HDFS源码分析心跳汇报之整体结构

        我们知道，HDFS全称是Hadoop Distribute FileSystem，即Hadoop分布式文件系统。既然它是一个分布式文件系统，那么肯定存在很多物理节点，而这其中，就会有主从节点之分。在HDFS中，主节点是名字节点NameNode，它负责存储整个HDFS中文件元数据信息，保存了名字节点第一关系和名字节点第二关系。名字节点第一关系是文件与数据块的对应关系，在HDFS正常运行期间，保存在NameNode内存和FSImage文件中，并且在NameNode启动时就由FSImage加载，之后的修改则保持在内容和FSEdit日志文件中，而第二关系则是数据块与数据节点的对应关系，它并非由名字节点的FSImage加载而来，而是在从节点DataNode接入集群后，由其发送心跳信息汇报给主节点NameNode。

        那么，何为心跳呢？心跳就是HDFS中从节点DataNode周期性的向名字节点DataNode做汇报，汇报自己的健康情况、负载状况等，并从NameNode处领取命令在本节点执行，保证NameNode这一HDFS指挥官熟悉HDFS的全部运行情况，并对从节点DataNode发号施令，以完成来自外部的数据读写请求或内部的负载均衡等任务。

        我们知道，Hadoop2.x版本中，做了两个比较大的改动：一是引入了联邦的概念，允许一个HDFS集群提供多个命名空间服务，第二个是利用HA解决了NameNode单点故障问题，引入了Active NN和Standby NN的概念。

        本篇文章，结合Hadoop2.6.0的源码，我们先来看下心跳汇报的整体结构。

        众所周知，心跳汇报是从节点DataNode主动发起的周期性向主节点NameNode汇报的一个动作，所以这个问题的突破口自然而然就落在了数据节点DataNode上了。在DataNode内部，有这么一个成员变量blockPoolManager，定义如下：

  // 每个DataNode上都有一个BlockPoolManager实例
  private BlockPoolManager blockPoolManager;

        它是每个DataNode上都会存在的BlockPoolManager实例。那么这个BlockPoolManager是什么呢？看下它的定义及成员变量就知道了，代码如下：

/**
 * Manages the BPOfferService objects for the data node.
 * Creation, removal, starting, stopping, shutdown on BPOfferService
 * objects must be done via APIs in this class.
 * 
 * 为DataNode节点管理BPOfferService对象。
 * 对于BPOfferService对象的创建、移除、启动、停止等操作必须通过该类的api来完成。
 */
@InterfaceAudience.Private
class BlockPoolManager {
  private static final Log LOG = DataNode.LOG;
  
  // NameserviceId与BPOfferService的对应关系
  private final Map<String, BPOfferService> bpByNameserviceId =
    Maps.newHashMap();
  
  // BlockPoolId与BPOfferService的对应关系
  private final Map<String, BPOfferService> bpByBlockPoolId =
    Maps.newHashMap();
  
  // 所有的BPOfferService
  private final List<BPOfferService> offerServices =
    Lists.newArrayList();

  // DataNode实例dn
  private final DataNode dn;

  //This lock is used only to ensure exclusion of refreshNamenodes
  // 这个refreshNamenodesLock仅仅在refreshNamenodes()方法中被用作互斥锁
  private final Object refreshNamenodesLock = new Object();
  
  // 构造函数
  BlockPoolManager(DataNode dn) {
    this.dn = dn;
  }
}

        由类的注释我们可以知道，BlockPoolManager为DataNode节点管理BPOfferService对象。对于BPOfferService对象的创建、移除、启动、停止等操作必须通过类BlockPoolManager的API来完成。而且，BlockPoolManager中主要包含如下几个数据结构：

        1、保存nameserviceId与BPOfferService的对应关系的HashMap：bpByNameserviceId；

        2、保存blockPoolId与BPOfferService的对应关系的HashMap：bpByBlockPoolId；

        3、保存所有BPOfferService的ArrayList：offerServices；

        4、DataNode实例dn；

        5、refreshNamenodes()方法中用于线程间同步或互斥锁的Object：refreshNamenodesLock。

        由前三个成员变量，我们可以清楚的知道，BlockPoolManager主要维护的就是该DataNode上的BPOfferService对象，及其所属nameserviceId、blockPoolId。nameserviceId我们可以理解为HDFS集群中某一特定命名服务空间的唯一标识，blockPoolId则对应为该命名服务空间中的一个块池，或者说一组数据块的唯一标识，那么，什么是BPOfferService呢？我们继续往下看BPOfferService的源码，看下它类的定义及其成员变量，代码如下：

