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@changedi 2017-04-18T09:09:51.000000Z 字数 13930 阅读 3721

HDFS启动

大数据 HDFS

所有的分析以单机安装的Hadoop版本2.6.4为例分析。步骤依赖于安装文档中的步骤，见Hadoop的单机安装

预制几个重要的脚本文件：
- 假设hadoop的安装目录在HADOOP_HOME。
- 重要的脚本文件hadoop-functions.sh。

步骤详解

格式化系统

第一步要：$ bin/hdfs namenode -format

主要执行HADOOP_HOME/bin/hdfs命令。其中设置了3个重要的变量名

  1.  namenode)
  2.       HADOOP_SUBCMD_SUPPORTDAEMONIZATION="true"
  3.       HADOOP_CLASSNAME='org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.NameNode'
  4.       hadoop_add_param HADOOP_OPTS hdfs.audit.logger "-Dhdfs.audit.logger=${HDFS_AUDIT_LOGGER}"
  5.     ;;

然后最后执行

  1. hadoop_java_exec "${HADOOP_SUBCMD}" "${HADOOP_CLASSNAME}" "${HADOOP_SUBCMD_ARGS[@]}"

其中的hadoop_java_exec是hadoop-functions.sh中声明的一个函数，其作用就是启动java进程执行command。

  1. function hadoop_java_exec
  2. {
  3.   # run a java command.  this is used for
  4.   # non-daemons
  6.   local command=$1
  7.   local class=$2
  8.   shift 2
  10.   hadoop_debug "Final CLASSPATH: ${CLASSPATH}"
  11.   hadoop_debug "Final HADOOP_OPTS: ${HADOOP_OPTS}"
  12.   hadoop_debug "Final JAVA_HOME: ${JAVA_HOME}"
  13.   hadoop_debug "java: ${JAVA}"
  14.   hadoop_debug "Class name: ${class}"
  15.   hadoop_debug "Command line options: $*"
  17.   export CLASSPATH
  18.   #shellcheck disable=SC2086
  19.   exec "${JAVA}" "-Dproc_${command}" ${HADOOP_OPTS} "${class}" "$@"
  20. }

所以，整个命令的链路核心目标就是执行org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.NameNode类的main函数，传递的参数为format。

  1. public static void main(String argv[]) throws Exception {
  2.     if (DFSUtil.parseHelpArgument(argv, NameNode.USAGE, System.out, true)) {
  3.       System.exit(0);
  4.     }
  6.     try {
  7.       StringUtils.startupShutdownMessage(NameNode.class, argv, LOG);
  8.       NameNode namenode = createNameNode(argv, null);
  9.       if (namenode != null) {
  10.         namenode.join();
  11.       }
  12.     } catch (Throwable e) {
  13.       LOG.error("Failed to start namenode.", e);
  14.       terminate(1, e);
  15.     }
  16.   }

其中startupShutdownMessage方法会打印一些启动信息到控制台，同时如果是unix系统，会注册logger到signal，在接受 { "TERM", "HUP", "INT" }信号时打印错误日志。这样做的意义在于当有系统信号触发进程结束时，可以根据日志来判断是什么原因退出进程的。

  1. if (SystemUtils.IS_OS_UNIX) {
  2.       try {
  3.         SignalLogger.INSTANCE.register(LOG);
  4.       } catch (Throwable t) {
  5.         LOG.warn("failed to register any UNIX signal loggers: ", t);
  6.       }

接下来就是createNameNode了，首先解析出-format参数为StartOption.FORMAT，然后执行format方法，由于没有指定cluster，所以系统new一个clusterId，比如形如CID-d2425dab-c066-4a67-954f-32228c22abe6。

