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1.Hbase是什么

Apache HBase是Hadoop数据库，一个分布式的、可伸缩的大数据存储。

当您需要对大数据进行随机的、实时的读/写访问时，请使用Apache HBase。这个项目的目标是在商品硬件的集群上托管非常大的表——数十亿行百万列的列。Apache HBase是一个开源的、分布式的、版本化的、非关系的数据库，它模仿了Google的Bigtable：一个结构化数据的分布式存储系统，就像Bigtable利用Google文件系统提供的分布式数据存储一样，Apache HBase在Hadoop和HDFS上提供了类似于bigtable的功能

1).Hbase的特点

大：一个表可以有数十亿行，上百万列；

无模式：每行都有一个可排序的主键和任意多的列，列可以根据需要动态的增加，同一张表中不同的行可以有截然不同的列；

面向列：面向列（族）的存储和权限控制，列（族）独立检索；

稀疏：对于空（null）的列，并不占用存储空间，表可以设计的非常稀疏；

数据多版本：每个单元中的数据可以有多个版本，默认情况下版本号自动分配，是单元格插入时的时间戳；

数据类型单一：Hbase中的数据都是字符串，没有类型。

2).Hbase与关系型数据库的对比

传统行式数据库：

数据是按行存储的

没有索引的查询使用大量I/O

建立索引和物化视图需要花费大量时间和资源

面向查询的需求，数据库必须被大量膨胀才能满足性能要求

列式数据库：

数据是按列存储-每一列单独存放

数据即是索引

指访问查询涉及的列-大量降低系统I/O

每一列由一个线索来处理-查询的并发处理

 数据类型一致，数据特征相似-高效压缩

3).Hbase与HDFS的对比

两者都具有良好的容错性和扩展性，都可以扩展到成百上千个节点；

HDFS适合批处理场景

不支持数据随机查找

不适合增量数据处理

不支持数据更新

2.Hbase的体系结构

1).Client

 HBase Client使用HBase的RPC机制与HMaster和HRegionServer进行通信，对于管理类操作，Client与HMaster进行RPC；对于数据读写类操作，Client与HRegionServer进行RPC。

2).Zookeeper

 Zookeeper Quorum中除了存储了-ROOT-表的地址和HMaster的地址，HRegionServer也会把自己以Ephemeral方式注册到 Zookeeper中，使得HMaster可以随时感知到各个HRegionServer的健康状态。此外，Zookeeper也避免了HMaster的单点问题。

3).Hmaster

• 管理用户对Table的增、删、改、查操作；

• 管理HRegion Server的负载均衡，调整Region分布；

• 在Region Split后，负责新Region的分配；

• 在HRegion Server停机后，负责失效HRegion Server 上的Regions迁移。

4).Region

 当表的大小超过设置值的时候，HBase会自动地将表划分为不同的区域，每个区域包含所有行的一个子集。对用户来说，每个表是一堆数据的集合，靠主键来区分。从物理上来说，一张表被拆分成了多块，每一块就是一个Region。我们用表名+开始/结束主键，来区分每一个Region，一个Region会保存一个表里面某段连续的数据，从开始主键到结束主键，一张完整的表格是保存在多个Region上面。

5).HRegion Server

 所有的数据库数据一般是保存在Hadoop HDFS分布式文件系统上面，用户通过一系列HRegion Server获取这些数据，一台机器上面一般只运行一个HRegion Server，且每一个区段的HRegion也只会被一个HRegion Server维护。下面是HRegion Server数据存储关系图。

 HRegion Server主要负责响应用户I/O请求，向HDFS文件系统中读写数据，是HBase中最核心的模块。

 HRegion Server内部管理了一系列HRegion对象，每个HRegion对应了Table中的一个Region，Region中由多个Store组成。每个Store对应了Table中的一个Column Family的存储，可以看出每个Column Family其实就是一个集中的存储单元，因此最好将具备共同IO特性的column放在一个Column Family中，这样最高效。

  Store存储是HBase存储的核心了，其中由两部分组成，一部分是MemStore，一部分是StoreFiles。MemStore是Sorted Memory Buffer，用户写入的数据首先会放入MemStore，当MemStore满了以后会Flush成一个StoreFile（底层实现是HFile）， 当StoreFile文件数量增长到一定阈值，会触发Compact合并操作，将多个StoreFiles合并成一个StoreFile，合并过程中会进行版本合并和数据删除，因此可以看出HBase其实只有增加数据，所有的更新和删除操作都是在后续的compact过程中进行的，这使得用户的写操作只要进入内存中就可以立即返回，保证了HBase I/O的高性能。当StoreFiles Compact后，会逐步形成越来越大的StoreFile，当单个StoreFile大小超过一定阈值后，会触发Split操作，同时把当前Region Split成2个Region，父Region会下线，新Split出的2个孩子Region会被HMaster分配到相应的HRegionServer 上，使得原先1个Region的压力得以分流到2个Region上。下图描述了Compaction和Split的过程。

