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HBase的优化总结
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总结起来:预分区,列族,批量读写,合并,链接池。详细见下:
默认情况下,在创建HBase表的时候会自动创建一个region分区,当导入数据的时候,所有的HBase客户端都向这一个region写数据,直到这个region足够大了才进行切分。一种可以加快批量写入速度的方法是通过预先创建一些空的regions,这样当数据写入HBase时,会按照region分区情况,在集群内做数据的负载均衡。
有关预分区,详情参见:Table Creation: Pre-Creating Regions,下面是一个例子:
public static boolean createTable(HBaseAdmin admin, HTableDescriptor table, byte[][] splits) throws IOException { try { admin.createTable(table, splits); return true; } catch (TableExistsException e) { logger.info("table " + table.getNameAsString() + " already exists"); // the table already exists... return false; } } //这个方法是传入数据的起始和末尾key,以及想要分成几个region,返回的是哪些数据分在哪些区里 //实际应用中可能需要对数据的特点进行分析,以免有些key对应的数据用户传入量很大,相邻的key较为频繁集中 public static byte[][] getHexSplits(String startKey, String endKey, int numRegions) { byte[][] splits = new byte[numRegions-1][]; BigInteger lowestKey = new BigInteger(startKey, 16); BigInteger highestKey = new BigInteger(endKey, 16); BigInteger range = highestKey.subtract(lowestKey); BigInteger regionIncrement = range.divide(BigInteger.valueOf(numRegions)); lowestKey = lowestKey.add(regionIncrement); for(int i=0; i < numRegions-1;i++) { BigInteger key = lowestKey.add(regionIncrement.multiply(BigInteger.valueOf(i))); byte[] b = String.format("%016x", key).getBytes(); splits[i] = b; } return splits; }
预分区是根据预估的数据量,进行预先的region分割,设计哪些rowKey的数据放在哪些region上,避免数据倾斜。
HBase中row key用来检索表中的记录,就是用来查找表中数据的,支持以下三种方式:
通过单个row key访问:即按照某个row key键值进行get操作;
通过row key的range进行scan:即通过设置startRowKey和endRowKey,在这个范围内进行扫描;
全表扫描:即直接扫描整张表中所有行记录。
在HBase中,row key可以是任意字符串,最大长度64KB,实际应用中一般为10~100bytes,存为byte[]字节数组,一般设计成定长的。
row key是按照字典序存储,因此,设计row key时,要充分利用这个排序特点,将经常一起读取的数据存储到一块,将最近可能会被访问的数据放在一块。
举个例子:如果最近写入HBase表中的数据是最可能被访问的,可以考虑将时间戳作为row key的一部分,由于是字典序排序,所以可以使用Long.MAX_VALUE - timestamp作为row key,这样能保证新写入的数据在读取时可以被快速命中。表示就是最早插入的数据row key越大,越靠后,越晚插入的数据row key越小,越靠前,因此可以使得最近插入的数据最先被访问到,因为hbase在存储表中数据时是按row key升序排列的。外界查询时,是一次查region。
不要在一张表里定义太多的column family(列族)。目前Hbase并不能很好的处理超过2~3个column family的表。因为某个column family在flush的时候,它邻近的column family也会因关联效应被触发flush,最终导致系统产生更多的I/O。感兴趣的同学可以对自己的HBase集群进行实际测试,从得到的测试结果数据验证一下。
创建表的时候,可以通过HColumnDescriptor.setInMemory(true)将表放到RegionServer的缓存中,保证在读取的时候被cache命中。
缓存的一个思考:最靠近用户的地方做缓存,不可以太底层。
创建表的时候,可以通过列族HColumnDescriptor.setMaxVersions(int maxVersions)设置表中数据的最大版本,如果只需要保存最新版本的数据,那么可以设置setMaxVersions(1)。每一个列族都可以设置这个Max Version。
hbase自身在服务器基本不设置,除了设置下zookeeper所在的位置,为了hbase可以找到zookeeper,一般在程序端,可以动态的创建表,并设置表内的属性,例如该表中,某一个列族的Max Version。
创建表的时候,可以通过HColumnDescriptor.setTimeToLive(int timeToLive)设置表中数据的存储生命期,过期数据将自动被删除,例如如果只需要存储最近两天的数据,那么可以设置setTimeToLive(2 * 24 * 60 * 60)。
在HBase中,数据在更新时首先写入WAL 日志(HLog)和内存(MemStore)中,MemStore中的数据是排序的,当MemStore累计到一定阈值时,就会创建一个新的MemStore,并且将老的MemStore添加到flush队列,由单独的线程flush到磁盘上,成为一个StoreFile。于此同时, 系统会在zookeeper中记录一个redo point,表示这个时刻之前的变更已经持久化了(minor compact)。
StoreFile是只读的,一旦创建后就不可以再修改。因此Hbase的更新其实是不断追加的操作。当一个Store中的StoreFile达到一定的阈值后,就会进行一次合并(major compact),将对同一个key的修改合并到一起,形成一个大的StoreFile,当StoreFile的大小达到一定阈值后,又会对 StoreFile进行分割(split),等分为两个StoreFile。