  1. private static boolean format(Configuration conf, boolean force,
  2.       boolean isInteractive) throws IOException {
  3.     String nsId = DFSUtil.getNamenodeNameServiceId(conf);
  4.     String namenodeId = HAUtil.getNameNodeId(conf, nsId);
  5.     initializeGenericKeys(conf, nsId, namenodeId);
  6.     checkAllowFormat(conf);
  8.     if (UserGroupInformation.isSecurityEnabled()) {
  9.       InetSocketAddress socAddr = DFSUtilClient.getNNAddress(conf);
  10.       SecurityUtil.login(conf, DFS_NAMENODE_KEYTAB_FILE_KEY,
  11.           DFS_NAMENODE_KERBEROS_PRINCIPAL_KEY, socAddr.getHostName());
  12.     }
  14.     Collection<URI> nameDirsToFormat = FSNamesystem.getNamespaceDirs(conf);
  15.     List<URI> sharedDirs = FSNamesystem.getSharedEditsDirs(conf);
  16.     List<URI> dirsToPrompt = new ArrayList<URI>();
  17.     dirsToPrompt.addAll(nameDirsToFormat);
  18.     dirsToPrompt.addAll(sharedDirs);
  19.     List<URI> editDirsToFormat = 
  20.                  FSNamesystem.getNamespaceEditsDirs(conf);
  22.     // if clusterID is not provided - see if you can find the current one
  23.     String clusterId = StartupOption.FORMAT.getClusterId();
  24.     if(clusterId == null || clusterId.equals("")) {
  25.       //Generate a new cluster id
  26.       clusterId = NNStorage.newClusterID();
  27.     }
  28.     System.out.println("Formatting using clusterid: " + clusterId);
  30.     FSImage fsImage = new FSImage(conf, nameDirsToFormat, editDirsToFormat);
  31.     try {
  32.       FSNamesystem fsn = new FSNamesystem(conf, fsImage);
  33.       fsImage.getEditLog().initJournalsForWrite();
  35.       if (!fsImage.confirmFormat(force, isInteractive)) {
  36.         return true; // aborted
  37.       }
  39.       fsImage.format(fsn, clusterId);
  40.     } catch (IOException ioe) {
  41.       LOG.warn("Encountered exception during format: ", ioe);
  42.       fsImage.close();
  43.       throw ioe;
  44.     }
  45.     return false;
  46.   }

接下来构造一个FSImage，设置默认的checkpoint目录，设置存储以及初始化edit log。其中NNStorage负责管理存储目录，FSEditLog是edit log对象。

  1. protected FSImage(Configuration conf,
  2.                     Collection<URI> imageDirs,
  3.                     List<URI> editsDirs)
  4.       throws IOException {
  5.     this.conf = conf;
  7.     storage = new NNStorage(conf, imageDirs, editsDirs);
  8.     if(conf.getBoolean(DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_NAME_DIR_RESTORE_KEY,
  9.                        DFSConfigKeys.DFS_NAMENODE_NAME_DIR_RESTORE_DEFAULT)) {
  10.       storage.setRestoreFailedStorage(true);
  11.     }
  13.     this.editLog = FSEditLog.newInstance(conf, storage, editsDirs);
  14.     archivalManager = new NNStorageRetentionManager(conf, storage, editLog);
  15.   }

有了文件系统镜像，就可以构造FSNamesystem了，这是一个namespace状态存储的容器，负责承载NameNode的一切记录性质的工作。具体的构造函数代码较长，这里就不贴明细了。具体分析一下步骤：
1. 先创建KeyProvider，我们这个例子没有安全模式，因此no KeyProvider found。
2. 读取dfs.namenode.fslock.fair，构造FSNamesystemLock，默认true，即公平读写锁。
3. 设置用户和权限
4. check 是否HA
5. 初始化BlockManager及其代理的一堆manager，包括：DatanodeManager(管理DataNode的下线[DecommissionManager]和其他活动)，HeartbeatManager(管理从datanode接收到的心跳)，BlockIdManager(分配和管理GenerationStamp和block id)等。
6. 构造FSDirectory，这是个纯内存的结构，用来和FSNamesystem一起管理NameNode，构造INode。
7. 初始化CacheManager来管理DataNode的cache。
8. 初始化RetryCache。cache了一些非幂等的被RPCserver成功处理的请求，用以处理重试。

