一条数据的HBase之旅，简明HBase入门教程14：Scan全流程

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Client发送读取请求到RegionServer

无论是Get，还是Scan，Client在发送请求到RegionServer之前，也需要先获取路由信息：

1.定位该请求所关联的Region

因为Get请求仅关联一个RowKey，所以，直接定位该RowKey所关联的Region即可。

对于Scan请求，先定位Scan的StartRow所关联的Region。

2.往该Region所关联的RegionServer发送读取请求

该过程与《一条数据的HBase之旅，简明HBase入门教程8 - 数据路由与分组打包》的"数据路由"章节所描述的流程类似，不再赘述。

如果一次Scan涉及到跨Region的读取，读完一个Region的数据以后，需要继续读取下一个Region的数据，这需要在Client侧不断记录和刷新Scan的进展信息。如果一个Region中已无更多的数据，在scan请求的响应结果中会带有提示信息，这样可以让Client侧切换到下一个Region继续读取。

RegionServer如何处理读取请求

关于Read的命题

通过前面的文章，我们已经知道了如下这些信息：

1.一个表可能包含一个或多个Region

将HBase中拥有数亿行的一个大表，横向切割成一个个”子表“，这一个个”子表“就是Region。

2.每一个Region中关联一个或多个列族

如果将Region看成是一个表的横向切割，那么，一个Region中的数据列的纵向切割，称之为一个Column Family。每一个列，都必须归属于一个Column Family，这个归属关系是在写数据时指定的，而不是建表时预先定义。

3.每一个列族关联一个MemStore，以及一个或多个HFiles文件

上面的关于“Region与多列族”的图中，泛化了Column Family的内部结构。下图是包含MemStore与HFile的Column Family组成结构：

HFile数据文件存在于底层的HDFS中，上图中只是为了方便阐述HFile与Column Family之间的关系。

在HBase的源码实现中，将一个Column Family抽象成一个Store对象。可以这么简单理解Column Family与Store的概念差异：Column Family更多的是面向用户层可感知的逻辑概念，而Store则是源码实现中的概念，是关于一个Column Family的抽象。

4.每一个MemStore中可能涉及一个Active Segment，以及一个或多个Immutable Segments

扩展到一个Region包含两个Column Family的情形：

5.HFile由Block构成，默认地，用户数据被按序组织成一个个64KB的Block

HFile V1的结构虽已过时，但非常有助于你理解HFile的核心设计思想：

Data Block(上图中左侧的Data块)：保存了实际的KeyValue数据。

Data Index：关于Data Block的索引信息。

HFile V2只不过在HFile V1基础上做的演进，将Data Index信息以及BloomFilter的数据也分成了多层。

当前阶段，你只需要了解到：基于一个给定的RowKey，HFile中提供的索引信息能够快速查询到对应的Data Block。

在重新温习了上述内容以后，我们也大致了解了关于HBase读取我们所面临的问题是什么。关于HBase Read的命题可以定义为：如何从包含1个或多个列族(每个列族包含1个或多个MemStore Segments，以及1个或多个HFiles)的Region中读取用户所期望的数据？默认情况下，这些数据必须是未被标记删除的、未过期的而且是最新版本的数据。

将Get看作一类特殊的Scan

无论是读取一行数据，还是读取指定RowKey范围的读取一系列数据，所面临的问题其实是类似的，因此，可以将Get看作是一种特殊的Scan，只不过它的StartRow与StopRow重叠，事实上，RegionServer侧处理Get请求时的确先将Get先转换成了一个Scan操作。

合理组织所有的KeyValue数据源

在Store/Column Family内部，KeyValue可能存在于MemStore的Segment中，也可能存在于HFile文件中，无论是Segment还是HFile，我们统称为KeyValue数据源。

在本文的第一部分介绍如何执行Scan操作时，我们讲到了Client侧使用一个ResultScanner来抽象地描述一次Scan操作，ResultScanner屏蔽掉了往RegionServer发送请求以及一个Region读取完成以后切换到下一个Region等细节信息。

初次阅读RegionServer/Region的读取流程所涉及的源码时，会被各色各样的Scanner类整的晕头转向，HBase使用了各种Scanner来抽象每一层/每一类KeyValue数据源的Scan操作：

关于一个Region的读取，被封装成一个RegionScanner对象。

每一个Store/Column Family的读取操作，被封装在一个StoreScanner对象中。

SegmentScanner与StoreFileScanner分别用来描述关于MemStore中的Segment以及HFile的读取操作。

StoreFileScanner中关于HFile的实际读取操作，由HFileScanner完成。

RegionScanner的构成如下图所示：

在StoreScanner内部，多个SegmentScanner与多个StoreFileScanner被组织在一个称之为KeyValueHeap的对象中：

每一个Scanner内部有一个指针指向当前要读取的KeyValue，KeyValueHeap的核心是一个优先级队列(PriorityQueue)，在这个PriorityQueue中，按照每一个Scanner当前指针所指向的KeyValue进行排序：

// 用来组织所有的Scanner

protected PriorityQueue heap = null;

// PriorityQueue当前排在最前面的Scanner

protected KeyValueScanner current = null;

同样的，RegionScanner中的多个StoreScanner，也被组织在一个KeyValueHeap对象中：

KeyValueScanner接口

KeyValueScanner定义了读取KeyValue的基础接口：

/**

* 查看当前Scanner中当前指针位置的KeyValue，该接口不会移动指针.

