HDFS源码分析心跳汇报之数据块增量汇报

在《HDFS源码分析心跳汇报之BPServiceActor工作线程运行流程》一文中，我们详细了解了数据节点DataNode周期性发送心跳给名字节点NameNode的BPServiceActor工作线程，了解了它实现心跳的大体流程：

1、与NameNode握手：

1.1、第一阶段：获取命名空间信息并验证、设置；

1.2、第二阶段：DataNode注册；

2、周期性调用sendHeartBeat()方法发送心跳信息，并处理来自心跳响应中的命令；

3、调用reportReceivedDeletedBlocks()方法发送数据库增量汇报：包括正在接收的、已接收的和已删除的数据块；

4、调用blockReport()方法周期性进行数据块汇报，并处理返回的相关命令。

本文，我们重点讲解下其中的第三步：调用reportReceivedDeletedBlocks()方法发送数据库增量汇报：包括正在接收的、已接收的和已删除的数据块。

首先，这个数据块增量汇报是什么情况下发生的呢？在DataNode与NameNode握手并注册后实现心跳的offerService()方法的while循环内，有这么一段代码，如下：

1. // 如果标志位sendImmediateIBR为true，或者数据块增量汇报时间已到，
2. // 数据块增量汇报时间间隔是心跳时间间隔的100倍，默认情况下是5分钟
3. if (sendImmediateIBR ||
4. (startTime - lastDeletedReport > dnConf.deleteReportInterval)) {
5. // 调用reportReceivedDeletedBlocks()方法发送数据块增量汇报
6. reportReceivedDeletedBlocks();
7. // 设置上次数据块增量汇报时间lastDeletedReport为startTime
8. lastDeletedReport = startTime;
9. }

首先，这个sendImmediateIBR是一个标志位，它标识着是否立即发送一个数据块增量汇报，在BPServiceActor工作线程初始化时默认为false。而数据块增量汇报是否发送，这里有两个条件，只要满足其中一个即可发送数据块增量汇报：

1、是否立即发送一个数据块增量汇报的标志位sendImmediateIBR为true；

2、数据块增量汇报的时间间隔已到：数据块增量汇报的时间间隔是心跳时间间隔的100倍，默认情况下是5分钟。

在讲解reportReceivedDeletedBlocks()方法前，我们先看BPServiceActor工作线程的一个成员变量，定义如下：

1. /**
2. * Between block reports (which happen on the order of once an hour) the
3. * DN reports smaller incremental changes to its block list. This map,
4. * keyed by block ID, contains the pending changes which have yet to be
5. * reported to the NN. Access should be synchronized on this object.
6. *
7. * 在数据块汇报（通常一小时一次）之间，DataNode会汇报其数据块列表的增量变化情况。
8. * 这个Map，包含尚未汇报给NameNode的DataNode上数据块正在发生的变化。
9. * 访问它必须使用synchronized关键字。
10. */
11. private final Map<DatanodeStorage, PerStoragePendingIncrementalBR>
12. pendingIncrementalBRperStorage = Maps.newHashMap();

先说下这个pendingIncrementalBRperStorage变量对应的数据结构，它是一个Map，key为DatanodeStorage类型，value为PerStoragePendingIncrementalBR类型。而这个PerStoragePendingIncrementalBR类型在其内部封装了一个叫做pendingIncrementalBR的HashMap，key为blockId，value为ReceivedDeletedBlockInfo，ReceivedDeletedBlockInfo对Block做了一层封装了，它标识了对应Block在DataNode上的状态BlockStatus，BlockStatus是一个枚举类，包含的Block状态分别有正在接收的数据块RECEIVING_BLOCK(1)、已经接收的数据块RECEIVED_BLOCK(2)、已被删除的数据块DELETED_BLOCK(3)三种状态。

也就是说，pendingIncrementalBRperStorage实际上存储了DataNode上每个DatanodeStorage到对应的增量数据块集合的映射关系，而这个增量数据块，包含正在接收的、已接受的和已删除的。