至此FSNamesystem初始化完成，最后执行FSImage的format方法，进行格式化。然后shutdown NameNode。

启动NameNode和DataNode的进程

第二步就是启动NameNode和DataNode了，具体脚本如下：

  1. $ sbin/start-dfs.sh

NameNode启动

脚本核心代码：

  1. #---------------------------------------------------------
  2. # namenodes
  4. NAMENODES=$("${HADOOP_HDFS_HOME}/bin/hdfs" getconf -namenodes 2>/dev/null)
  6. if [[ -z "${NAMENODES}" ]]; then
  7.   NAMENODES=$(hostname)
  8. fi
  10. echo "Starting namenodes on [${NAMENODES}]"
  11. hadoop_uservar_su hdfs namenode "${HADOOP_HDFS_HOME}/bin/hdfs" \
  12.     --workers \
  13.     --config "${HADOOP_CONF_DIR}" \
  14.     --hostnames "${NAMENODES}" \
  15.     --daemon start \
  16.     namenode ${nameStartOpt}
  18. HADOOP_JUMBO_RETCOUNTER=$?

也就是先hdfs getconf -namenodes来查询配置列出所有NameNode。然后执行hdfs namenode来启动NameNode。根据上面的分析，我们知道hdfs脚本就是启动对应命令的java进程，namenode子命令还是对应NameNode类的main方法，具体执行的其他步骤一样，只是在createNameNode时，因为参数不同而导致逻辑不同。因为启动脚本里namenode没有其他参数，因此启动默认逻辑

  1. default: {
  2.         DefaultMetricsSystem.initialize("NameNode");
  3.         return new NameNode(conf);
  4.       }

核心就是NameNode的构造方法。其首先通过setClientNamenodeAddress方法设置NameNode的地址，默认的就是fs.defaultFS配置对应的值hdfs://localhost:9000。

接着初始化NameNode

  1. protected void initialize(Configuration conf) throws IOException {
  2.     if (conf.get(HADOOP_USER_GROUP_METRICS_PERCENTILES_INTERVALS) == null) {
  3.       String intervals = conf.get(DFS_METRICS_PERCENTILES_INTERVALS_KEY);
  4.       if (intervals != null) {
  5.         conf.set(HADOOP_USER_GROUP_METRICS_PERCENTILES_INTERVALS,
  6.           intervals);
  7.       }
  8.     }
  10.     UserGroupInformation.setConfiguration(conf);
  11.     loginAsNameNodeUser(conf);
  13.     NameNode.initMetrics(conf, this.getRole());
  14.     StartupProgressMetrics.register(startupProgress);
  16.     pauseMonitor = new JvmPauseMonitor();
  17.     pauseMonitor.init(conf);
  18.     pauseMonitor.start();
  19.     metrics.getJvmMetrics().setPauseMonitor(pauseMonitor);
  21.     if (NamenodeRole.NAMENODE == role) {
  22.       startHttpServer(conf);
  23.     }
  25.     loadNamesystem(conf);
  27.     rpcServer = createRpcServer(conf);
  29.     initReconfigurableBackoffKey();
  31.     if (clientNamenodeAddress == null) {
  32.       // This is expected for MiniDFSCluster. Set it now using 
  33.       // the RPC server's bind address.
  34.       clientNamenodeAddress = 
  35.           NetUtils.getHostPortString(getNameNodeAddress());
  36.       LOG.info("Clients are to use " + clientNamenodeAddress + " to access"
  37.           + " this namenode/service.");
  38.     }
  39.     if (NamenodeRole.NAMENODE == role) {
  40.       httpServer.setNameNodeAddress(getNameNodeAddress());
  41.       httpServer.setFSImage(getFSImage());
  42.     }
  44.     startCommonServices(conf);
  45.     startMetricsLogger(conf);
  46.   }

几个比较重要的步骤，其中startHttpServer会启动一个httpServer，默认地址是http://0.0.0.0:50070。HDFS的默认httpserver是一个Jetty服务器，启动httpserver后，打开页面可以看到整个hdfs的监控情况。然后加载Namesystem，先check参数，由于本地启动，会收到这样两个警告：

  1. 2017-02-11 21:59:28,765 WARN org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.FSNamesystem: Only one image storage directory (dfs.namenode.name.dir) configured. Beware of data loss due to lack of redundant storage 
  2. directories!
  3. 2017-02-11 21:59:28,765 WARN org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.FSNamesystem: Only one namespace edits storage directory (dfs.namenode.edits.dir) configured. Beware of data loss due to lack of redunda
  4. nt storage directories!