*/

Cell peek();

/**

* 返回Scanner当前指针位置的KeyValue，而后移动指针到下一个KeyValue.

*/

Cell next() throws IOException;

/**

* 将当前Scanner的指针定位到指定的KeyValue的位置,如果不存在，则定位到

* 比该Cell大的下一个KeyValue位置.Seek操作会从当前的HFile Block的开

* 始位置查找.

*/

boolean seek(Cell key) throws IOException;

/**

* 与seek接口类似，也是将当前Scanner的指针定位到指定的KeyValue的位置,

* 如果不存在，则定位到比该KeyValue大的下一个KeyValue位置.与seek接口不

* 同点在于，该操作会从上一次读到的HFile Block的位置开始查找.

*/

boolean reseek(Cell key) throws IOException;

/**

* 与seek/reseek类似，但不同点在于采用了Lazy Seek机制来降低磁盘IO请求，

* 其原理在于充分利用Bloom Filter的判断结果，以及待Seek的KeyValue与该

* Scanner中最大时间戳的对比，减少一些不必要的Seek操作

*/

boolean requestSeek(Cell kv, boolean forward,  boolean useBloom) throws IOException;

实现了KeyValueScanner接口类的主要Scanner包括：

StoreFileScanner

SegmentScanner

StoreScanner

RegionScanner初始化

RegionScanner初始化过程，包括几个关键操作：

1.获取ReadPoint

ReadPoint决定了此次Scan操作能看到哪些数据。Scan过程中新写入的数据，对此次Scan是不可见的。

2.按需选择对应的Store，并初始化对应的StoreScanner

StoreScanner在初始化的时候，也会按需选择对应的SegmentScanner以及StoreFileScanner，筛选规则包括：

如果一次Scan操作指定了Time Range，则只选择与该Time Range有关的Scanners。

对于Get操作，可以通过BloomFilter过滤掉不符合条件的Scanners。

StoreScanner中筛选除了Scanner以后，会将每一个Scanner seek到Scan的StartRow位置：

通过next请求读取一行行数据

如果将RegionScanner理解成一个内部构造复杂的机器，而驱动这个机器运转的动力源自Client侧的一次次scan请求，scan请求通过调用RegionScanner的next方法来获取一行行结果。

为了简单的解释该流程，我们先假定一个RegionScanner中仅包含一个StoreScanner，那么，这个RegionScanner中的核心读取操作，是由StoreScanner完成的，我们进一步假定StoreScanner由4个Scanners组成（我们泛化了SegmentScanner与StoreFileScanner的区别，统称为Scanner），直观起见，在下图中我们使用了四种不同的颜色：

每一个Scanner中都有一个current指针指向下一个即将要读取的KeyValue，KeyValueHeap中的PriorityQueue正是按照每一个Scanner的current所指向的KeyValue进行排序。

第一次next请求，将会返回ScannerA中的Row01:FamA:Col1，而后ScannerA的指针移动到下一个KeyValue Row01:FamA:Col2，PriorityQueue中的Scanners排序依然不变：

第二次next请求，依然返回ScannerA中的Row01:FamA:Col2，ScannerA的指针移动到下一个KeyValue Row02:FamA:Col1，此时，PriorityQueue中的Scanners排序发生了变化：

下一次next请求，将会返回ScannerB中的KeyValue…..周而复始，直到某一个Scanner所读取的数据耗尽，该Scanner将会被close，不再出现在上面的PriorityQueue中。

SegmentScanner/StoreFileScanner中返回的KeyValue，包含了各种类型的KeyValue：

已被更新过的旧KeyValue

已被标记删除但尚未被及时清理的KeyValue

已过期的尚未被及时清理的KeyValue

用来描述一次删除操作的KeyValue(删除还包含了多种类型)

承载最新用户数据的普通KeyValue

因此，在StoreScanner层，需要对这些KeyValue做更复杂的逻辑校验，这些校验由ScanQueryMatcher完成。默认地，可作为返回数据的KeyValue，应该满足如下条件：

KeyValue类型为Put

KeyValue所关联的列为用户Scan所涉及的列

KeyValue的时间戳符合Scan的TimeRange要求

版本最新

未被标记删除

通过了Filter的过滤条件

上述条件，只针对一些普通的Scan，不同的Scan参数配置，可能会导致条件集发生变化，如Scan启用了Raw Scan模式时，Delete类型的KeyValue也会被返回。另外，上面的这些条件所罗列的顺序，也未遵循实际的检查顺序，而实际的检查顺序也是严格的，如果颠倒就可能会导致Bug。小米的同学就曾发现了这样的一个Bug:

