一条数据的HBase之旅，简明HBase入门教程9：RegionServer写数据

RegionServer端处理：Region分发

RegionServer的RPC Server侧，接收到来自Client端的RPC请求以后，将该请求交给Handler线程处理。

如果是single put，则该步骤比较简单，因为在发送过来的请求参数MutateRequest中，已经携带了这条记录所关联的Region，那么直接将该请求转发给对应的Region即可。

如果是batch puts，则接收到的请求参数为MultiRequest，在MultiRequest中，混合了这个RegionServer所持有的多个Region的写入请求，每一个Region的写入请求都被包装成了一个RegionAction对象。RegionServer接收到MultiRequest请求以后，遍历所有的RegionAction，而后写入到每一个Region中，此过程是串行的:

Write Per Region

从这里可以看出来，并不是一个batch越大越好，大的batch size甚至可能导致吞吐量下降。

Region内部处理：写WAL

HBase也采用了LSM-Tree的架构设计：LSM-Tree利用了传统机械硬盘的“顺序读写速度远高于随机读写速度”的特点。随机写入的数据，如果直接去改写每一个Region上的数据文件，那么吞吐量是非常差的。因此，每一个Region中随机写入的数据，都暂时先缓存在内存中(HBase中存放这部分内存数据的模块称之为MemStore，这里仅仅引出概念，下一章节详细介绍)，为了保障数据可靠性，将这些随机写入的数据顺序写入到一个称之为WAL(Write-Ahead-Log)的日志文件中，WAL位于HDFS中，它的数据按时间顺序组织：

MemStore And WAL

如果位于内存中的数据尚未持久化，而且突然遇到了机器断电，只需要将WAL中的数据回放到Region中即可:

WAL Replay

在HBase中，默认一个RegionServer只有一个可写的WAL文件，WAL文件位于HDFS中，因此默认也是三副本存储的。WAL中写入的记录，以Entry为基本单元，而一个Entry中，包含：

WALKey 包含{Encoded Region Name，Table Name，Sequence ID，Timestamp}等关键信息，其中，Sequence ID在维持数据一致性方面起到了关键作用，可以理解为一个事务ID。

WALEdit WALEdit中直接保存待写入数据的所有的KeyValues，而这些KeyValues可能来自一个Region中的多行数据。

也就是说，通常，一个Region中的一个batch put请求，会被组装成一个Entry，写入到HDFS的WAL中：

Write into WAL

将Entry写到文件中时是支持压缩的，但该特性默认未开启。

WAL进阶内容

WAL Roll and Archive

当正在写的WAL文件达到一定大小以后，会创建一个新的WAL文件，上一个WAL文件依然需要被保留，因为这个WAL文件中所关联的Region中的数据，尚未被持久化存储，因此，该WAL可能会被用来回放数据。

这个操作被称之为WAL Roll。

Roll WAL

如果一个WAL中所关联的所有的Region中的数据，都已经被持久化存储了，那么，这个WAL文件会被暂时归档到HDFS的另外一个目录中：

WAL Archive In HDFS

注意，这里不是直接将HDFS目录中的WAL文件删除掉，这是一种稳妥且合理的做法，原因如下：

避免因为逻辑实现上的问题导致WAL被误删，暂时归档到另外一个目录，为错误发现预留了一定的时间窗口

按时间维度组织的WAL数据文件还可以被用于其它用途，如增量备份，跨集群容灾等等，因此，这些位于HDFS中的WAL文件通常不允许直接被删除，至于何时可以被清理，还需要额外的控制逻辑

另外，如果对写入HBase中的数据的可靠性要求不高，那么，HBase允许通过配置跳过写WAL操作。

思考：put与batch put的性能为何差别巨大？

在网络分发上，batch put已经具备一定的优势，因为batch put是打包分发的。

而从写WAL这块，看的出来，batch put写入的一小批次Put对象，可以通过一次sync就持久化到WAL文件中了，有效减少了IOPS。

但前面也提到了，batch size并不是越大越好，因为每一个batch在RegionServer端是被串行处理的。

利用Disruptor提升写并发性能

在高并发随机写入场景下，会带来大量的WAL Sync操作，HBase中采用了Disruptor的RingBuffer来减少竞争，思路是这样：如果将瞬间并发写入WAL中的数据，合并执行Sync操作，可以有效降低Sync操作的次数，来提升写吞吐量。