无视存储和editlog的存储单目录问题，接下来和format逻辑一样，要构造FSNamesystem。接着就是loadFSImage，FSImage加载后需要判断是否保存，其逻辑上是

  1. final boolean needToSave = staleImage && !haEnabled && !isRollingUpgrade();

由于单机模式，这几个值都是false，因此needToSave也是false，所以不会进行fsImage的saveNamespace方法。

结束后会看到一行日志：

  1. 2017-02-11 21:59:29,472 INFO org.apache.hadoop.hdfs.server.namenode.FSNamesystem: Finished loading FSImage in 349 msecs

表示FSImage加载完毕。

后面跟着初始化RPC server。具体对应的类是RPC.Server，基于Protobuf的一个客户端rpc服务器。

方法的最后两行，startCommonServices会启动所有的*manager和httpServer以及rpcServer，还有如果有配置ServicePlugin，每个plugin也会启动。而startMetricsLogger开启日志记录

DataNode启动

启动脚本

  1. #---------------------------------------------------------
  2. # datanodes (using default workers file)
  4. echo "Starting datanodes"
  5. hadoop_uservar_su hdfs datanode "${HADOOP_HDFS_HOME}/bin/hdfs" \
  6.     --workers \
  7.     --config "${HADOOP_CONF_DIR}" \
  8.     --daemon start \
  9.     datanode ${dataStartOpt}
  10. (( HADOOP_JUMBO_RETCOUNTER=HADOOP_JUMBO_RETCOUNTER + $? ))

执行无参数的hdfs datanode。DataNode存储了一系列的block来存放实际的文件数据。DataNode会和NameNode通信，且也会和其他DataNode甚至客户端来通信。DataNode只维护了一个关系block到bytes流的映射关系。

