大数据---34.HBase数据结构

一、HBase简介

HBase是一个开源的、分布式的、版本化的NoSQL数据库（即非关系型数据库），依托Hadoop分布式文件系统HDFS提供分布式数据存储，利用MapReduce来处理海量数据，用Zookeeper作为其分布式协同服务，一般用于存储海量数据。HDFS和HBase的区别在于，HDFS是文件系统，而HBase是数据库。HBase只是一个NoSQL数据库，把数据存在HDFS上。可以把HBase当做是MySQL，把HDFS当做是硬盘。

这里表示的就是数据存储的位置和名字；以及簇的信息

进入到具体的表中就是我们数据存的具体的节点和 区的开始位置和结束位置；

startkey 预分区的开始

endkey 预分区的结束

HBase 定义

HBase 是一种分布式、可扩展、支持海量数据存储的 NoSQL 数据库。

1）Master

Master是所有Region Server的管理者，其实现为HRegionServer,主要作用有:

对于表的DDL操作：create，delete，alter；

对于RegionServer的操作：分配regions到每个RegionServer，监控每个RegionServer的状态，负载均衡和故障转移。

2）Zookeeper：

HBase通过Zookeeper来做Master的高可用、RegionServer的监控、元数据的入口以及集群配置的维护等工作。

3）WAL：

由于数据要经MemStore排序后才能刷写到HFile，但把数据保存在内存中会有很高的概率导致数据丢失，为了解决这个问题，数据会先写入Write-Ahead logfile的文件中，然后再写入到Memstore中。所以在系统出现故障的时候，数据可以通过这个日志文件重建。

4）MemStore：

写缓存，由于HFile中的数据要求是有序的，所以数据是先存储在MemStore中，排好序后，等到达刷写时机才会刷写到HFile，每次刷写都会形成一个新的HFile。

5）StoreFile：

保存实际数据的物理文件，StoreFile以HFile的形式存储在HDFS上。每个Store会有一个或多个StoreFile(HFile)，数据在StoreFile上是有序的。

1）Name Space

命名空间，类似于关系型数据库的DataBase概念，每个命名空间下有多个表。HBase有两个自带的命名空间，分别是hbase和default，hbase中存放的是HBase的内置表，default表示用户默认使用的命名空间。

2）Region（区域）

类似于关系型数据库的表概念。不同的是，HBase定义表时只需要生命列簇即可，不需要声明具体的列。这意味着，往HBase写入数据时，字段可以动态、按需指定。

HBase表中的每行数据都由一个RowKey和多个Column(列)组成，数据是按照RowKey的字典顺序存储的，并且查询时智能根据RowKey进行检索，所以RowKey的设计十分重要。

4）Cloumn

HBase中的每个列都由Cloumn Family（列簇）和Cloumn Qualifier（列限定符）进行限定，例如info：name，info：age。建表时，只需指明列簇，而列限定符无需预先定义。

5）Time Stamp

用于标识数据的不同版本（version），每条数据写入时，如果不指定时间戳，系统会自动为其加上该字段，其值为写入HBase的时间。

HBASE 中通过rowkey和columns确定的为一个存贮单元称为cell。每个 cell都保存 着同一份数据的多个版本。版本通过时间戳来索引。时间戳的类型是 64位整型。时间戳可以由HBASE(在数据写入时自动 )赋值，此时时间戳是精确到毫秒 的当前系统时间。时间戳也可以由客户显式赋值。如果应用程序要避免数据版 本冲突，就必须自己生成具有唯一性的时间戳。每个 cell中，不同版本的数据按照时间倒序排序，即最新的数据排在最前面。

为了避免数据存在过多版本造成的的管理 (包括存贮和索引)负担，HBASE提供 了两种数据版本回收方式。一是保存数据的最后n个版本，二是保存最近一段 时间内的版本（比如最近七天）。用户可以针对每个列族进行设置。