在数据块汇报（通常一小时一次）之间，DataNode会汇报其数据块列表的增量变化情况，这个是作为一个小的（smaller）汇报进行的。这个Map，包含尚未汇报给NameNode的DataNode上数据块正在发生的变化，访问它必须使用synchronized关键字。而这个数据块增量汇报，其主要目的就应该是尽早让名字节点NameNode了解数据节点DataNode上数据块的变化情况，而不是通过正常的每小时一次的数据块汇报来告知名字节点，那样的话对于整个文件系统来说，是很被动的一见事。

好了，我们再看下reportReceivedDeletedBlocks()方法，它是完成数据块增量汇报的核心方法，代码如下：

1. /**
2. * Report received blocks and delete hints to the Namenode for each
3. * storage.
4. *
5. * @throws IOException
6. */
7. private void reportReceivedDeletedBlocks() throws IOException {
8. // Generate a list of the pending reports for each storage under the lock
9. // 创建一个存储StorageReceivedDeletedBlocks的ArrayList列表reports，
10. // 大小为pendingIncrementalBRperStorage的大小
11. // StorageReceivedDeletedBlocks是对DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组的一个封装，
12. // 实际上就是将pendingIncrementalBRperStorage由Map转换为List列表形式
13. ArrayList<StorageReceivedDeletedBlocks> reports =
14. new ArrayList<StorageReceivedDeletedBlocks>(pendingIncrementalBRperStorage.size());
15. // 使用synchronized对pendingIncrementalBRperStorage进行同步：
16. synchronized (pendingIncrementalBRperStorage) {
17. // 遍历pendingIncrementalBRperStorage
18. for (Map.Entry<DatanodeStorage, PerStoragePendingIncrementalBR> entry :
19. pendingIncrementalBRperStorage.entrySet()) {
20. // 取出每个DatanodeStorage、PerStoragePendingIncrementalBR进行处理
21. final DatanodeStorage storage = entry.getKey();
22. final PerStoragePendingIncrementalBR perStorageMap = entry.getValue();
23. // 如果perStorageMap中存在发生变化的数据块：
24. if (perStorageMap.getBlockInfoCount() > 0) {
25. // Send newly-received and deleted blockids to namenode
26. // 发送新接收的或者已删除的数据块ID给NameNode
27. // 从perStorageMap中获得ReceivedDeletedBlockInfo数组
28. ReceivedDeletedBlockInfo[] rdbi = perStorageMap.dequeueBlockInfos();
29. // 将根据DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组构造的StorageReceivedDeletedBlocks加入reports列表
30. reports.add(new StorageReceivedDeletedBlocks(storage, rdbi));
31. }
32. }
33. // 立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为false
34. sendImmediateIBR = false;
35. }
36. if (reports.size() == 0) {// reports大小为0的话，直接返回null
37. // Nothing new to report.
38. return;
39. }
40. // Send incremental block reports to the Namenode outside the lock
41. // 发送是否成功的标志位success初始化为false
42. boolean success = false;
43. try {
44. // 通过NameNode代理的blockReceivedAndDeleted()方法，将新接收的或者已删除的数据块汇报给NameNode，汇报的信息包括：
45. // 1、数据节点注册信息DatanodeRegistration；
46. // 2、数据块池ID；
47. // 3、需要汇报的数据块及其状态信息列表StorageReceivedDeletedBlocks；
48. bpNamenode.blockReceivedAndDeleted(bpRegistration,
49. bpos.getBlockPoolId(),
50. reports.toArray(new StorageReceivedDeletedBlocks[reports.size()]));
51. // 发送是否成功的标志位success设置为true
52. success = true;
53. } finally {
54. if (!success) {// 汇报不成功的话
55. synchronized (pendingIncrementalBRperStorage) {
56. for (StorageReceivedDeletedBlocks report : reports) {
57. // If we didn't succeed in sending the report, put all of the
58. // blocks back onto our queue, but only in the case where we
59. // didn't put something newer in the meantime.
60. // 将数据块再放回到perStorageMap
61. PerStoragePendingIncrementalBR perStorageMap =
62. pendingIncrementalBRperStorage.get(report.getStorage());
63. perStorageMap.putMissingBlockInfos(report.getBlocks());
64. // 立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为true
65. sendImmediateIBR = true;
66. }
67. }
68. }
69. }
70. }