具体DataNode的初始化，首先先初始MetricSystem。接着进入核心的代码段——DataNode的构造函数：

  1. DataNode(final Configuration conf,
  2.            final List<StorageLocation> dataDirs,
  3.            final StorageLocationChecker storageLocationChecker,
  4.            final SecureResources resources) throws IOException {
  5.     super(conf);
  6.     this.tracer = createTracer(conf);
  7.     this.tracerConfigurationManager =
  8.         new TracerConfigurationManager(DATANODE_HTRACE_PREFIX, conf);
  9.     this.fileIoProvider = new FileIoProvider(conf, this);
  10.     this.blockScanner = new BlockScanner(this);
  11.     this.lastDiskErrorCheck = 0;
  12.     this.maxNumberOfBlocksToLog = conf.getLong(DFS_MAX_NUM_BLOCKS_TO_LOG_KEY,
  13.         DFS_MAX_NUM_BLOCKS_TO_LOG_DEFAULT);
  15.     this.usersWithLocalPathAccess = Arrays.asList(
  16.         conf.getTrimmedStrings(DFSConfigKeys.DFS_BLOCK_LOCAL_PATH_ACCESS_USER_KEY));
  17.     this.connectToDnViaHostname = conf.getBoolean(
  18.         DFSConfigKeys.DFS_DATANODE_USE_DN_HOSTNAME,
  19.         DFSConfigKeys.DFS_DATANODE_USE_DN_HOSTNAME_DEFAULT);
  20.     this.supergroup = conf.get(DFSConfigKeys.DFS_PERMISSIONS_SUPERUSERGROUP_KEY,
  21.         DFSConfigKeys.DFS_PERMISSIONS_SUPERUSERGROUP_DEFAULT);
  22.     this.isPermissionEnabled = conf.getBoolean(
  23.         DFSConfigKeys.DFS_PERMISSIONS_ENABLED_KEY,
  24.         DFSConfigKeys.DFS_PERMISSIONS_ENABLED_DEFAULT);
  25.     this.pipelineSupportECN = conf.getBoolean(
  26.         DFSConfigKeys.DFS_PIPELINE_ECN_ENABLED,
  27.         DFSConfigKeys.DFS_PIPELINE_ECN_ENABLED_DEFAULT);
  29.     confVersion = "core-" +
  30.         conf.get("hadoop.common.configuration.version", "UNSPECIFIED") +
  31.         ",hdfs-" +
  32.         conf.get("hadoop.hdfs.configuration.version", "UNSPECIFIED");
  34.     this.volumeChecker = new DatasetVolumeChecker(conf, new Timer());
  36.     // Determine whether we should try to pass file descriptors to clients.
  37.     if (conf.getBoolean(HdfsClientConfigKeys.Read.ShortCircuit.KEY,
  38.               HdfsClientConfigKeys.Read.ShortCircuit.DEFAULT)) {
  39.       String reason = DomainSocket.getLoadingFailureReason();
  40.       if (reason != null) {
  41.         LOG.warn("File descriptor passing is disabled because " + reason);
  42.         this.fileDescriptorPassingDisabledReason = reason;
  43.       } else {
  44.         LOG.info("File descriptor passing is enabled.");
  45.         this.fileDescriptorPassingDisabledReason = null;
  46.       }
  47.     } else {
  48.       this.fileDescriptorPassingDisabledReason =
  49.           "File descriptor passing was not configured.";
  50.       LOG.debug(this.fileDescriptorPassingDisabledReason);
  51.     }
  53.     this.socketFactory = NetUtils.getDefaultSocketFactory(conf);
  55.     try {
  56.       hostName = getHostName(conf);
  57.       LOG.info("Configured hostname is " + hostName);
  58.       startDataNode(dataDirs, resources);
  59.     } catch (IOException ie) {
  60.       shutdown();
  61.       throw ie;
  62.     }
  63.     final int dncCacheMaxSize =
  64.         conf.getInt(DFS_DATANODE_NETWORK_COUNTS_CACHE_MAX_SIZE_KEY,
  65.             DFS_DATANODE_NETWORK_COUNTS_CACHE_MAX_SIZE_DEFAULT) ;
  66.     datanodeNetworkCounts =
  67.         CacheBuilder.newBuilder()
  68.             .maximumSize(dncCacheMaxSize)
  69.             .build(new CacheLoader<String, Map<String, Long>>() {
  70.               @Override
  71.               public Map<String, Long> load(String key) throws Exception {
  72.                 final Map<String, Long> ret = new HashMap<String, Long>();
  73.                 ret.put("networkErrors", 0L);
  74.                 return ret;
  75.               }
  76.             });
  78.     initOOBTimeout();
  79.     this.storageLocationChecker = storageLocationChecker;
  80.   }

而其中最重要的就是startDataNode方法。其核心步骤摘要如下：
1. 注册MBean
2. 创建一个TcpPeerServer，监听50010端口。该server负责和Client和其他DataNode通信。此server不使用Hadoop的IPC机制
3. 启动JvmPauseManager，用于记录Jvm的暂停，发现则log一条
4. 初始化IpcServer，监听50020端口。
5. 构造一个BPOfferService线程，然后启动线程。BPServiceActor是这样一个线程，它会先和NameNode进行握手做预注册，接下来注册DataNode到NameNode，然后周期性的发送心跳给NameNode，并处理接收到的response命令。
具体描述步骤5，就是如下代码：