   图 Compaction和Split的过程

 在理解了上述HStore的基本原理后，还必须了解一下HLog的功能，因为上述的HStore在系统正常工作的前提下是没有问题的，但是在分布式系统环境中，无法避免系统出错或者宕机，因此一旦HRegion Server意外退出，MemStore中的内存数据将会丢失，这就需要引入HLog了。每个HRegion Server中都有一个HLog对象，HLog是一个实现Write Ahead Log的类，在每次用户操作写入MemStore的同时，也会写一份数据到HLog文件中（HLog文件格式见后续），HLog文件定期会滚动出新的，并删除旧的文件（已持久化到StoreFile中的数据）。当HRegion Server意外终止后，HMaster会通过Zookeeper感知到，HMaster首先会处理遗留的 HLog文件，将其中不同Region的Log数据进行拆分，分别放到相应region的目录下，然后再将失效的region重新分配，领取到这些region的HRegion Server在Load Region的过程中，会发现有历史HLog需要处理，因此会Replay HLog中的数据到MemStore中，然后flush到StoreFiles，完成数据恢复。

6).Hbase的存储格式

 HBase中的所有数据文件都存储在Hadoop HDFS文件系统上为例，主要包括上述提出的两种文件类型：HFile， HBase中KeyValue数据的存储格式，HFile是Hadoop的二进制格式文件，实际上StoreFile就是对HFile做了轻量级包装，即StoreFile底层就是HFile。HLog File，HBase中WAL（Write Ahead Log） 的存储格式，物理上是Hadoop的Sequence File。

7).ROOT表和META表

 用户表的Regions元数据被存储在.META.表中，随着Region的增多，.META.表中的数据也会增大，并分裂成多个Regions。为了定位.META.表中各个Regions的位置，把.META.表中所有Regions的元数据保存在-ROOT-表中，最后由ZooKeeper记录-ROOT-表的位置信息。所有客户端访问用户数据前，需要首先访问ZooKeeper获得-ROOT-的位置，然后访问-ROOT-表获得.META.表的位置，最后根据.META.表中的信息确定用户数据存放的位置，如下图所示。

 -ROOT-表永远不会被分割，它只有一个Region，这样可以保证最多需要三次跳转就可以定位任意一个Region。为了加快访问速度，.META.表的Regions全部保存在内存中。客户端会将查询过的位置信息缓存起来，且缓存不会主动失效。如果客户端根据缓存信息还访问不到数据，则询问只有相关.META.表的Region服务器，试图获取数据的位置，如果还是失败，则询问-ROOT-表相关的.META.表在哪里。最后，如果前面的信息全部失效，则通过ZooKeeper重新定位Region的信息。所以如果客户端上的缓存全部是失效，则需要进行6次网络来回，才能定位到正确的Region。

8).MapReduce On HBase

 在HBase系统上运行批处理运算，最方便和实用的模型依然是MapReduce，如下图：

 HBase Table和Region的关系，比较类似HDFS File和Block的关系，HBase提供了配套的TableInputFormat和TableOutputFormat API，可以方便的将HBase Table作为Hadoop MapReduce的Source和Sink，对于MapReduce Job应用开发人员来说，基本不需要关注HBase系统自身的细节。

3.HBase数据模型

 以关系型数据的思维下会感觉，上面的表格是一个5列4行的数据表格，但是在HBase中这种理解是错误的，其实在HBase中上面的表格只是一行数据；

1).Row Key:

 – 决定一行数据的唯一标识

 – RowKey是按照字典顺序排序的。

 – Row key最多只能存储64k的字节数据。

2).Column Family列族（CF1、CF2、CF3） & qualifier列：

 – HBase表中的每个列都归属于某个列族，列族必须作为表模式(schema) 定义的一部分预先给出。如create ‘test’, ‘course’；

 – 列名以列族作为前缀，每个“列族”都可以有多个列成员(column，每个列族中可以存放几千~上千万个列)；如 CF1:q1, CF2:qw,

 新的列族成员（列）可以随后按需、动态加入，Family下面可以有多个Qualifier，所以可以简单的理解为，HBase中的列是二级列，

 也就是说Family是第一级列，Qualifier是第二级列。两个是父子关系。

 – 权限控制、存储以及调优都是在列族层面进行的；

 – HBase把同一列族里面的数据存储在同一目录下，由几个文件保存。

 – 目前为止HBase的列族能能够很好处理最多不超过3个列族。

3).Timestamp时间戳：

 – 在HBase每个cell存储单元对同一份数据有多个版本，根据唯一的时间 戳来区分每个版本之间的差异，不同版本的数据按照时间倒序排序，

 最新的数据版本排在最前面。

 – 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。

4).Cell单元格：

 – 由行和列的坐标交叉决定；

 – 单元格是有版本的（由时间戳来作为版本）；

 – 单元格的内容是未解析的字节数组（Byte[]），cell中的数据是没有类型的，全部是字节码形式存贮。

 • 由{row key，column(= +)，version}唯一确定的单元。

4.Hbase应用介绍

• –列族结构经常调整

• –高并发写入

• –结构化数据、半结构化数据存储

• –Key-Value存储

• –有序存储

• –固定集合(多版本)

• –定时删除记录(TTL)

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