【HBase入门与实战】一文搞懂HBase!

内容要点

• HBase的引入、定义和特点
• NoSQL数据库的概念和与关系型数据库的区别
• HBase的物理架构和逻辑架构
• HBase Shell的基本命令使用
• HBase的应用场景

  一、引入HBase

常见的NoSQL数据库：包括Redis和HBase，这些数据库在处理大规模数据集时，相比传统的关系型数据库，提供了更高的灵活性和扩展性。

微服务和高并发：随着传统开发逐渐转向微服务架构，面向"老百姓"的应用需要处理的并发量急剧增加。在这种高并发环境下，传统关系型数据库在增删改查操作上的速度往往跟不上项目的需求。

传统开发解决高并发的策略：

• ① 将数据库中的数据定期存储到Redis中，后端查询操作直接面向Redis来执行。
• ② 构建数据库的Redis的集群化。

引入HBase的原因：当Redis的存储能力不足或主从结构过于复杂导致效率下降，Hbase成为一个优秀的选择。HBase以其【快速的读写速度】和【高吞吐量】，能够有效且快速地处理大数据的增删改查操作。

HBase特点：

• ① 高吞吐量的读写操作
  • 为什么HBase有快速的读写速度(高吞吐量)？
  • 写操作：
    • 内存写入：所有的写操作首先被写入到MemStore中，这一操作是在内存中完成的，高效。并且对于HBase而言，只要数据写入MemStore存储区就标志着写操作已经完成，无需等待落盘。
    • 数据备份：在数据刷新到磁盘之前，所有的写操作都会被记录在Hlog，即使故障，也能够恢复数据。
    • 并行写操作：HBase的每个列族对应一个MemStore，能够对不同列族的数据进行并行处理。
      

• 如何理解"无需暂停写入操作以等待数据落盘"的设计理念？

   - MemStore提供了一种暂存数据的方式，直至数据被刷新到磁盘上的StoreFile中。
   - 通过WAL机制保证MemStore在数据未落盘时发生故障也不会导致数据丢失。
   - 保障数据一定能够落盘(即使数据丢失也可以通过HLog恢复数据)，此时可以认为操作已经完成。
   - 因此写入的数据得到保障后，允许系统在高吞吐量的情况下继续接受和处理新的写请求。
  

  • 读操作：
    • 读操作可以直接从内存中的MemStore或者是缓存中的BlockCache获取数据
    • 使用Bloom Filter检查所需的数据是否不在StoreFile中，如果数据不在那里，能够及时终止读操作，避免了不必要的磁盘访问。
    • (为什么Bloom Filter能够实现快速检查的功能？BloomFilter的算法原理。)

• ② HBase天生支持集群部署，无需进行复杂的分表或者分库操作。简化了大规模数据处理的复杂性。

• ③ HBase是列式存储
  • 列式存储和行式存储的理解
    1. 定义
       • 列式存储是指每一列的数据存储在一起。
       • 行式存储是指每一行的数据存储在一起。
    2. 列式存储的优势
       • 高效的数据存储：当查询特定列的数据(字段)时，数据库可以直接访问这部分连续存储的数据。(相当于索引)
       • 对于复杂的分析查询通常只关注数据集中的特定几列，列式存储能够只读取必要的列。
       • 压缩与优化：同类型的数据便于压缩与优化。
       • 减少冗余：如果存在某部分列数据缺失，则可以在列存储时不存储该部分的值。
         HBase 列族：列族是列的逻辑分组，同个列族的所有列存储在一起。