这个reportReceivedDeletedBlocks()方法的大致处理流程如下：

1、创建一个存储StorageReceivedDeletedBlocks的ArrayList列表reports：

大小为pendingIncrementalBRperStorage的大小。StorageReceivedDeletedBlocks是对DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组的一个封装，实际上就是将pendingIncrementalBRperStorage由Map转换为List列表形式；

2、使用synchronized对pendingIncrementalBRperStorage进行同步，遍历pendingIncrementalBRperStorage：

2.1、取出每个DatanodeStorage、PerStoragePendingIncrementalBR进行处理；

2.2、如果perStorageMap中存在发生变化的数据块，发送新接收的或者已删除的数据块ID给NameNode：

2.2.1、从perStorageMap中获得ReceivedDeletedBlockInfo数组；

2.2.3、将根据DatanodeStorage和ReceivedDeletedBlockInfo数组构造的StorageReceivedDeletedBlocks加入reports列表；

3、立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为false；

4、reports大小为0的话，直接返回null；

5、发送是否成功的标志位success初始化为false；

6、通过NameNode代理bpNamenode的blockReceivedAndDeleted()方法，将新接收的或者已删除的数据块汇报给NameNode，汇报的信息包括：

6.1、数据节点注册信息DatanodeRegistration；

6.2、数据块池ID；

6.3、需要汇报的数据块及其状态信息列表StorageReceivedDeletedBlocks；

7、 发送是否成功的标志位success设置为true；

8、汇报不成功的话，遍历reports：

8.1、将数据块再放回到perStorageMap；

8.2、立即汇报的标志位sendImmediateIBR设置为true。

针对上述流程，我们先说下是否应立即汇报增量数据块信息的标志位sendImmediateIBR。当BPServiceActor工作线程创建时，这个标志位默认为false，即不会立即发送数据块增量汇报，而是周期性的到期才会发送。而当该发送数据块增量汇报时，无论标志位之前为true还是false，统一设置为false，因为此时数据块增量汇报已经发送了，下次没必要再立即发送了。而只有当数据块增量汇报不成功时，该标志位才会被设置为true，以便下次循环直接发送之前未成功的数据块增量汇报，而不用管数据块增量汇报的时间间隔是否到期。这个标志位就是为了在数据块增量汇报失败的情况下，下次循环中能立即发送出去，以便让NameNode及时了解DataNode数据块情况。

那么，数据块增量汇报是如何发送给NameNode的呢？我们先看下NameNode在DataNode上的代理bpNamenode，它的定义如下：

1. DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB bpNamenode;

它是BPServiceActor线程中一个DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB类型的变量，也就意味着每个与NameNode通讯的BPServiceActor工作线程，都持有一个NameNode的代理，其初始化是在BPServiceActor工作线程与NameNode连接时完成的，我们看下DatanodeProtocolClientSideTranslatorPB类中完成数据块增量汇报的blockReceivedAndDeleted()方法，代码如下：

1. @Override
2. public void blockReceivedAndDeleted(DatanodeRegistration registration,
3. String poolId, StorageReceivedDeletedBlocks[] receivedAndDeletedBlocks)
4. throws IOException {
5. BlockReceivedAndDeletedRequestProto.Builder builder =
6. BlockReceivedAndDeletedRequestProto.newBuilder()
7. .setRegistration(PBHelper.convert(registration))
8. .setBlockPoolId(poolId);
9. for (StorageReceivedDeletedBlocks storageBlock : receivedAndDeletedBlocks) {
10. StorageReceivedDeletedBlocksProto.Builder repBuilder =
11. StorageReceivedDeletedBlocksProto.newBuilder();
12. repBuilder.setStorageUuid(storageBlock.getStorage().getStorageID());  // Set for wire compatibility.
13. repBuilder.setStorage(PBHelper.convert(storageBlock.getStorage()));
14. for (ReceivedDeletedBlockInfo rdBlock : storageBlock.getBlocks()) {
15. repBuilder.addBlocks(PBHelper.convert(rdBlock));
16. }
17. builder.addBlocks(repBuilder.build());
18. }
19. try {
20. // 通过实现了DatanodeProtocolPB接口的blockReceivedAndDeleted()方法发送的
21. // rpcProxy最终加载的是参数rpc.engine.DatanodeProtocolPB配置的类
22. rpcProxy.blockReceivedAndDeleted(NULL_CONTROLLER, builder.build());
23. } catch (ServiceException se) {
24. throw ProtobufHelper.getRemoteException(se);
25. }
26. }