可以根据时间戳来进行数据的取：

scan ‘namespace名:表名’, {COLUMN => ‘列簇:列’, TIMERANGE => [开始时间戳,结束时间戳]}

scan ‘student’, {COLUMN => ‘c1’, TIMERANGE => [1658827317000,1658913717000]}

6）Cell

由

{ RowKey, ColumnFamily: ColumnQualifier, TimeStamp}

唯一确定的单元。cell 中的数据是没有类型的，全部是字节码形式存贮。

Hbase是bigtable的开源山寨版本。是建立的hdfs之上，提供高可靠性、高性能、列存储、可伸缩、实时读写的数据库系统。

它介于nosql和RDBMS之间，仅能通过主键(row key)和主键的range来检索数据，仅支持单行事务(可通过hive支持来实现多表join等复杂操作)。主要用来存储非结构化和半结构化的松散数据。

与hadoop一样，Hbase目标主要依靠横向扩展，通过不断增加廉价的商用服务器，来增加计算和存储能力。

RowKey

与nosql数据库们一样,RowKey是用来检索记录的主键。访问HBASE table中的行，只有三种方式：

1.通过单个RowKey访问

2.通过RowKey的range（正则）

3.全表扫描

RowKey行键 (RowKey)可以是任意字符串(最大长度是64KB，实际应用中长度一般为 10-100bytes)，在HBASE内部，RowKey保存为字节数组。存储时，数据按照RowKey的字典序(byte order)排序存储。设计RowKey时，要充分排序存储这个特性，将经常一起读取的行存储放到一起。(位置相关性)

Column Family

列族：HBASE表中的每个列，都归属于某个列族。列族是表的schema的一部 分(而列不是)，必须在使用表之前定义。列名都以列族作为前缀。例如 courses:history，courses:math都属于courses 这个列族。

Cell

由{rowkey, column Family:columu, version} 唯一确定的单元。cell中的数据是没有类型的，全部是字节码形式存贮。

关键字：无类型、字节码

命名空间 命名空间的结构:

1. Table：表，所有的表都是命名空间的成员，即表必属于某个命名空间，如果没有指定，则在default默认的命名空间中。
2. RegionServer group：一个命名空间包含了默认的RegionServer Group。
3. Permission：权限，命名空间能够让我们来定义访问控制列表ACL（Access Control List）。例如，创建表，读取表，删除，更新等等操作。
4. Quota：限额，可以强制一个命名空间可包含的region的数量。

默认的空间：

有命名空间：

比如：

name_space001: student 就是这个命名空间下的表；

HBase 中的表一般有这样的特点：

1、大：一个表可以有上十亿行，上百万列；

2、面向列：面向列(族)的存储和权限控制，列(族)独立检索；

3、稀疏:对于为空(null)的列，并不占用存储空间，因此，表可以设计的非常稀疏。

HBase储存结构详解

从上面的架构图可以看出HBase是建立在hadoop之上的,HBase底层依赖于HDFS。HBase有3个重要的组件：Zookeeper、HMaster、HRegionServer。

Zookeeper为整个HBase集群提供协助的服务，HMaster主要用于监控和操作集群的所有RegionServer。RegionServer主要用于服务和管理分区（Regions）

1、HDFS

HBase底层依赖于HDFS的

2、HMaster

HMaster是HBase集群架构中的主节点，通常一个HBase集群存在多个HMaster节点,其中一个为Active Master,其余为Backup Master。

Hbase每时每刻只有一个HMaster主服务器程序在运行，HMaster将region分配给HRegionServer，协调HRegionServer的负载并维护集群的状态。Hmaster不会对外提供数据服务，而是由HRegionServer负责所有regions的读写请求及操作。

由于HMaster只维护表和region的元数据，负责Region的分配及数据库的创建和删除等操作而不参与数据的输入/输出过程，HMaster失效仅仅会导致所有的元数据无法被修改，但表的数据读/写还是可以正常进行的。