/**
 * One instance per block-pool/namespace on the DN, which handles the
 * heartbeats to the active and standby NNs for that namespace.
 * This class manages an instance of {@link BPServiceActor} for each NN,
 * and delegates calls to both NNs. 
 * It also maintains the state about which of the NNs is considered active.
 * 
 * DataNode上每个块池或命名空间对应的一个实例，它处理该命名空间到对应活跃或备份状态NameNode的心跳。
 * 这个类管理每个NameNode的一个BPServiceActor实例，在两个NanmeNode之间调用。
 * 它也保存了哪个NameNode是active状态。
 */
@InterfaceAudience.Private
class BPOfferService {
  static final Log LOG = DataNode.LOG;

  /**
   * Information about the namespace that this service
   * is registering with. This is assigned after
   * the first phase of the handshake.
   * 
   * 该服务登记的命名空间信息。第一阶段握手即被分配。
   * NamespaceInfo中有个blockPoolID变量，显示了NameSpace与blockPool是一对一的关系
   */
  NamespaceInfo bpNSInfo;

  /**
   * The registration information for this block pool.
   * This is assigned after the second phase of the
   * handshake.
   * 
   * 块池的注册信息，在第二阶段握手被分配
   */
  volatile DatanodeRegistration bpRegistration;
  
  /**
   * 服务所在DataNode节点
   */
  private final DataNode dn;

  /**
   * A reference to the BPServiceActor associated with the currently
   * ACTIVE NN. In the case that all NameNodes are in STANDBY mode,
   * this can be null. If non-null, this must always refer to a member
   * of the {@link #bpServices} list.
   * 
   * 与当前活跃NameNode相关的BPServiceActor引用
   */
  private BPServiceActor bpServiceToActive = null;
  
  /**
   * The list of all actors for namenodes in this nameservice, regardless
   * of their active or standby states.
   * 该命名服务对应的所有NameNode的BPServiceActor实例列表，不管NameNode是活跃的还是备份的
   */
  private final List<BPServiceActor> bpServices =
    new CopyOnWriteArrayList<BPServiceActor>();

  /**
   * Each time we receive a heartbeat from a NN claiming to be ACTIVE,
   * we record that NN's most recent transaction ID here, so long as it
   * is more recent than the previous value. This allows us to detect
   * split-brain scenarios in which a prior NN is still asserting its
   * ACTIVE state but with a too-low transaction ID. See HDFS-2627
   * for details. 
   * 
   * 每次我们接收到一个NameNode要求成为活跃的心跳，都会在这里记录那个NameNode最近的事务ID，只要它
   * 比之前的那个值大。这要求我们去检测裂脑的情景，比如一个之前的NameNode主张保持着活跃状态，但还是使用了较低的事务ID。
   */
  private long lastActiveClaimTxId = -1;

  // 读写锁mReadWriteLock
  private final ReentrantReadWriteLock mReadWriteLock =
      new ReentrantReadWriteLock();
  
  // mReadWriteLock上的读锁mReadLock
  private final Lock mReadLock  = mReadWriteLock.readLock();
  
  // mReadWriteLock上的写锁mWriteLock
  private final Lock mWriteLock = mReadWriteLock.writeLock();

  // utility methods to acquire and release read lock and write lock
  void readLock() {
    mReadLock.lock();
  }

  void readUnlock() {
    mReadLock.unlock();
  }

  void writeLock() {
    mWriteLock.lock();
  }

  void writeUnlock() {
    mWriteLock.unlock();
  }

  BPOfferService(List<InetSocketAddress> nnAddrs, DataNode dn) {
    Preconditions.checkArgument(!nnAddrs.isEmpty(),
        "Must pass at least one NN.");
    this.dn = dn;

    // 每个namenode一个BPServiceActor
    for (InetSocketAddress addr : nnAddrs) {
      this.bpServices.add(new BPServiceActor(addr, this));
    }
  }
}

        由上述代码我们可以得知，BPOfferService为DataNode上每个块池或命名空间对应的一个实例，它处理该命名空间到对应活跃或备份状态NameNode的心跳。这个类管理每个NameNode的一个BPServiceActor实例，同时它也保存了哪个NameNode是active状态。撇开其他成员变量先不说，该类有两个十分重要的成员变量，分别是：

        1、bpServiceToActive：BPServiceActor类型的，表示与当前活跃NameNode相关的BPServiceActor引用；

        2、bpServices：CopyOnWriteArrayList<BPServiceActor>类型的列表，表示该命名服务对应的所有NameNode的BPServiceActor实例列表，不管NameNode是活跃的还是备份的。

        由此可以看出，BPOfferService实际上是每个命名服务空间所对应的一组BPServiceActor的管理者，这些BPServiceActor全部存储在bpServices列表中，并且由bpServices表示当前与active NN连接的BPServiceActor对象的引用，而bpServices对应的则是连接到所有NN的BPServiceActor，无论这个NN是active状态还是standby状态。那么，问题又来了？BPServiceActor是什么呢？继续吧！

