分布式数据库HBASE快速入门

分布式数据库HBASE快速入门

1 什么是HBASE

1.1. 概念特性

HBASE是一个数据库----可以提供数据的实时随机读写

HBASE与mysql、oralce、db2等关系型数据库不同，它是一个NOSQL数据库
a Hbase的表模型与关系型数据库的表模型不同：
b Hbase的表没有固定的字段定义；
c Hbase的表中每行存储的都是一些key-value对
d Hbase的表中有列族的划分，用户可以指定将哪些kv插入哪个列族
e Hbase的表在物理存储上，是按照列族来分割的，不同列族的数据一定存储在不同的文件中
f Hbase的表中的每一行都固定有一个行键，而且每一行的行键在表中不能重复
g Hbase中的数据，包含行键，包含key，包含value，都是byte[ ]类型，hbase不负责为用户维护数据类型

1.2 HBASE相比于其他nosql数据库的特点：

Hbase的表数据存储在HDFS文件系统中
从而，hbase具备如下特性：存储容量可以线性扩展； 数据存储的安全性可靠性极高！

1.3 应用场景举例

2 安装HBASE

HBASE是一个分布式系统
其中有一个管理角色： HMaster(一般2台，一台active，一台backup)
其他的数据节点角色： HRegionServer(很多台，看数据容量)

2.1安装准备

首先，要有一个HDFS集群，并正常运行； regionserver应该跟hdfs中的datanode在一起
其次，还需要一个zookeeper集群，并正常运行
然后，安装HBASE
角色分配如下：
Hdp01: namenode datanode regionserver hmaster zookeeper
Hdp02: datanode regionserver zookeeper
Hdp03: datanode regionserver zookeeper

2.2. 安装步骤

1.安装zookeeper
详细见我的文献《Zookeeper快速入门（Zookeeper分布式协调系统）》
https://blog.youkuaiyun.com/Keyuchen_01/article/details/108372008

2.安装hbase
a 解压hbase安装包
b 修改hbase-env.sh
指定JAVA_HOME目录

export JAVA_HOME=/root/apps/jdk1.7.0_67
export HBASE_MANAGES_ZK=false

修改hbase-site.xml

	<configuration>
		<!-- 指定hbase在HDFS上存储的路径 -->
        <property>
                <name>hbase.rootdir</name>
                <value>hdfs://hdp01:9000/hbase</value>
        </property>
		<!-- 指定hbase是分布式的 -->
        <property>
                <name>hbase.cluster.distributed</name>
                <value>true</value>
        </property>
		<!-- 指定zk的地址，多个用“,”分割 -->
        <property>
                <name>hbase.zookeeper.quorum</name>
                <value>hdp01:2181,hdp02:2181,hdp03:2181</value>
        </property>
	</configuration>

修改 regionservers

hdp01
hdp02
hdp03

3 启动hbase集群：
bin/start-hbase.sh
启动完后，还可以在集群中找任意一台机器启动一个备用的master
bin/hbase-daemon.sh start master
新启的这个master会处于backup状态

4 启动hbase的命令行客户端
bin/hbase shell
Hbase> list // 查看表
Hbase> status // 查看集群状态
Hbase> version // 查看集群版本

3 HBASE表模型

hbase的表模型跟mysql之类的关系型数据库的表模型差别巨大
hbase的表模型中有：行的概念；但没有字段的概念
行中存的都是key-value对，每行中的key-value对中的key可以是各种各样，每行中的key-value对的数量也可以是各种各样

3.1 Hbase表模型的要点：

1、一个表，有表名
2、一个表可以分为多个列族（不同列族的数据会存储在不同文件中）
3、表中的每一行有一个“行键rowkey”，而且行键在表中不能重复
4、表中的每一对kv数据称作一个cell
5、hbase可以对数据存储多个历史版本（历史版本数量可配置）
6、整张表由于数据量过大，会被横向切分成若干个region（用rowkey范围标识），不同region的数据也存储在不同文件中
7、hbase会对插入的数据按顺序存储：
要点一：首先会按行键排序
要点二：同一行里面的kv会按列族排序，再按k排序

