大数据4-HDFS工作机制

本文介绍了HDFS集群的两大角色NameNode和DataNode,阐述了HDFS写数据的详细流程。还深入讲解了NameNode的工作机制,包括元数据管理、存储机制和checkpoint过程。此外,针对NameNode常见问题,如宕机挽救、数量配置、blocksize调整及安全模式处理等给出了解决办法。

概述:

  1. HDFS集群分为两大角色:NameNode、DataNode  (Secondary Namenode)
  2. NameNode负责管理整个文件系统的元数据
  3. DataNode 负责管理用户的文件数据块
  4. 文件会按照固定的大小(blocksize)切成若干块后分布式存储在若干台datanode上
  5. 每一个文件块可以有多个副本,并存放在不同的datanode上
  6. Datanode会定期向Namenode汇报自身所保存的文件block信息,而namenode则会负责保持文件的副本数量
  7. HDFS的内部工作机制对客户端保持透明,客户端请求访问HDFS都是通过向namenode申请来进行

1.HDFS写数据流程:

详细步骤:

1、根namenode通信请求上传文件,namenode检查目标文件是否已存在,父目录是否存在;

2、namenode返回是否可以上传;

3、client请求第一个 block该传输到哪些datanode服务器上;

4、namenode返回3个datanode服务器ABC;

5、client请求3台dn中的一台A上传数据(本质上是一个RPC调用,建立pipeline),A收到请求会继续调用B,然后B调用C,将真个pipeline建立完成,逐级返回客户端;

6、client开始往A上传第一个block(先从磁盘读取数据放到一个本地内存缓存),以packet为单位,A收到一个packet就会传给B,B传给C;A每传一个packet会放入一个应答队列等待应答;

7、当一个block传输完成之后,client再次请求namenode上传第二个block的服务器。

2.namenode工作机制

2.1元数据管理:namenode对数据的管理采用了三种存储形式:

               内存元数据(NameSystem)

              磁盘元数据镜像文件

              数据操作日志文件(可通过日志运算出元数据)

2.2元数据存储机制:

A、内存中有一份完整的元数据(内存meta data)

B、磁盘有一个“准完整”的元数据镜像(fsimage)文件(在namenode的工作目录中)

C、用于衔接内存metadata和持久化元数据镜像fsimage之间的操作日志(edits文件注:当客户端对hdfs中的文件进行新增或者修改操作,操作记录首先被记入edits日志文件中,当客户端操作成功后,相应的元数据会更新到内存meta.data中

hadoop中元数据的位置和目录结构:在开始自己创建的tmp目录中:

2.3checkpoint:

每隔一段时间,会由secondary namenode将namenode上积累的所有edits和一个最新的fsimage下载到本地,并加载到内存进行merge(这个过程称为checkpoint)

checkpoint的附带作用:

namenode和secondary namenode的工作目录存储结构完全相同,所以,当namenode故障退出需要重新恢复时,可以从secondary namenode的工作目录中将fsimage拷贝到namenode的工作目录,以恢复namenode的元数据

几个关于namenode常见问题:

1、Namenode服务器的磁盘故障导致namenode宕机如何挽救集群及数据

          两种方式:a.可以将secondary namenode的工作目录拷贝进namenode中,可以最大限度恢复namenode的数据;

                            b.在配置core-site.xml的 

                                   

<!---namenode配置多个目录和datanode配置多个目录,有什么区别?---->

<property>

<name>dfs.namenode.name.dir</name>

<value>/home/hadoop/data/name,/path2/,/path3/,nfs://</value>

</property>

时可以指定多个存储目录用来备份。

                           c.配置HA高可用 ,冷热切换,一个节点挂了,马上有另一个启动。

                                   

2、Namenode是否可以有多个?namenode内存要配置多大?namenode跟集群数据存储能力有关系吗?

  在非HA下只有一个,若HA情况下可以有两个,联邦机制可以有多个;

 内存根据需求,一般情况下一个block块为150字节,一般服务器内存为64G,此时可以用几十G作为namenode内存可以;

 有关的是datanode,namenode倒不是很大,不过要避免上传很多的小文件,因为这样会耗费namenode的数据存储,效率低。

3、文件的blocksize究竟调大好还是调小好?--结合mapreduce

    要结合数据量和业务逻辑一般一个maptask保证跑50秒左右,根据业务来确认blocksize大小。

4、集群启动后,可以查看目录,但是上传文件时报错,打开web页面可看到namenode正处于safemode状态,怎么处理?

