大数据架构师，带你HDFS读文件过程分析：读取文件的Block数据
前言
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：
- 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）
- 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）
- 打开一个到该读取的block所在Datanode节点的流，准备读取block数据
- 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。（原创时延军（包含链接：http://shiyanjun.cn））
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