而rpcProxy最终加载的是参数rpc.engine.DatanodeProtocolPB配置的类，实际上也就是DatanodeProtocolServerSideTranslatorPB类，由它负责向NamNode发送RPC请求，而NameNode对应RPC请求处理的方法在NameNodeRpcServer类中的blockReceivedAndDeleted()方法，代码如下：

1. @Override // DatanodeProtocol
2. public void blockReceivedAndDeleted(DatanodeRegistration nodeReg, String poolId,
3. StorageReceivedDeletedBlocks[] receivedAndDeletedBlocks) throws IOException {
4. verifyRequest(nodeReg);
5. metrics.incrBlockReceivedAndDeletedOps();
6. if(blockStateChangeLog.isDebugEnabled()) {
7. blockStateChangeLog.debug("*BLOCK* NameNode.blockReceivedAndDeleted: "
8. +"from "+nodeReg+" "+receivedAndDeletedBlocks.length
9. +" blocks.");
10. }
11. for(StorageReceivedDeletedBlocks r : receivedAndDeletedBlocks) {
12. // 最终遍历StorageReceivedDeletedBlocks数组，针对每个StorageReceivedDeletedBlocks，
13. // 调用FSNamesystem的processIncrementalBlockReport()方法进行处理
14. namesystem.processIncrementalBlockReport(nodeReg, r);
15. }
16. }

最终遍历StorageReceivedDeletedBlocks数组，针对每个StorageReceivedDeletedBlocks，调用FSNamesystem的processIncrementalBlockReport()方法进行处理。ok，继续追踪，如下：

1. public void processIncrementalBlockReport(final DatanodeID nodeID,
2. final StorageReceivedDeletedBlocks srdb)
3. throws IOException {
4. <span style="white-space:pre">    </span>
5. <span style="white-space:pre">    </span>// 典型的写锁模式
6. <span style="white-space:pre">    </span>
7. <span style="white-space:pre">    </span>// 获取写锁
8. writeLock();
9. try {
10. <span style="white-space:pre">  </span>
11. // 调用BlockManager的processIncrementalBlockReport()方法处理数据块增量汇报
12. blockManager.processIncrementalBlockReport(nodeID, srdb);
13. } finally {
14. <span style="white-space:pre">  </span>
15. // 释放写锁
16. writeUnlock();
17. }
18. }

FSNamesystem的processIncrementalBlockReport()方法是典型的一个读写锁中写锁模式，获取写锁，try模块中处理业务逻辑，finally模块中释放写锁。而业务逻辑的处理，则是通过调用BlockManager的processIncrementalBlockReport()方法来完成的。FSNamesystem相当于名字节点NameNod门面模式中的门面，由它负责一切文件系统操作相关的处理。而BlockManager则是名字节点NameNode中针对所有block状态保持、变更处理等的大管家，我们会在后续文章后陆续介绍这两个重要的变量。