/**
 * A thread per active or standby namenode to perform:
 * <ul>
 * <li> Pre-registration handshake with namenode</li>
 * <li> Registration with namenode</li>
 * <li> Send periodic heartbeats to the namenode</li>
 * <li> Handle commands received from the namenode</li>
 * </ul>
 * 
 * 每个活跃active或备份standby状态NameNode对应的线程，它负责完成以下操作：
 * 1、与NameNode进行预登记握手；
 * 2、在NameNode上注册；
 * 3、发送周期性的心跳给NameNode；
 * 4、处理从NameNode接收到的请求。
 */
@InterfaceAudience.Private
// 实现Runnable接口意味着BPServiceActor是一个线程
class BPServiceActor implements Runnable {
  
  static final Log LOG = DataNode.LOG;
  
  // NameNode地址
  final InetSocketAddress nnAddr;
  
  // HA服务状态
  HAServiceState state;

  // BPServiceActor线程所属BPOfferService
  final BPOfferService bpos;
  
  // lastBlockReport, lastDeletedReport and lastHeartbeat may be assigned/read
  // by testing threads (through BPServiceActor#triggerXXX), while also 
  // assigned/read by the actor thread. Thus they should be declared as volatile
  // to make sure the "happens-before" consistency.
  volatile long lastBlockReport = 0;
  volatile long lastDeletedReport = 0;

  boolean resetBlockReportTime = true;

  volatile long lastCacheReport = 0;

  Thread bpThread;
  DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB bpNamenode;
  private volatile long lastHeartbeat = 0;

  /**
   * 枚举类，运行状态，包括
   * CONNECTING 正在连接
   * INIT_FAILED 初始化失败
   * RUNNING 正在运行
   * EXITED 已退出
   * FAILED 已失败
   */
  static enum RunningState {
    CONNECTING, INIT_FAILED, RUNNING, EXITED, FAILED;
  }

  // 运行状态runningState默认为枚举类RunningState的CONNECTING，表示正在连接
  private volatile RunningState runningState = RunningState.CONNECTING;

  /**
   * Between block reports (which happen on the order of once an hour) the
   * DN reports smaller incremental changes to its block list. This map,
   * keyed by block ID, contains the pending changes which have yet to be
   * reported to the NN. Access should be synchronized on this object.
   * 
   * 
   */
  private final Map<DatanodeStorage, PerStoragePendingIncrementalBR>
      pendingIncrementalBRperStorage = Maps.newHashMap();

  // IBR = Incremental Block Report. If this flag is set then an IBR will be
  // sent immediately by the actor thread without waiting for the IBR timer
  // to elapse.
  private volatile boolean sendImmediateIBR = false;
  private volatile boolean shouldServiceRun = true;
  private final DataNode dn;
  private final DNConf dnConf;

  private DatanodeRegistration bpRegistration;

  // 构造方法，BPServiceActor被创建时就已明确知道NameNode地址InetSocketAddress类型的nnAddr，和BPOfferService类型的bpos
  BPServiceActor(InetSocketAddress nnAddr, BPOfferService bpos) {
    this.bpos = bpos;
    this.dn = bpos.getDataNode();
    this.nnAddr = nnAddr;
    this.dnConf = dn.getDnConf();
  }
}

        聪明的您，是不是一眼就能看出，BPServiceActor就是实际与某个特定NameNode通信的工作线程呢？它是每个活跃active或备份standby状态NameNode对应的线程，它负责完成以下操作：

        1、与NameNode进行预登记握手；

        2、在NameNode上注册；

        3、发送周期性的心跳给NameNode；

        4、处理从NameNode接收到的请求。

        关于BPServiceActor的具体实现，我们放到以后再讲，下面我们再折回去，稍微总结下HDFS心跳的整体架构，忽略掉部分细节后，大体架构如图所示：

        首先，每个DataNode上都有一个BlockPoolManager实例；

        其次，每个BlockPoolManager实例管理着所有命名服务空间对应的BPOfferService实例：命名服务空间你可以理解为HDFS中逻辑意义上的某个单独的文件系统；

        然后，每个BPOfferService实例则管理者它所对应命名服务空间内到所有NameNode的BPServiceActor工作线程：包含一个Active与若干Standby状态的NN；

        最后，BPServiceActor对应的是针对特定的NameNode进行通讯和完成心跳与接收响应命令的工作线程。

        上述就是HDFS中心跳汇报的整体结构，由DataNode上BlockPoolManager、BPOfferService和BPServiceActor等三层架构实现，由上到下体现了HDFS中存在多个命名服务空间NameService，每个命名服务空间NameService对应着一个BPOfferService，它负责管理多个BPServiceActor工作线程，每个BPServiceActor则是DataNode上具体与每个NameNode通信完成心跳的工作线程，而这些对应关系，特别是HDFS上有多少命名服务NS，每个命名服务涉及哪些名字节点NN，则是从HDFS的配置文件中获取的。

        关于HDFS中心跳涉及的数据结构如何初始化，我们下节再讲！