HMaster的作用：

A、调控Region server的工作

为Region server分配region,

负责HRegionServer的负载均衡,

监控集群中的Region server的工作状态, 发现失效的HRegionServer并重新分配其上的Hregion（通过监听zookeeper对于ephemeral node状态的通知）。

备注：

HRegion,习惯把它称为region,表的意思

HRegionServer,习惯把它称为Region server,HRegionServer是HBase集群架构中的从节点

B、管理数据库

提供创建，删除或者更新表格的接口。

.3、HRegionServer

HRegionServer是HBase集群架构中的从节点，HBase中的表是根据row key的值水平分割成所谓的region的。一个region包含表中所有row key位于region的起始键值和结束键值之间的行。

集群中负责管理Region的结点叫做Region server。Region server负责数据的读写。每一个Region server大约可以管理1000个region。

备注：HRegionServer,习惯把它称为Region server,HRegionServer是HBase集群架构中的从节点。（一些文章写的是Region server、一些写的是HRegionServer，两个意思都是一样的）

1、HRegionServer由如下几个部分组成

一个HRegionServer会有多个HRegion和一个HLog。

HLog:预写入日志，防止内存中数据丢失

HRegion：表,一个HRegionServer可以维护多个HRegion（习惯称为一个Region Server可以维护多个Region）

2、HRegionServer的职责

维护HMaster分配给它的HRegion，处理对这些HRegion的IO请求，也就是说客户端直接和HRegionServer打交道。

4、HRegion

概述

Region是HBase数据管理的基本单位，每个HRegion由多个Store构成，每个Store保存一个列族（Columns Family），表有几个列族，则有几个Store，每个Store由一个MemStore和多个StoreFile组成，MemStore是Store在内存中的内容，写到文件后就是StoreFile，StoreFile底层是以HFile的格式保存。

Region相当于数据库中的表

Region/Store/StoreFile/Hfile之间的关系

1、 Region

table在行的方向上分隔为多个Region。Region是HBase中分布式存储和负载均衡的最小单元，即不同的region可以分别在不同的Region Server上，但同一个Region是不会拆分到多个server上。

Region按大小分隔，表中每一行只能属于一个region。随着数据不断插入表，region不断增大，当region的某个列族达到一个阈值（默认256M）时就会分成两个新的region。

2、 Store

每一个region有一个或多个store组成，至少是一个store，hbase会把一起访问的数据放在一个store里面，即为每个ColumnFamily建一个store（即有几个ColumnFamily，也就有几个Store）。一个Store由一个memStore和0或多个StoreFile组成。

HBase以store的大小来判断是否需要切分region。

store的数据存储在两个地方MemStore和StoreFile

3、 MemStore

写缓存，memStore 是放在内存里的。由于 HFile 中的数据要求是有序的，所以数据是先存储在 MemStore 中，排好序后，等到达刷写时机才会刷写到 HFile（当memStore的大小达到一个阀值【默认64MB】时，memStore会被flush到文件），每次刷写都会形成一个新的 HFile。

4、StoreFile

memStore内存中的数据写到文件后就是StoreFile（即memstore的每次flush操作都会生成一个新的StoreFile），StoreFile底层是以HFile的格式保存。

5、HFile

HFile是HBase中KeyValue数据的存储格式，是hadoop的二进制格式文件。一个StoreFile对应着一个HFile。而HFile是存储在HDFS之上的。

hbase的原数据存储在 zookeeper里边：

zkCli.sh

就可以进行到zk的集群中；

HBase读流程

HBase读数据流程：

1）Client 先访问 zookeeper，获取 hbase:meta 表位于哪个 Region Server。

2）访问对应的 Region Server，获取 hbase:meta 表，根据读请求的 namespace:table/rowkey，查询出目标数据位于哪个 Region Server 中的哪个 Region 中。并将该 table 的 region 信息以及 meta 表的位置信息缓存在客户端的 meta cache，方便下次访问。

3）与目标 Region Server 进行通讯；

4）分别在 Block Cache（读缓存），MemStore 和 Store File（HFile）中查询目标数据，并将查到的所有数据进行合并。此处所有数据是指同一条数据的不同版本（time stamp）或者不同的类型（Put/Delete）。

