HBase -- 基于HDFS的开源分布式NoSQL数据库

时间:2023-12-18 18:54:32

  HBase(Hadoop Database)是一个高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统,我们可以利用HBase技术在廉价的PC上搭建起大规模结构化存储集群。同Google的Bigtable基于GFS(Google FileSystem)所提供分布式数据存储服务一样,HBase基于HDFS之上也能提供类似的分布式数据存储服务。HBase利用Hadoop HDFS作为其文件存储系统,利用Hadoop MapReduce来处理HBase中的海量数据,利用Zookeeper作为协调工具。HBase为海量数据的及时查询提供了一个很好的开源解决方案,在大数据处理时代扮演者重要的角色。

一、HBase基础知识

1、逻辑数据模型

   HBase不支持条件查询和Order By等复杂查询,读取记录时只能按行键或全表扫描。HBase表中存储的数据都是字节数组,并且数据是以行键的物理顺序存储。它介于NoSQL与RDBMS之间,仅支持单行事务(可通过hive来支持实现多表join等复杂操作),主要用来存储非结构化和半结构化数据。

   几个关键概念:

   1) 表(table):用于存储管理数据,具有稀疏的、面向列的特点。HBase中的每一张表,就是所谓的大表(Bigtable),可以有上亿行,上百万列。对于为值为空的列,并不占用存储空间,因此表可以设计的非常稀疏。

   2) 行键(RowKey):类似于MySQL中的主键,HBase根据行键来快速检索数据,一个行键对应一条记录。与MySQL主键不同的是,HBase的行键是天然固有的,每一行数据都存在行键。

   3) 列族(ColumnFamily):是列的集合。列族在表定义时需要指定,而列在插入数据时动态指定。列中的数据都是以二进制形式存在,没有数据类型。在物理存储结构上,每个表中的每个列族单独以一个文件存储(参见图1.2)。

   4) 时间戳(TimeStamp):是列的一个属性,是一个64位整数。由行键和列确定的单元格,可以存储多个数据,每个数据含有时间戳属性,数据具有版本特性。可根据版本(VERSIONS)或时间戳来指定查询历史版本数据,如果都不指定,则默认返回最新版本的数据。

   5) 区域(Region):HBase自动把表水平划分成的多个区域,划分的区域随着数据的增大而增多。

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图1.1 HBase-Regin存储结构

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图1.2 HBase逻辑数据模型与物理数据模型

2、物理数据模型

   HBase表中所有行按照行键的字典序列排序,并且在行的方向上分割为多个HRegion。

   Region按大小分割的,每个表一开始只有一个Region,随着数据不断插入表,region不断增大,当增大到一个阀值的时候,HRegion就会等分为两个新的HRegion。当table中的行不断增多,就会有越来越多的HRegion。Hregion是Hbase中分布式存储和负载均衡的最小单元,最小单元就表示不同的Hregion可以分布在不同的HRegion server上,但一个Hregion是不会拆分到多个server上的。需要注意的是,HRegion虽然是分布式存储的最小单元,但并不是存储的最小单元。

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图1.3 HBase的数据模型

3、架构体系

   1) Client:①使用HBase RPC机制与HMaster和HRegionServer进行通信;②Client与HMaster进行通信进行管理类操作;③Client与HRegionServer进行数据读写类操作。

   2) Zookeeper:①保证任何时候,集群中只有一个running master,避免单点问题;②存贮所有Region的寻址入口,包括-ROOT-表地址、HMaster地址;③实时监控Region Server的状态,将Region server的上线和下线信息,实时通知给Master;④存储Hbase的schema,包括有哪些table,每个table有哪些column family。

   3) HMaster:可以启动多个HMaster,通过Zookeeper的Master Election机制保证总有一个Master运行。角色功能:①为Region server分配region;②负责region server的负载均衡;③发现失效的region serve并重新分配其上的region;④GFS上的垃圾文件回收;⑤处理用户对标的增删改查操作。

