输操作类型:读取block
out.writeLong( blockId ); // block ID
out.writeLong( genStamp ); // 时间戳信息
out.writeLong( startOffset ); // block起始偏移量
out.writeLong( len ); // block长度
Text.writeString(out, clientName); // 客户端标识
accessToken.write(out); 
out.flush();

然后获取到DataInputStream对象来读取Datanode的响应信息:

DataInputStream in = new DataInputStream(
    new BufferedInputStream(NetUtils.getInputStream(sock), bufferSize));

最后,返回一个对象RemoteBlockReader:

return new RemoteBlockReader(file, blockId, in, checksum, verifyChecksum, startOffset, firstChunkOffset, sock);

借助BlockReader来读取block字节

我们再回到blockSeekTo方法中,待读取block所在的Datanode信息、BlockReader信息都已经具备,接着就可以从包含输入流(InputStream)对象的BlockReader中读取数据块中一个字节数据:

int result = readBuffer(buf, off, realLen);

将block数据中一个字节读取到buf中,如下所示:

private synchronized int readBuffer(byte buf[], int off, int len) throws IOException {
  IOException ioe;
  boolean retryCurrentNode = true;

  while (true) {
    // retry as many times as seekToNewSource allows.
    try {
      return blockReader.read(buf, off, len); // 调用blockReader的read方法读取字节数据到buf中
    } catch ( ChecksumException ce ) {
      LOG.warn("Found Checksum error for " + currentBlock + " from " + currentNode.getName() + " at " + ce.getPos());         
      reportChecksumFailure(src, currentBlock, currentNode);
      ioe = ce;
      retryCurrentNode = false; // 只尝试读取当前选择的Datanode一次,失败的话就会被加入到Client的dead node列表中
    } catch ( IOException e ) {
      if (!retryCurrentNode) {
        LOG.warn("Exception while reading from " + currentBlock + " of " + src + " from " + currentNode + ": " + StringUtils.stringifyException(e));
      }
      ioe = e;
    }
    boolean sourceFound = false;
    if (retryCurrentNode) {
      /* possibly retry the same node so that transient errors don't
       * result in application level failures (e.g. Datanode could have
       * closed the connection because the client is idle for too long).
       */
      sourceFound = seekToBlockSource(pos);
    } else {
      addToDeadNodes(currentNode); // 加入到Client的dead node列表中
      sourceFound = seekToNewSource(pos); // 从当前选择的Datanode上读取数据失败,会再次选择一个Datanode,这里seekToNewSource方法内部调用了blockSeekTo方法去选择一个Datanode
    }
    if (!sourceFound) {
      throw ioe;
    }
    retryCurrentNode = false;
  }
}

通过BlockReaderLocal或者RemoteBlockReader来读取block数据,逻辑非常类似,主要是控制读取字节的偏移量,记录偏移量的状态信息,详细可以查看它们的源码。

DataNode节点处理读文件Block请求

我们可以在DataNode端看一下,如何处理一个读取Block的请求。如果Client与DataNode不是同一个节点,则为远程读取文件Block,首先Client需要发送一个请求头信息,代码如下所示:

//write the header.
out.writeShort( DataTransferProtocol.DATA_TRANSFER_VERSION ); // Client与Datanode之间传输数据的版本号
out.write( DataTransferProtocol.OP_READ_BLOCK ); // 传输操作类型:读取block
out.writeLong( blockId ); // block ID
out.writeLong( genStamp ); // 时间戳信息
out.writeLong( startOffset ); // block起始偏移量
out.writeLong( len ); // block长度
Text.writeString(out, clientName); // 客户端标识
accessToken.write(out); 
out.flush();

DataNode节点端通过验证数据传输版本号(DataTransferProtocol.DATA_TRANSFER_VERSION)一致以后,会判断传输操作类型,如果是读操作DataTransferProtocol.OP_READ_BLOCK,则会通过Client建立的Socket来创建一个OutputStream对象,然后通过BlockSender向Client发送Block数据,代码如下所示:

try {
  blockSender = new BlockSender(block, startOffset, length, true, true, false, datanode, clientTraceFmt); // 创建BlockSender对象
} catch(IOException e) {
  out.writeShort(DataTransferProtocol.OP_STATUS_ERROR);
  throw e;
}

out.writeShort(DataTransferProtocol.OP_STATUS_SUCCESS); // 回复一个响应Header信息:成功状态
long read = blockSender.sendBlock(out, baseStream, null); // 发送请求的Block数据

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