  1. public void run() {
  2.     LOG.info(this + " starting to offer service");
  4.     try {
  5.       while (true) {
  6.         // init stuff
  7.         try {
  8.           // setup storage
  9.           connectToNNAndHandshake();
  10.           break;
  11.         } catch (IOException ioe) {
  12.           // Initial handshake, storage recovery or registration failed
  13.           runningState = RunningState.INIT_FAILED;
  14.           if (shouldRetryInit()) {
  15.             // Retry until all namenode's of BPOS failed initialization
  16.             LOG.error("Initialization failed for " + this + " "
  17.                 + ioe.getLocalizedMessage());
  18.             sleepAndLogInterrupts(5000, "initializing");
  19.           } else {
  20.             runningState = RunningState.FAILED;
  21.             LOG.error("Initialization failed for " + this + ". Exiting. ", ioe);
  22.             return;
  23.           }
  24.         }
  25.       }
  27.       runningState = RunningState.RUNNING;
  28.       if (initialRegistrationComplete != null) {
  29.         initialRegistrationComplete.countDown();
  30.       }
  32.       while (shouldRun()) {
  33.         try {
  34.           offerService();
  35.         } catch (Exception ex) {
  36.           LOG.error("Exception in BPOfferService for " + this, ex);
  37.           sleepAndLogInterrupts(5000, "offering service");
  38.         }
  39.       }
  40.       runningState = RunningState.EXITED;
  41.     } catch (Throwable ex) {
  42.       LOG.warn("Unexpected exception in block pool " + this, ex);
  43.       runningState = RunningState.FAILED;
  44.     } finally {
  45.       LOG.warn("Ending block pool service for: " + this);
  46.       cleanUp();
  47.     }
  48.   }

下面具体分析一下BPServiceActor线程做的几件事：
1. 发送versionRequest请求给NameNode，来获取NameNode的namespace和版本信息。响应得到一个NamespaceInfo。
2. 利用NamespaceInfo初始化Storage，初始化之前先做格式化format。初始化后生成一个uuid，具体可以看到如下的日志：

2017-02-11 21:59:33,901 INFO org.apache.hadoop.hdfs.server.datanode.DataNode: Setting up storage: nsid=537369943;bpid=BP-503975772-192.168.0.109-1486821555429;lv=-56;nsInfo=lv=-60;cid=CID-c79cc043-b282-435c-a0f6-d5a55b23e87e;nsid=537369943;c=0;bpid=BP-503975772-192.168.0.109-1486821555429;dnuuid=null
2017-02-11 21:59:33,902 INFO org.apache.hadoop.hdfs.server.datanode.DataNode: Generated and persisted new Datanode UUID 43ed99d1-20c6-4d71-919c-e9a70cb75c6e

3. 真实握手，发送registerDatanode请求给NameNode。这时NameNode会处理这个请求，利用DataNodeManager来进行registerDatanode。这时在NameNode日志会看到如下的日志：

2017-02-11 21:59:34,090 INFO org.apache.hadoop.hdfs.StateChange: BLOCK* register
Datanode: from DatanodeRegistration(127.0.0.1, datanodeUuid=43ed99d1-20c6-4d71-9
19c-e9a70cb75c6e, infoPort=50075, ipcPort=50020, storageInfo=lv=-56;cid=CID-c79c
c043-b282-435c-a0f6-d5a55b23e87e;nsid=537369943;c=0) storage 43ed99d1-20c6-4d71-
919c-e9a70cb75c6e
2017-02-11 21:59:34,099 INFO org.apache.hadoop.hdfs.server.blockmanagement.Datan
odeDescriptor: Number of failed storage changes from 0 to 0
2017-02-11 21:59:34,100 INFO org.apache.hadoop.net.NetworkTopology: Adding a new
 node: /default-rack/127.0.0.1:50010
 2017-02-11 21:59:34,189 INFO org.apache.hadoop.hdfs.server.blockmanagement.Datan
odeDescriptor: Number of failed storage changes from 0 to 0
2017-02-11 21:59:34,189 INFO org.apache.hadoop.hdfs.server.blockmanagement.Datan
odeDescriptor: Adding new storage ID DS-7d302778-acd6-4366-be5e-9dbf7ad22c4d for
 DN 127.0.0.1:50010

4. 调用offerService方法，开始周期性发送心跳。每个心跳包都包含几个内容：DataNode名字、数据传输端口、总容量和剩余bytes。然后NameNode接受到心跳后开始handleHeartbeat。

至此，整个NameNode和DataNode都开始正常工作，整个HDFS的启动结束。

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