二、了解NoSQL的概念

NoSQL(Not Only SQL)：非关系型数据库

NoSQL 与 RDBMS 的区别：

• 数据模型
  • 非关系型 VS 关系型
• 查询语言
  • 不使用SQL，有独特指令。
• 可【伸缩性】和【可用性】问题
  • 伸缩性
    • 数据分裂【伸】和 分布式架构
    • 文件合并【缩】
      • 数据分裂
        • 数据分裂是HBase中自动管理数据存储容量的一种机制。
        • 当表初始创建时，可能只有一个Region。随着数据量的不断增加，一个HBase表的数据量可能会增长到超出单个Region的承载能力。
        • 为了有效管理这种情况，HBase通过数据分裂自动地将表分割为N部分，每个Region包含一部分的数据。
      • Region：
        • HBase的基本存储单元，由一系列行组成，内部的数据是按照行键(row key)排序的。
      • 自动分裂：
        • Region大小达到的分裂阈值、RegionServer的数量都可以进行配置。(RegionServer的数量可以进行手动添加)
        • 得到的新Region可以被分配到新的RegionServer上(保证负载均衡)
        • 分裂的缺陷：分裂阶段处于阻塞状态，往里面写数据可能会导致数据丢失。
        • 【优化：可以通过预分裂的方式确定数据规模大概需要分为多少个Region，并在相应的HRegionServer中提前建好Region，就无需做分裂了。能够大大提高写的效率】
        • 分裂的过程是由HMaster主导，告诉该台HRegionServer应该迁移到哪一台不同的服务器上面。并且会在HMaster中存储元数据信息的表中记录某张HBase表的数据分别存储在哪几台RegionServer中的哪几个Region?
      • 文件合并：
        • min_compact：
          • 合并较小的、最近生成的HFiles
          • 不会丢弃任何删除标记的数据(即使数据被标记为删除，物理上仍然存在于合并过后的文件中)
        • major_compact：
          • 合并一个表中的所有HFiles
          • 会彻底删除标记为删除的数据
          • 通常是手动触发
        • compact后的数据【实际存储】在HDFS上，小的HFile应该远小于128M
  • 分布式架构
    • HBase表：抽象概念，物理存储上被细分为多个Region。
    • Region：数据存储和访问的基本单元。
    • RegionServer：运行在集群中的服务器，负责管理和服务其上存储的一个或多个Region。
    • HBase采用的是典型的Master/Slave架构。HBase Master负责管理表和Region的元数据信息，以及RegionServer的负载均衡。而RegionServers负责处理客户端的读写请求，并管理存储在其上的Regions。
  • 可用性
    • ZooKeeper实现了Client和HMaster之间的协调管理
    • HLog(WAL：Write Ahead Log 当数据写入具体的磁盘之前，先将其写一份在日志文件上)
      • HLog能够将死去的RegionServer"复活"，获取其原来的表数据。
      • 当HRegionServer死的时候，则将HLog的数据迁移到另一台服务器上。
      • 而数据迁移又依靠HMaster，因此HMaster也需要容灾机制，则出现了HMaster Backup和ZooKeeper进行协调管理。
      • 如果ZooKeeper和HMaster之间心跳"断"了，则启用HMaster Backup.

• 事务性

  • NoSQL 更加注重 性能、扩展性、灵活性，不像RDBMS一样强调原子性或一致性。
  • 一致性问题
    
    • 发生场景：通常发生在实时数仓。
    • 批处理：规定记录数达到一定值才发送，可能导致时效性差（前后两条记录的时间间隔长）。
    • 流处理：采用每隔一段时间（水位线）就进行数据发送的策略。面临的挑战是如何确保在时间范围内的数据都被纳入处理。
      • 解决方案：允许一定的延迟（例如，计算3秒内的数据，但结果会在5秒内出来），这是为了等待那些符合时间范围但尚未被处理的数据。
    • 流批一体：流处理和批处理结合的处理模式(Flink)
    • 侧输出流：
      • 为了保证最终一致性，对因延迟未能纳入批次的数据放入侧输出流中。
      • 例如:如果在一个设定的时间窗口(如秒级窗口)内，某些数据未能被处理，这些数据就可以被放入侧输出流中。随后，可以在一个更长的时间窗口(如分钟窗口)内对这些数据进行处理。
    • 实时数仓 VS 离线数仓
      • 数据准确性：离线数仓高于实时数仓
      • 时间范围：
        • 实时数仓的时间范围：秒、分、时、天
        • 离线数仓的时间范围：天、周、月、年
      • 数据校准：
        • 可以使用离线数仓的数据去校准实施数仓中同维度的数据（如天），以检测实时数仓的实时性。
        • 这种校准通常使用大量模拟数据进行。