   4) HRegionServer:HBase中最核心的模块,主要负责响应用户I/O请求,向HDFS文件系统中读写数据。作用:①维护Master分配给它的region,处理对这些region的IO请求;②负责切分在运行过程中变得过大的region。此外,HRegionServer管理一些列HRegion对象,每个HRegion对应Table中一个Region,HRegion由多个HStore组成,每个HStore对应Table中一个Column Family的存储,Column Family就是一个集中的存储单元,故将具有相同IO特性的Column放在一个Column Family会更高效。

   5) HStore:HBase存储的核心,由MemStore和StoreFile组成。用户写入数据的流程为:client写入 -> 存入MemStore,一直到MemStore满 -> Flush成一个StoreFile,直至增长到一定阈值 -> 触发Compact合并操作 -> 多个StoreFile合并成一个StoreFile,同时进行版本合并和数据删除 -> 当StoreFiles Compact后,逐步形成越来越大的StoreFile -> 单个StoreFile大小超过一定阈值后,触发Split操作,把当前Region Split成2个Region,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,如图所示。HBase -- 基于HDFS的开源分布式NoSQL数据库

图1.4 HStore写入流程

   6) HLog:在分布式系统环境中,无法避免系统出错或者宕机,一旦HRegionServer意外退出,MemStore中的内存数据就会丢失,引入HLog就是防止这种情况。工作机制:每个HRegionServer中都会有一个HLog对象,HLog是一个实现Write Ahead Log的类,每次用户操作写入Memstore的同时,也会写一份数据到HLog文件,HLog文件定期会滚动出新,并删除旧的文件(已持久化到StoreFile中的数据)。当HRegionServer意外终止后,HMaster会通过Zookeeper感知,HMaster首先处理遗留的HLog文件,将不同region的log数据拆分,分别放到相应region目录下,然后再将失效的region重新分配,领取到这些region的HRegionServer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。

   架构体系如图1.5所示:

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图1.5 HBase架构体系图

4、两张特殊的表

   HBase中存有两张特殊的表,-ROOT-和.META.。

   1) .META.:记录了用户表的Region信息,.META.可以有多个regoin。

   2) -ROOT-:记录了.META.表的Region信息,-ROOT-只有一个region。Zookeeper中记录了-ROOT-表的location。

   Client访问用户数据之前需要首先访问zookeeper,然后访问-ROOT-表,接着访问.META.表,最后才能找到用户数据的位置去访问,如图1.6所示:HBase -- 基于HDFS的开源分布式NoSQL数据库

图1.6 Client访问HBase数据顺序图

二、HBase安装

  本实例安装环境:① 操作系统:CentOS;② HBase版本:1.0.1(hbase-1.0.1-bin.tar.gz)。

1、伪分布式模式安装

   1) 上传hbase压缩包到/usr/local下并解压,然后重新命名为hbase,执行命令:① tar -zxvf hbase-0.94.7-security.tar.gz;② mv hbase-0.94.7-security hbase;

   2) 配置环境变量,增加一行hbase环境配置HBASE_HOME=/usr/local/hbase,并在PATH中增加$HBASE_HOME/bin,执行命令:① vi /etc/profile;② source /etc/profile;

   3) 修改配置文件,执行命令:vi /usr/local/hbase/conf/hbase-env.sh,将# export JAVA_HOME=/usr/java/jdk1.6.0/行去掉注视,并更改为正确路径/usr/local/jdk/,然后去掉# export HBASE_MANAGES_ZK=true行的注视;

   4) 修改文件hbase-site.xml,执行命令:vi /usr/local/hbase/conf/hbase-site.xml,增加如下内容:

<property>
<name>hbase.rootdir</name>
<value>hdfs://hadoop0:9000/hbase</value>
</property>
<property>
<name>hbase.cluster.distributed</name>
<value>true</value>
</property>
<property>
<name>hbase.zookeeper.quorum</name>
<value>hadoop0</value>
</property>
<property>
<name>dfs.replication</name>
<value>1</value>
</property>

   5) (可选)修改regionservers为localhost;

   6) 启动HBase,执行命令:start-hbase.sh,注意启动hbase之前必须确保hadoop已启动并可写入数据。启动后,会增加HMaster、HQuorumPeer、HRegionServer三个进程。