Multi-WAL

默认情形下，一个RegionServer只有一个被写入的HDFS WAL Writer，尽管WAL Writer依靠顺序写提升写吞吐量，在基于普通机械硬盘的配置下，此时只能有单块盘发挥作用（注意：WAL位于HDFS中，因此，一个WAL Writer关联HDFS中的三个DataNodes，这三个DataNodes中，都只能有一块盘发挥作用），其它盘的IOPS能力并没有被充分利用起来，这是Multi-WAL设计的初衷。Multi-WAL可以在一个RegionServer中同时启动几个WAL Writer，可按照一定的策略，将一个Region与其中某一个WAL Writer绑定，这样可以充分发挥多块盘的性能优势。

关于WAL的未来

WAL是基于机械硬盘的IO模型设计的，而对于新兴的非易失性介质，如3D XPoint，WAL未来可能会失去存在的意义，关于这部分内容，请参考文章《从HBase中移除WAL？3D XPoint技术带来的变革》。

Region内部处理：写MemStore

每一个Column Family，在Region内部被抽象为了一个HStore对象，而每一个HStore拥有自身的MemStore，用来缓存一批最近被随机写入的数据，这是LSM-Tree核心设计的一部分。

MemStore中用来存放所有的KeyValue的数据结构，称之为CellSet，而CellSet的核心是一个ConcurrentSkipListMap，我们知道，ConcurrentSkipListMap是Java的跳表实现，数据按照Key值有序存放，而且在高并发写入时，性能远高于ConcurrentHashMap。

因此，写MemStore的过程，事实上是将batch put提交过来的所有的KeyValue列表，写入到MemStore的以ConcurrentSkipListMap为组成核心的CellSet中：

Write Into MemStore

MemStore因为涉及到大量的随机写入操作，会带来大量Java小对象的创建与消亡，会导致大量的内存碎片，给GC带来比较重的压力，HBase为了优化这里的机制，借鉴了操作系统的内存分页的技术，增加了一个名为MSLab的特性，通过分配一些固定大小的Chunk，来存储MemStore中的数据，这样可以有效减少内存碎片问题，降低GC的压力。当然，ConcurrentSkipListMap本身也会创建大量的对象，这里也有很大的优化空间，去年阿里的一篇文章透露了阿里如何通过优化ConcurrentSkipListMap的结构来有效减少GC时间。

进阶内容2：先写WAL还是先写MemStore?

在0.94版本之前，Region中的写入顺序是先写WAL再写MemStore，这与WAL的定义也相符。

但在0.94版本中，将这两者的顺序颠倒了，当时颠倒的初衷，是为了使得行锁能够在WAL sync之前先释放，从而可以提升针对单行数据的更新性能。详细问题单，请参考HBASE-4528。

在2.0版本中，这一行为又被改回去了，原因在于修改了行锁机制以后(下面章节将讲到)，发现了一些性能下降，而HBASE-4528中的优化却无法再发挥作用，详情请参考HBASE-15158。改动之后的逻辑也更简洁了。

进阶内容3：关于行级别的ACID

在之前的版本中，行级别的任何并发写入/更新都是互斥的，由一个行锁控制。但在2.0版本中，这一点行为发生了变化，多个线程可以同时更新一行数据，这里的考虑点为：

如果多个线程写入同一行的不同列族，是不需要互斥的

多个线程写同一行的相同列族，也不需要互斥，即使是写相同的列，也完全可以通过HBase的MVCC机制来控制数据的一致性

当然，CAS操作(如checkAndPut)或increment操作，依然需要独占的行锁

更多详细信息，可以参考HBASE-12751。

至此，这条数据已经被同时成功写到了位于HDFS的WAL以及MemStore中：

Data Written In HBase

安全访问控制

如何保障UserA只能写数据到UserA的表中，以及禁止UserA改写其它User的表的数据，HBase提供了ACL机制。ACL通常需要与Kerberos认证配合一起使用，Kerberos能够确保一个用户的合法性，而ACL确保该用户仅能执行权限范围内的操作。

HBase将权限分为如下几类：

READ(‘R’)

WRITE(‘W’)

EXEC(‘X’)

CREATE(‘C’)

ADMIN(‘A’)

可以为一个用户/用户组定义整库级别的权限集合，也可以定义Namespace、表、列族甚至是列级别的权限集合。

hbase

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