          三、NoSQL、BI、大数据的关系

• BI：商务智能

  • 它是一套完整的解决方案
  • BI应用设计模型，模型依赖于模式
  • BI主要支持标准SQL(RDB)
  • 难在业务掌握和熟悉的能力
• NoSQL和大数据相关性较高，但是NoSQL!=大数据
  • NoSQL主要帮助大数据解决数据存储问题

四、HBase概述

1. 定义

   • 是一个面向列存储的NoSQL数据库
   • 是一个分布式HashMap，底层数据是Key-Value格式

   • 使用HDFS作为存储并利用其可靠性

     什么是【分布式HashMap】？
     HashMap的本质是用一个简单的值形式映射一个复杂的值形式。
     HBase通过一个RowKey提取该RowKey下多个列族下多个列的多个值。
     

2. 特点

   • 数据访问速度快，响应时间约2~20ms。
   • 实时数仓和离线数仓都会用到HBase：
     • 实时数仓
       • 响应速度快
     • 离线数仓
       • 宽表列存储
   • 支持随机读写，每个节点20k~100k+ ops/s
     • 哈希表也可以随机读写
   • 可扩展性
     • 对Hadoop，1个NameNode只能带1024(实际1009)台DataNode
     • 但是HBase可以扩展到20000+节点
   • 高并发

3. HBase的物理架构
   
   
   这张图描述了HBase的物理架构,主要包括以下几个部分:

   • Client: 客户端,用于与Zookeeper和HMaster进行交互。
   • Zookeeper: 用于维护HBase集群的状态和元数据信息。(协调 管理)
   • HMaster: HBase集群的主控制节点,负责监控集群状态和管理区域服务器(RegionServer)。
   • HRegionServer: 区域服务器,负责存储和管理HBase数据。每个RegionServer管理着多个HRegion。
   • HRegion: 表的水平分区,一个Region包含一个或多个MemStore和多个StoreFile。
   • MemStore: 内存存储区,用于缓存新写入的数据。
   • StoreFile: 持久化存储文件,用于存储从MemStore刷新的数据。
   • HFile: StoreFile中的底层物理文件,实际存储数据。
   • DFS Client: 与底层HDFS集群交互的客户端。
   • HDFS: 底层的分布式文件系统,用于持久化存储HBase数据。

   箭头表示各组件之间的交互和数据流向:

   • Client与Zookeeper和HMaster交互,用于读写数据。
   • HMaster管理和监控RegionServer。
   • RegionServer管理MemStore和StoreFile,用于读写数据。
   • MemStore中的数据定期刷新到StoreFile。
   • StoreFile的数据持久化存储在HDFS上

各组件的作用

• HMaster
  • 是HBase集群的主节点，可以配置多个，用来实现HA
    • 一般backup-masters并不配置主机器(master01)
  • 处理元数据的变更
    • HBase元数据：
      • 命名空间名字、表名字、列族的名字、列族内部的schema...
  • 监控RegionServer
  • 负责RegionServer的负载均衡(分裂时告知将新增数据迁移到哪台RegionServer)
  • 处理RegionServer故障转移
  • 通过ZooKeeper发布自己的位置到客户端

• RegionServer

  • 负责管理维护Region，负责存储HBase实际数据

    • 一个RegionServer包含一个Hlog，一个BlockCache，多个Region(可以是一张表，也可以是不同的表)
    • HFile和HLog作为序列化文件保存在HDFS上
    • Client直接与RegionServer进行交互