   注:HBase也伪分布式模式也支持使用本地磁盘作为存储路径,不需要hdfs的支持。只需要修改hbase-env.sh中的JAVA_HOME和hbase-site.xml中的hbase.rootdir,其中hbase.rootdir的值以file://开头,如file:///Downloads/hbase_data,启动之后只有HMaster一个进程。

2、集群模式安装(在伪分布模式基础上进行搭建)

   本集群安装实例结构为:主节点(hmaster)是hadoop0,从节点(region server)是hadoop1和hadoop2。

   1) 修改主节点hadoop0上的几个hbase配置文件,修改明细如下:

   ▶ 修改hbase-env.sh的最后一行:export HBASE_MANAGES_ZK=false;

   ▶ 修改hbase-site.xml文件的hbase.zookeeper.quorum的值:hadoop0,hadoop1,hadoop2; 

   ▶ 修改regionservers文件(存放的region server的hostname),内容修改为:hadoop1(\r\n换行)hadoop2;

   2) 如果hbase.rootdir配置了NameNode HA的逻辑nameservice名称,那么需要将hadoop中的core-site.xml和hdfs-site.xml配置文件拷贝至hbase的conf目录下;

   3) 复制hadoop0中的hbase文件夹到hadoop1、hadoop2中,在hadoop0上执行命令:scp /usr/local/hbase hadoop1:/usr/local/;

   4) 复制hadoop0中的/etc/profile到hadoop1、hadoop2中,在hadoop0上执行命令:scp /etc/profile hadoop1:/etc/,然后分别在hadoop1和hadoop2上执行命令:source /etc/profile;

   5) 启动,记住启动顺序:① 启动zookeeper集群;② 启动hadoop集群;③ 启动hbase集群;

   6) 添加Backup Masters,选择节点(这里的节点必须不是hbase从节点,即regionservers中配置的节点,节点可以选择为非zookeeper节点)并执行命令:hbase-daemon.sh start master,可以在当前节点启动HMaster进程,多个HMaser节点依靠Zookeeper来协调,当active的HMaster挂掉后,其他Backup Master节点就会通过Zookeeper选择一个并激活为active状态;

   注:可通过“http://hadoop0:16010/master-status”查看HBase集群状态,启动hbase后,会在HDFS根目录下新建hbase目录。这里不同版本查看的web默认端口可能不一样,早期版本端口号应该是60010,hbase-1.x版本之后默认改成了16010,默认配置见hbase-x.x.x-src/hbase-common/src/main/resources/hbase-default.xml中的hbase.master.info.port值,也可以在hbase-site.xml中配置自定义查看端口。

三、HBase的Shell命令操作

  进入hbase命令行终端,执行命令:hbase shell,退出命令:quit。 官方文档:http://abloz.com/hbase/book.html,一些常用HBase shell命令见下表:HBase -- 基于HDFS的开源分布式NoSQL数据库

1、创建表,关键字create

   语法:create '表名称', '列族名称1','列族名称2','列族名称N'

   范例:create 'users','user_id','address','info'   --创建表user,该表有三个列族user_id,address,info

2、添加记录,关键字put

   语法:put '表名称', '行名称', '列名称:', '值'

   范例:put 'users','hans','info:age','28'   --在表users中插入数据,行名称为hans,列族info下列age(动态新增)的值设置为28

3、查看记录,关键字get

   语法:get '表名称', '行名称' [,'列名称']

   范例:get 'user','hans','info:age'   --查看表users中行名称为hans,列族info下列age的最新的值

4、查看所有记录,关键字scan

   语法:scan '表名称'

      scan '表名称',{COLUMNS=>'列族名称:列名称'}   --查看表中某个列中的所有数据,COLUMNS必须大写

   范例:scan 'users'   --查看表users下所有的记录

5、删除记录,关键字delete

   语法:delete  '表名称' ,'行名称' , '列名称'   --删除某行的某列记录

      deleteall   '表名称' ,'行名称'   --删除整行记录

   范例:delete 'user','hans','info:age'   --删除表users中行名称为hans的列族info下列age的记录

6、删除表,关键字drop

   语法:disable '表名称'   --删除表之前必须先使其失效

      drop '表名称'   --删除表

7、查看表中的记录总数,关键字count

   语法:count '表名称'