3.2 Hbase的表中能存储什么数据类型

hbase中只支持byte[]
此处的byte[] 包括了： rowkey,key,value,列族名,表名

3.3 Hbase命令行客户端操作

建表：

create 't_user_info','base_info','extra_info'

插入数据：

hbase(main):011:0> put 't_user_info','001','base_info:username','zhangsan'
0 row(s) in 0.2420 seconds

hbase(main):012:0> put 't_user_info','001','base_info:age','18'
0 row(s) in 0.0140 seconds

hbase(main):013:0> put 't_user_info','001','base_info:sex','female'
0 row(s) in 0.0070 seconds

hbase(main):014:0> put 't_user_info','001','extra_info:career','it'
0 row(s) in 0.0090 seconds

hbase(main):015:0> put 't_user_info','002','extra_info:career','actoress'
0 row(s) in 0.0090 seconds

hbase(main):016:0> put 't_user_info','002','base_info:username','liuyifei'
0 row(s) in 0.0060 seconds

查询数据方式一：scan 扫描

hbase(main):017:0> scan 't_user_info'
ROW                               COLUMN+CELL                                                                                     
 001                              column=base_info:age, timestamp=1496567924507, value=18                                         
 001                              column=base_info:sex, timestamp=1496567934669, value=female                                     
 001                              column=base_info:username, timestamp=1496567889554, value=zhangsan                              
 001                              column=extra_info:career, timestamp=1496567963992, value=it                                     
 002                              column=base_info:username, timestamp=1496568034187, value=liuyifei                              
 002                              column=extra_info:career, timestamp=1496568008631, value=actoress                               
2 row(s) in 0.0420 seconds

查询数据方式二：get 单行数据

hbase(main):020:0> get 't_user_info','001'
COLUMN                            CELL                                                                                            
 base_info:age                    timestamp=1496568160192, value=19                                                               
 base_info:sex                    timestamp=1496567934669, value=female                                                           
 base_info:username               timestamp=1496567889554, value=zhangsan                                                         
 extra_info:career                timestamp=1496567963992, value=it                                                               
4 row(s) in 0.0770 seconds

删除一个kv数据

hbase(main):021:0> delete 't_user_info','001','base_info:sex'
0 row(s) in 0.0390 seconds

删除整行数据：

hbase(main):024:0> deleteall 't_user_info','001'
0 row(s) in 0.0090 seconds

hbase(main):025:0> get 't_user_info','001'
COLUMN                            CELL                                                                                            
0 row(s) in 0.0110 seconds

删除整个表：

hbase(main):028:0> disable 't_user_info'
0 row(s) in 2.3640 seconds

hbase(main):029:0> drop 't_user_info'
0 row(s) in 1.2950 seconds

hbase(main):030:0> list
TABLE                                                                                                                             
0 row(s) in 0.0130 seconds
=> []

4 HBASE运行原理

4.1 组件结构图

4.2 MASTER职责

1 管理HRegionServer，实现其负载均衡。
2 管理和分配HRegion，比如在HRegion split时分配新的HRegion；在HRegionServer退出时迁移其负责的HRegion到其他HRegionServer上。
3 Admin职能
创建、删除、修改Table的定义。实现DDL操作（namespace和table的增删改，column familiy的增删改等）。
4 管理namespace和table的元数据（实际存储在HDFS上）。
5 权限控制（ACL）。
6 监控集群中所有HRegionServer的状态(通过Heartbeat和监听ZooKeeper中的状态)。

4.3 REGION SERVER职责

1 管理自己所负责的region数据的读写。
2 读写HDFS，管理Table中的数据。
3 Client直接通过HRegionServer读写数据（从HMaster中获取元数据，找到RowKey所在的HRegion/HRegionServer后）。