好吧，我们先看下BlockManager的processIncrementalBlockReport()方法，代码如下：

1. /**
2. * The given node is reporting incremental information about some blocks.
3. * This includes blocks that are starting to be received, completed being
4. * received, or deleted.
5. *
6. * This method must be called with FSNamesystem lock held.
7. */
8. public void processIncrementalBlockReport(final DatanodeID nodeID,
9. final StorageReceivedDeletedBlocks srdb) throws IOException {
10. assert namesystem.hasWriteLock();
11. int received = 0;
12. int deleted = 0;
13. int receiving = 0;
14. final DatanodeDescriptor node = datanodeManager.getDatanode(nodeID);
15. if (node == null || !node.isAlive) {
16. blockLog
17. .warn("BLOCK* processIncrementalBlockReport"
18. + " is received from dead or unregistered node "
19. + nodeID);
20. throw new IOException(
21. "Got incremental block report from unregistered or dead node");
22. }
23. DatanodeStorageInfo storageInfo =
24. node.getStorageInfo(srdb.getStorage().getStorageID());
25. if (storageInfo == null) {
26. // The DataNode is reporting an unknown storage. Usually the NN learns
27. // about new storages from heartbeats but during NN restart we may
28. // receive a block report or incremental report before the heartbeat.
29. // We must handle this for protocol compatibility. This issue was
30. // uncovered by HDFS-6094.
31. storageInfo = node.updateStorage(srdb.getStorage());
32. }
33. // 取出每个ReceivedDeletedBlockInfo进行处理
34. for (ReceivedDeletedBlockInfo rdbi : srdb.getBlocks()) {
35. switch (rdbi.getStatus()) {
36. case DELETED_BLOCK:// 如果是已被删除的数据块
37. // 调用removeStoredBlock()方法在NameNode中移除node对应数据块元信息
38. removeStoredBlock(rdbi.getBlock(), node);
39. // 计数器deleted加1
40. deleted++;
41. break;
42. case RECEIVED_BLOCK:// 如果是已接收的数据块
43. // 调用addBlock()方法在NameNode中添加数据块元信息
44. addBlock(storageInfo, rdbi.getBlock(), rdbi.getDelHints());
45. // 计数器received加1
46. received++;
47. break;
48. case RECEIVING_BLOCK:// 如果是正在接收的数据块
49. // 计数器receiving加1
50. receiving++;
51. // 调用processAndHandleReportedBlock()方法在NameNode中处理正在接收的数据块
52. processAndHandleReportedBlock(storageInfo, rdbi.getBlock(),
53. ReplicaState.RBW, null);
54. break;
55. default:
56. String msg =
57. "Unknown block status code reported by " + nodeID +
58. ": " + rdbi;
59. blockLog.warn(msg);
60. assert false : msg; // if assertions are enabled, throw.
61. break;
62. }
63. if (blockLog.isDebugEnabled()) {
64. blockLog.debug("BLOCK* block "
65. + (rdbi.getStatus()) + ": " + rdbi.getBlock()
66. + " is received from " + nodeID);
67. }
68. }
69. blockLog.debug("*BLOCK* NameNode.processIncrementalBlockReport: " + "from "
70. + nodeID + " receiving: " + receiving + ", " + " received: " + received
71. + ", " + " deleted: " + deleted);
72. }

整个逻辑非常清晰，取出每个ReceivedDeletedBlockInfo进行处理：

1、如果是已被删除的数据块：

1.1、调用removeStoredBlock()方法在NameNode中移除node对应数据块元信息；

1.2、计数器deleted加1；

2、如果是已接收的数据块：

2.1、调用addBlock()方法在NameNode中添加数据块元信息；

2.2、计数器received加1；

3、如果是正在接收的数据块：

3.1、计数器receiving加1；

3.2、调用processAndHandleReportedBlock()方法在NameNode中处理正在接收的数据块。

至于NameNode的BlockManager到底是何如处理的，我们留到以后分析NameNode和BlockManager时再做详细分析吧！

这里做个简单总结：

数据块增量汇报是负责向NameNode发送心跳信息工作线程BPServiceActor中周期性的一个工作，它负责向NameNode及时汇报DataNode节点上数据块的变化情况，比如数据块正在接收、已接收或者已被删除。它的工作周期要小于正常的数据块汇报，目的就是为了能够让NameNode及时掌握DataNode上数据块变化情况，以便HDFS系统运行正常，略显机智！而且，当数据块增量汇报不成功时，下一个循环会接着立即发送数据块增量汇报，而不是等其下一个周期的到来，这显示了HDFS良好的容错性，是一个值得我们借鉴的设计方法。