5）将从文件中查询到的数据块（Block，HFile 数据存储单元，默认大小为 64KB）缓存到Block Cache。

6）将合并后的最终结果返回给客户端。

HBase写流程

1、客户端先访问zookeeper，获取Meta表位于那个region server

2、访问Meta表对应的region server服务器，根据请求的信息（namespace:table/rowkey）,在meta表中查询出目标数据位于哪个region server的哪个region中。

并将该表的region信息以及meta表的位置信息缓存到客户端的meta cache，方便下次访问。

3、与目标数据的region server进行通讯

4、将数据写入到WAL中

5、将数据写入到对应的memstore中，

6、向客户端发送写入成功的信息

7、等达到memstore的刷写时机后，将数据刷写到HFILE中

MemStore Flush刷写

1.当某个MemStore的大小达到了hbase.hregion.memstore.flush.size（默认值 128M），其所在 region 的所有 memstore (对应的列簇)都会刷写。将数据刷到硬盘，将内存中的数据删除，同时删除HLog中的历史数据；

　　

当达到128M的时候会触发flush memstore，当达到128M * n还没法触发flush时候会抛异常来拒绝写入。两个相关参数的默认值如下：

hbase.hregion.memstore.flush.size=128M(默认)

hbase.hregion.memstore.block.multiplier=4(默认)

2.当 region server 中 memstore 的总大小达到java_heapsize(应用的堆内存)

hbase.regionserver.global.memstore.size（默认值 0.4）

hbase.regionserver.global.memstore.size.lower.limit（默认值 0.95），

　　

region 会按照其所有 memstore 的大小顺序（由大到小）依次进行刷写。直到 region server中所有 memstore 的总大小减小到上述值以下。当 region server 中 memstore 的总大小达到

java_heapsize*hbase.regionserver.global.memstore.size（默认值 0.4）时，会阻止继续往所有的 memstore 写数据。

3.到达自动刷写的时间，也会触发 memstore flush。自动刷新的时间间隔由该属性进行配置 hbase.regionserver.optionalcacheflushinterval（默认 1 小时）。

4.当 WAL 文件的数量超过 hbase.regionserver.maxlogs，region 会按照时间顺序依次进行刷写，直到 WAL 文件数量减小到 hbase.regionserver.maxlogs 以下（该属性名已经废弃，现无需手动设置，最大值为 32）。

数据合并：StoreFile Compaction

由于memstore每次刷写都会生成一个新的HFile，且同一个字段的不同版本(timestamp)和不同类型(Put/Delete)有可能分布在不同的HFile中，因此查询时需要遍历所有的HFile。为了减少HFile的个数，以及清除掉过期和删除的数据，会进行StoreFile Compaction。

Compaction分为两种，分别时Minor Compaction和Major Compaction。Minor Compaction会将临时的若干较小的HFile合并成一个较大的HFile，但不会清理过期和删除的数据。Major Compaction会将一个Store下的所有HFile合并为一个大HFile，并且会清理掉过期和删除的数据。

数据拆分：Region Split

默认情况下，每个 Table 起初只有一个 Region，随着数据的不断写入，Region 会自动进行拆分。刚拆分时，两个子 Region 都位于当前的 Region Server，但处于负载均衡的考虑，HMaster 有可能会将某个 Region 转移给其他的 Region Server。

Region Split 时机：

1.当1个region中的某个Store下所有StoreFile的总大小超过hbase.hregion.max.filesize，该 Region 就会进行拆分（0.94 版本之前）。

2. 当 1 个 region 中 的 某 个 Store 下所有 StoreFile 的 总 大 小 超 过 Min(R^2 *“hbase.hregion.memstore.flush.size”,hbase.hregion.max.filesize")，该 Region 就会进行拆分，其中 R 为当前 Region Server 中属于该 Table 的个数（0.94 版本之后）。