8、查看表结构信息,关键字describe

   语法:describe '表名称'

   注意:结果中列族的versions指定了最多版本数

9、其他操作

   truncate '表名称'   --清空表数据

   exists '表名称'   --是否存在某表

   is_enabled '表名称'   --某表是否可用

   is_disabled '表名称'   --某表是否已失效   

   help 或 help 'create'   -帮助命令

四、使用Java API操作HBase 

1、获得特殊的Configuration,HBase操作的Configuration通过HBaseConfiguration.create()获取,并设置hbase.rootdir和hbase.zookeeper.quorum属性,获取方法如下:

//创建HBase的Configuration
private static Configuration getConfiguration() {
Configuration conf = HBaseConfiguration.create();
//客户端通过zookeeper去访问hbase
conf.set("hbase.zookeeper.quorum", "hadoop0:2181,hadoop1:2181,hadoop2:2181");
return conf;
}

2、创建、删除表使用HBaseAdmin,插入记录、查询记录、遍历记录使用HTable,详细操作实例如下所示:

package com.hicoor.hbase;

import java.io.IOException;
import java.util.List; import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.hbase.Cell;
import org.apache.hadoop.hbase.CellUtil;
import org.apache.hadoop.hbase.HBaseConfiguration;
import org.apache.hadoop.hbase.HColumnDescriptor;
import org.apache.hadoop.hbase.HTableDescriptor;
import org.apache.hadoop.hbase.TableName;
import org.apache.hadoop.hbase.client.Get;
import org.apache.hadoop.hbase.client.HBaseAdmin;
import org.apache.hadoop.hbase.client.HTable;
import org.apache.hadoop.hbase.client.Put;
import org.apache.hadoop.hbase.client.Result;
import org.apache.hadoop.hbase.client.ResultScanner;
import org.apache.hadoop.hbase.client.Scan; public class HBaseDemo { public static final String TABLE_NAME = "table1";
public static final String FAMILY_NAME = "family1";
public static final String ROW_KEY = "rowkey1";
public static void main(String[] args) throws Exception {
Configuration conf = getConfiguration(); //创建、删除表使用HBaseAdmin
HBaseAdmin hBaseAdmin = new HBaseAdmin(conf); //创建表
//createTable(hBaseAdmin,conf);
//删除表
//deleteTable(hBaseAdmin); //插入记录、查询记录、遍历记录使用HTable
HTable hTable = new HTable(conf,TABLE_NAME);
//插入记录
//insertRecord(hTable);
//查询数据
//searchRecord(hTable);
//遍历数据
scanRecord(hTable);
//关闭HTable
//hTable.close();
} private static void scanRecord(HTable hTable) throws IOException {
Scan scan = new Scan();
ResultScanner scanner = hTable.getScanner(scan);
//scanner包含所有行 result为一行(同一个行键)
for (Result result : scanner) {
List<Cell> cells = result.listCells();
//result.getRow()获取当前行键
System.out.println("行键:"+new String(result.getRow()));
for(Cell cell:cells){
System.out.println("\t"+cell.toString()+"\t"+new String(CellUtil.cloneValue(cell)));
}
}
} private static void searchRecord(HTable hTable) throws IOException {
Get get = new Get(ROW_KEY.getBytes());
//根据指定列查询
get.addColumn(FAMILY_NAME.getBytes(), "age".getBytes());
Result result = hTable.get(get);
List<Cell> list = result.listCells();
for(Cell c:list){
System.out.println(c.toString()+"\t"+new String(CellUtil.cloneValue(c)));
}
} private static void insertRecord(HTable hTable) throws IOException {
//指定行键
Put put = new Put(ROW_KEY.getBytes());
//指定列族、列名、值 同hbase shell语句:put 'table1','rowkey1','family:age','25'
put.addColumn(FAMILY_NAME.getBytes(), "age".getBytes(), "29".getBytes());
hTable.put(put);
} private static void deleteTable(HBaseAdmin hBaseAdmin) throws IOException {
if(hBaseAdmin.tableExists(TABLE_NAME)){
//删除表之前先让表失效
hBaseAdmin.disableTable(TABLE_NAME);
hBaseAdmin.deleteTable(TABLE_NAME);
}
} private static void createTable(HBaseAdmin hBaseAdmin,Configuration conf) throws Exception {
if(hBaseAdmin.tableExists(TABLE_NAME)){
System.out.println("table exists!");
} else {
HTableDescriptor tableDescriptor = new HTableDescriptor(TableName.valueOf(TABLE_NAME));
//添加列族
HColumnDescriptor family = new HColumnDescriptor(FAMILY_NAME);
tableDescriptor.addFamily(family);
hBaseAdmin.createTable(tableDescriptor);
System.out.println("table create success");
}
} //创建HBase的Configuration
private static Configuration getConfiguration() {
Configuration conf = HBaseConfiguration.create();
//客户端通过zookeeper去访问hbase
conf.set("hbase.zookeeper.quorum", "hadoop0:2181,hadoop1:2181,hadoop2:2181");
return conf;
} }