5 Zookeeper在集群所起作用

1 存放整个HBase集群的元数据以及集群的状态信息。
2 实现HMaster主从节点的failover。
注：
1）HMaster通过监听ZooKeeper中的Ephemeral节点(默认：/hbase/rs/*)来监控HRegionServer的加入和宕机。
2）在第一个HMaster连接到ZooKeeper时会创建Ephemeral节点(默认：/hbasae/master)来表示Active的HMaster，其后加进来的HMaster则监听该Ephemeral节点
3）如果当前Active的HMaster宕机，则该节点消失，因而其他HMaster得到通知，而将自身转换成Active的HMaster，在变为Active的HMaster之前，它会在/hbase/masters/下创建自己的Ephemeral节点。

6 HBASE读写数据流程

1、在HBase 0.96以前，HBase有两个特殊的Table：-ROOT-和.META. 用来记录用户表的rowkey范围所在的的regionserver服务器；

因而客户端读写数据时需要通过3次寻址请求来对数据所在的regionserver进行定位，效率低下；
2、而在HBase 0.96以后去掉了-ROOT- Table，只剩下这个特殊的目录表叫做Meta Table(hbase:meta)，它存储了集群中所有用户HRegion的位置信息，而ZooKeeper的节点中(/hbase/meta-region-server)存储的则直接是这个Meta Table的位置，并且这个Meta Table如以前的-ROOT- Table一样是不可split的。这样，客户端在第一次访问用户Table的流程就变成了：
①　从ZooKeeper(/hbase/meta-region-server)中获取hbase:meta的位置（HRegionServer的位置），缓存该位置信息。
②　从HRegionServer中查询用户Table对应请求的RowKey所在的HRegionServer，缓存该位置信息。
③　从查询到HRegionServer中读取Row。

6.1 Hbase:meta表

hbase:meta表存储了所有用户HRegion的位置信息：
Rowkey：tableName,regionStartKey,regionId,replicaId等；
info列族：这个列族包含三个列，他们分别是：
info:regioninfo列：
regionId,tableName,startKey,endKey,offline,split,replicaId；
info:server列：HRegionServer对应的server:port；
info:serverstartcode列：HRegionServer的启动时间戳。

6.2 REGION SERVER内部机制

1. WAL即Write Ahead Log，在早期版本中称为HLog，它是HDFS上的一个文件，如其名字所表示的，所有写操作都会先保证将数据写入这个Log文件后，才会真正更新MemStore，最后写入HFile中。WAL文件存储在/hbase/WALs/${HRegionServer_Name}的目录中

2. BlockCache是一个读缓存，即“引用局部性”原理（也应用于CPU，分空间局部性和时间局部性，空间局部性是指CPU在某一时刻需要某个数据，那么有很大的概率在一下时刻它需要的数据在其附近；时间局部性是指某个数据在被访问过一次后，它有很大的概率在不久的将来会被再次的访问），将数据预读取到内存中，以提升读的性能。

3. HRegion是一个Table中的一个Region在一个HRegionServer中的表达。一个Table可以有一个或多个Region，他们可以在一个相同的HRegionServer上，也可以分布在不同的HRegionServer上，一个HRegionServer可以有多个HRegion，他们分别属于不同的Table。HRegion由多个Store(HStore)构成，每个HStore对应了一个Table在这个HRegion中的一个Column Family，即每个Column Family就是一个集中的存储单元，因而最好将具有相近IO特性的Column存储在一个Column Family，以实现高效读取(数据局部性原理，可以提高缓存的命中率)。HStore是HBase中存储的核心，它实现了读写HDFS功能，一个HStore由一个MemStore 和0个或多个StoreFile组成。

4. MemStore是一个写缓存(In Memory Sorted Buffer)，所有数据的写在完成WAL日志写后，会 写入MemStore中，由MemStore根据一定的算法将数据Flush到地层HDFS文件中(HFile)，通常每个HRegion中的每个 Column Family有一个自己的MemStore。

5. HFile(StoreFile) 用于存储HBase的数据(Cell/KeyValue)。在HFile中的数据是按RowKey、Column Family、Column排序，对相同的Cell(即这三个值都一样)，则按timestamp倒序排列。