  • 功能

    • 负责管理HBase的实际数据
    • 处理分配给它的Region
    • 刷新缓存到HDFS
    • 维护HLog
    • 执行Compaction
    • 负责处理Region分片

  • 读写缓存

    • 读缓存：BlockCache
      • 将最近或频繁访问的数据块(blocks)缓存到内存中，HBase可以快速响应读请求。
    • 写缓存：MemStore
      • 暂存写入数据，直至达到一定的阈值，然后批量写入磁盘，形成新的StoreFile(HFile)

• Bloom Filter

  • 快速确定数据是否不在StoreFile中，如果不在，读操作即刻终止。
    
  • 工作原理：
  1. 初始化：创建一个m位的位数组(bit array)，初始时将所有位都设为0
  2. 添加元素：当一个元素(如URL1、URL2、URL3)被加入集合时，通过k个哈希函数生成k个位置索引，并将这些位设置为1。
  3. 查询元素：要检查一个元素是否存在于集合中，再次通过相同的k个哈希函数生成k个位置索引。
     如果所有这些位置的位都是1，那么该元素可能在集合中(存在误判可能)。如果任何一个位置的位时0，则该元素绝对不在集合中。
  • 为什么要使用多个哈希函数？
    • 降低误判率，避免哈希冲突。

• Region和Table

  • 单个Table被分区成大小大致相同的Region
  • 一个Region只能分配给一个RegionServer

1. HBase逻辑架构

   • Row

     • Rowkey(行键)是唯一的并已排序
     • Schema可以定义何时插入数据、要保留多少历史版本、分区策略如何、列族叫什么名字
     • 每个Row都可以定义自己的列，即使其他Row不使用
       • 相关列定义为列族
     • 使用唯一时间戳维护多个Row版本
       • 在不同版本中值类型可以不同(但不建议)
     • HBase数据全部以字节存储

   • RowKey的设计

     1. 越短越好，不超过16个字节
     2. 在前缀加随机数使数据均匀地分布到不同的RegionServer。
     3. 保证RowKey的唯一

   • 热点问题

     • HBase中的行是按照RowKey的字典顺序排序的，但可能会导致大量的client直接访问集群的一个或极少数个节点
     • 大量的访问会使热点Region所在的单个机器超出自身承受能力，引起性能下降甚至Region不可用。

   • 常见的设计RowKey的手段("_"的意义是让其分布均匀又不破坏实际意义)
     1) 加盐

       给RowKey加上随机前缀
       "456165181_henry@hotmail.com"
     

     2) 哈希

       给RowKey加上哈希前缀 
       "hashcode("henry")_henry@hotmail.com"
     

2. HBase的读流程

   • 读取：如果Bloom Filter检查通过，或者没有Bloom Filter参与，HBase会从相应的StoreFile读取数据。
   • 合并：从不同的StoreFile和MemStore中读取的数据需要被合并，以获得最终的结果，因为一个键的多个版本可能分布在不同的文件和MemStore中。
   • Scanner Cache：合并后的数据可以被Scanner Cache暂存，以便快速响应相同的后续读请求。
   • 客户端：最后，合并后的数据被发送到客户端。
     

3. HBase元数据管理

   • 数据管理目录
     • 系统目录表 hbase:meta(命名空间和表、字段和列族之间都是用":"分开的)
       • 存储元数据
     • ZooKeeper存储hbase:meta表的位置信息
   • HBase实际数据存储在HDFS上

4. HBase Shell
   详见HBase Shell汇总

   五、HBase应用场景

• 增量数据——时间序列数据

  • 高容量、高速写入
  • HBase之上有OpenTSDB模块，可以满足时序类场景，比如传感器，系统监控，股票行情监控等。

• 信息交换——消息传递

  • 高容量、高速读写
  • 消息应用的软件建立在HBase之上

• 内容服务——Web后端应用程序

  • 高容量，高速读写
  • 头条类、新闻类的新闻、网页、图片存储在HBase上