3、通过MapReduce批量导入数据到HBase,下述例子表示将手机流量数据上(格式详见《Hadoop学习(4)-- MapReduce》中的“手机流量数据统计分析”示例)传到HBase数据库中,源码如下所示(注意自定义reduder继承TableReducer):

package hbase;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date; import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.hbase.client.Put;
import org.apache.hadoop.hbase.mapreduce.TableOutputFormat;
import org.apache.hadoop.hbase.mapreduce.TableReducer;
import org.apache.hadoop.hbase.util.Bytes;
import org.apache.hadoop.io.LongWritable;
import org.apache.hadoop.io.NullWritable;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Counter;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Job;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Mapper;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.FileInputFormat;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.TextInputFormat; public class BatchImportHBaseByMR { public static void main(String[] args) throws Exception {
final Configuration configuration = new Configuration();
//设置zookeeper
configuration.set("hbase.zookeeper.quorum", "hadoop0");
//设置hbase表名称
configuration.set(TableOutputFormat.OUTPUT_TABLE, "wlan_log");
//将该值改大,防止hbase超时退出
configuration.set("dfs.socket.timeout", "180000"); final Job job = new Job(configuration, "HBaseBatchImport"); job.setMapperClass(BatchImportMapper.class);
job.setReducerClass(BatchImportReducer.class);
//设置map的输出,不设置reduce的输出类型
job.setMapOutputKeyClass(LongWritable.class);
job.setMapOutputValueClass(Text.class); job.setInputFormatClass(TextInputFormat.class);
//不再设置输出路径,而是设置输出格式类型
job.setOutputFormatClass(TableOutputFormat.class); FileInputFormat.setInputPaths(job, "hdfs://hadoop0:9000/input"); job.waitForCompletion(true);
} static class BatchImportMapper extends Mapper<LongWritable, Text, LongWritable, Text>{
SimpleDateFormat dateformat1 = new SimpleDateFormat("yyyyMMddHHmmss");
Text v2 = new Text(); protected void map(LongWritable key, Text value, Context context) throws java.io.IOException ,InterruptedException {
final String[] splited = value.toString().split("\t");
try {
final Date date = new Date(Long.parseLong(splited[0].trim()));
final String dateFormat = dateformat1.format(date);
String rowKey = splited[1]+":"+dateFormat;
v2.set(rowKey+"\t"+value.toString());
context.write(key, v2);
} catch (NumberFormatException e) {
final Counter counter = context.getCounter("BatchImport", "ErrorFormat");
counter.increment(1L);
System.out.println("出错了"+splited[0]+" "+e.getMessage());
}
};
} static class BatchImportReducer extends TableReducer<LongWritable, Text, NullWritable>{
protected void reduce(LongWritable key, java.lang.Iterable<Text> values, Context context) throws java.io.IOException ,InterruptedException {
for (Text text : values) {
final String[] splited = text.toString().split("\t"); final Put put = new Put(Bytes.toBytes(splited[0]));
put.add(Bytes.toBytes("cf"), Bytes.toBytes("date"), Bytes.toBytes(splited[1]));
//省略其他字段,调用put.add(....)即可
context.write(NullWritable.get(), put);
}
};
} }

  参考:http://www.cnblogs.com/johnnyflute/p/3654426.html?utm_source=tuicool