假设某一个列共有T1~T5五个版本， Column Family中设置的MaxVersions=3(即最大允许保留的版本)

T5 -> Value=5

T4 -> Value=4

T3 -> Value=3

T2 -> Value=2

T1 -> Value=1

如果Scan中采用了一个SingleColumnValueFilter，要求返回满足Value<=3的所有结果。

因为MaxVersions为3，我们所期望的返回结果应该为：

T5 -> Value=5 （Value不满足条件）

T4 -> Value=4 （Value不满足条件）

T3 -> Value=3

T2 -> Value=2 （Version不满足条件）

T1 -> Value=1 （Version不满足条件）

关于多版本检查以及Filter检查，这里有两种可能的顺序：

Opt 1：先检查Filter，再检查多版本。这种情况下的返回结果为：

T5 -> Value=5 （Value不满足条件）

T4 -> Value=4 （Value不满足条件）

T3 -> Value=3

T2 -> Value=2

T1 -> Value=1

这种情况的返回结果就是错误的。

Opt 2: 先检查多版本，再检查Filter。这种情况下的返回结果才是预期的。

在Scanner中，如果允许读取多个版本（由Scan#readVersions配置），那正常的读取顺序应该为：

上面这种读取的顺序与实际存在的数据的逻辑顺序也是相同的。

由于不同的Scan所读取的每一行中的数据不同，有的限定了列的数量，有的限定了版本的数量，这使得读取时可以通过一些优化，减少不必要的数据扫描。如某次Scan在允许读多个版本的同时，限定了只读取C1~C3，那么，读取顺序应该为：

最普通的Scan，其实只需要读取每一列的最新版本即可，那读取的顺序应该为：

通过上面几张图，我们其实是想说明在Scanner内部需要具备这样的一些基础能力：

如果只需要当前列的最新版本，那么Scanner应该可以跳过当前列的其它版本，而且将指针移到下一列的开始位置。

如果当前行的所要读取的列都已读完，那么，Scanner应该可以跳过该行剩余的列，将指针移动到下一行的开始位置。

我们知道KeyValueScanner定义了基础的seek/reseek/requestSeek等接口，可以将指针移动到指定KeyValue位置。但关于指针如何移动的决策信息，由谁来提供？

这些信息也是由ScanQueryMatcher提供的。ScanQueryMatcher对每一个KeyValue的逻辑检查结果称之为MatchCode，MatchCode不仅包含了是否应该返回该KeyValue的结果，还可能给出了Scanner的下一步操作的提示信息。关于它的枚举值，简单举例如下：

INCLUDE_AND_SEEK_NEXT_ROW

包含当前KeyValue，并提示Scanner当前行已无需继续读取，请Seek到下一行。

INCLUDE_AND_SEEK_NEXT_COL

包含当前KeyValue，并提示Scanner当前列已无需继续读取，请Seek到下一列。

无论是StoreScanner还是RegionScanner，返回的都是符合条件的KeyValue列表。这些KeyValues在RSRpcServices层被进一步组装成Results响应给Client侧。

总结

Scan涉及了太多的细节内容，本文只粗略介绍了Scan的一些核心思路，这与本系列文章最初的定位有关，当然也受限于本文的篇幅。 本文主要介绍了如下内容：

介绍HBase的两种读取模式：Get与Scan

Client如何发起一次Get请求，Get的关键参数

Client如何发起一次Scan请求，Scan的关键参数

重点介绍了RegionServer侧关于Scan的处理流程

如何用Scanner来抽象描述关于Region的读取操作

关于读取KeyValue的基础Scanner接口定义

RegionScanner初始化时的关键操作

Client侧的一次次scan请求如何驱动RegionScanner内部的读取操作

从StoreFileScanner/SegmentScanner中读取出来的原始KeyValue如何被合理的校验

Scanner读取时如何跳过一些不必要的数据

关于Scan的更多细节，感兴趣的同学可以自己去源码中探寻答案：

如果第一次scan请求不能取回所有的数据，下一次scan如何快速有效继承上一次的进度？

Get/Small Scan/Large Scan在实现上有何不同？

ScanQueryMatcher中校验KeyValue的详细逻辑

关于Filter涉及多步校验，每一步校验是在什么地方完成的？

MinVersion与MaxVersion的定义是什么？

ScanQueryMatcher中关于多种删除类型的语义是如何定义的？

如何限制一次Scan所占用的内存大小以及执行的时间？

BloomFilter在Get/Scan流程中是如何被应用的？

Scan过程中如果正在读取的HFile文件被Compaction合并了，如何处理？

正在Scan的Region突然被迁移到其它的RegionServer中，如何继续原来的进度继续读取？

Reverse Scan与普通的Scan在实现上有何不同？

HFile的内容在本文只粗略提及，在RegionServer侧的处理流程中，关于BlockCache部分更是只字未提。本文将重点放在介绍Scan的核心思路上。

下篇文章将单独介绍HFile的核心原理。

hbase

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