解释:

safemode是namenode的一种状态(active/standby/safemode安全模式)

namenode进入安全模式的原理:

  a、namenode发现集群中的block丢失率达到一定比例时(0.01%),namenode就会进入安全模式,在安全模式下,客户端不能对任何数据进行操作,只能查看元数据信息(比如ls/mkdir)

  b、如何退出安全模式?

找到问题所在,进行修复(比如修复宕机的datanode)

或者可以手动强行退出安全模式(没有真正解决问题): hdfs namenode --safemode leave

  c、在hdfs集群正常冷启动时,namenode也会在safemode状态下维持相当长的一段时间,此时你不需要去理会,等待它自动退出安全模式即可

(原理:

namenode的内存元数据中,包含文件路径、副本数、blockid,及每一个block所在datanode的信息,而fsimage中,不包含block所在的datanode信息,那么,当namenode冷启动时,此时内存中的元数据只能从fsimage中加载而来,从而就没有block所在的datanode信息——>就会导致namenode认为所有的block都已经丢失——>进入安全模式——>datanode启动后,会定期向namenode汇报自身所持有的blockid信息,——>随着datanode陆续启动,从而陆续汇报block信息,namenode就会将内存元数据中的block所在datanode信息补全更新——>找到了所有block的位置,从而自动退出安全模式)

### 光流法C++源代码解析与应用 #### 光流法原理 光流法是一种在计算机视觉领域中用于追踪视频序列中运动物体的方法。它基于亮度不变性假设,即场景中的点在时间上保持相同的灰度值,从而通过分析连续帧之间的像素变化来估计运动方向和速度。在数学上,光流场可以表示为像素位置和时间的一阶导数,即Ex、Ey(空间梯度)和Et(时间梯度),它们共同构成光流方程的基础。 #### C++实现细节 在给定的C++源代码片段中,`calculate`函数负责计算光流场。该函数接收一个图像缓冲区`buf`作为输入,并初始化了几个关键变量:`Ex`、`Ey`和`Et`分别代表沿x轴、y轴和时间轴的像素强度变化;`gray1`和`gray2`用于存储当前帧和前一帧的平均灰度值;`u`则表示计算出的光流矢量大小。 #### 图像处理流程 1. **初始化和预处理**:`memset`函数被用来清零`opticalflow`数组,它将保存计算出的光流数据。同时,`output`数组被填充为白色,这通常用于可视化结果。 2. **灰度计算**:对每一像素点进行处理,计算其灰度值。这里采用的是RGB通道平均值的计算方法,将每个像素的R、G、B值相加后除以3,得到一个近似灰度值。此步骤确保了计算过程的鲁棒性和效率。 3. **光流向量计算**:通过比较当前帧和前一帧的灰度值,计算出每个像素点的Ex、Ey和Et值。这里值得注意的是,光流向量的大小`u`是通过`Et`除以`sqrt(Ex^2 + Ey^2)`得到的,再乘以10进行量化处理,以减少计算复杂度。 4. **结果存储与阈值处理**:计算出的光流值被存储在`opticalflow`数组中。如果`u`的绝对值超过10,则认为该点存在显著运动,因此在`output`数组中将对应位置标记为黑色,形成运动区域的可视化效果。 5. **状态更新**:通过`memcpy`函数将当前帧复制到`prevframe`中,为下一次迭代做准备。 #### 扩展应用:Lukas-Kanade算法 除了上述基础的光流计算外,代码还提到了Lukas-Kanade算法的应用。这是一种更高级的光流计算方法,能够提供更精确的运动估计。在`ImgOpticalFlow`函数中,通过调用`cvCalcOpticalFlowLK`函数实现了这一算法,该函数接受前一帧和当前帧的灰度图,以及窗口大小等参数,返回像素级别的光流场信息。 在实际应用中,光流法常用于目标跟踪、运动检测、视频压缩等领域。通过深入理解和优化光流算法,可以进一步提升视频分析的准确性和实时性能。 光流法及其C++实现是计算机视觉领域的一个重要组成部分,通过对连续帧间像素变化的精细分析,能够有效捕捉和理解动态场景中的运动信息
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