由于对表的更新是不断追加的,处理读请求时,需要访问Store中全部的StoreFile和MemStore,将它们按照row key进行合并,由于StoreFile和MemStore都是经过排序的,并且StoreFile带有内存中索引,通常合并过程还是比较快的。
实际应用中,可以考虑必要时手动进行major compact,将同一个row key的修改进行合并形成一个大的StoreFile。同时,可以将StoreFile设置大些,减少split的发生。
用户访问时,查询先从region开始,查询对应的row_key。因为插入时,是按row_key来插的数据,依序分在region上。
major compaction是将每个分区(region)下的所有store(列族)里的storeFile进行合并,方便查询和插入,很耗资源的一种操作,因此不要频繁进行,应使用程序手动操作合并。
总体有三种方式有major_compaction命令;api操作(常用);region server自动运行,默认是24小时一次。其中region server自动的方式需要设置hbase.hregion.majorcompaction.jetter,默认为0.2,也就是为了防止多个regionserver在同一时间合并,设定合并的时间有个±0.2的浮动。
minor compaction是较小范围的合并,因为消耗资源少,因此设置好参数后,可以交由hbase自动管理,其中几个参数:
hbase.hstore.compaction.min默认为3,至少需要3个满足条件的storefile,才会启动;
hbase.hstore.compaction.max默认为10,表示最多一次合并10个;
hbase.hstore.compaction.min.size
hbase.hstore.compaction.max.size这两个表示storefile文件大小在哪个范围内才会加入合并;
hbase.hstore.compaction.ratio将storefle按年龄排序来合并,先合并老的。
创建多个HTable客户端用于写操作,提高写数据的吞吐量,一个例子:
htable创建时可以单独传入row-key来锁定一行查询,也可以设置scan,查询多行数据。
static final Configuration conf = HBaseConfiguration.create(); static final String table_log_name = “user_log”; wTableLog = new HTable[tableN]; for (int i = 0; i < tableN; i++) { wTableLog[i] = new HTable(conf, table_log_name); wTableLog[i].setWriteBufferSize(5 * 1024 * 1024); //5MB wTableLog[i].setAutoFlush(false); }
通过调用HTable.setAutoFlush(false)方法可以将HTable写客户端的自动flush关闭,这样可以批量写入数据到HBase,而不是有一条put就执行一次更新,只有当put填满客户端写缓存时,才实际向HBase服务端发起写请求。默认情况下auto flush是开启的。
通过调用HTable.setWriteBufferSize(writeBufferSize)方法可以设置HTable客户端的写buffer大小,如果新设置的buffer小于当前写buffer中的数据时,buffer将会被flush到服务端。其中,writeBufferSize的单位是byte字节数,可以根据实际写入数据量的多少来设置该值。
在HBae中,客户端向集群中的RegionServer提交数据时(Put/Delete操作),首先会先写WAL(Write Ahead Log)日志(即HLog,一个RegionServer上的所有Region共享一个HLog),只有当WAL日志写成功后,再接着写MemStore,然后客户端被通知提交数据成功;如果写WAL日志失败,客户端则被通知提交失败。这样做的好处是可以做到RegionServer宕机后的数据恢复。
因此,对于相对不太重要的数据,可以在Put/Delete操作时,通过调用Put.setWriteToWAL(false)或Delete.setWriteToWAL(false)函数,放弃写WAL日志,从而提高数据写入的性能。
值得注意的是:谨慎选择关闭WAL日志,因为这样的话,一旦RegionServer宕机,Put/Delete的数据将会无法根据WAL日志进行恢复。
通过调用HTable.put(Put)方法可以将一个指定的row key记录写入HBase,同样HBase提供了另一个方法:通过调用HTable.put(List
在客户端开启多个HTable写线程,每个写线程负责一个HTable对象的flush操作,这样结合定时flush和写buffer(writeBufferSize),可以既保证在数据量小的时候,数据可以在较短时间内被flush(如1秒内),同时又保证在数据量大的时候,写buffer一满就及时进行flush。下面给个具体的例子:
for (int i = 0; i < threadN; i++) { Thread th = new Thread() { public void run() { while (true) { try { sleep(1000); //1 second } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } synchronized (wTableLog[i]) { try { wTableLog[i].flushCommits(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } }; th.setDaemon(true); th.start(); }
创建多个HTable客户端用于读操作,提高读数据的吞吐量,一个例子:
static final Configuration conf = HBaseConfiguration.create(); static final String table_log_name = “user_log”; rTableLog = new HTable[tableN]; for (int i = 0; i < tableN; i++) { rTableLog[i] = new HTable(conf, table_log_name); //每次scan数据时读50条数据 rTableLog[i].setScannerCaching(50); }
hbase.client.scanner.caching配置项可以设置HBase scanner一次从服务端抓取的数据条数,默认情况下一次一条。通过将其设置成一个合理的值,可以减少scan过程中next()的时间开销,代价是scanner需要通过客户端的内存来维持这些被cache的行记录。
有三个地方可以进行配置:1)在HBase的conf配置文件中进行配置;2)通过调用HTable.setScannerCaching(int scannerCaching)进行配置;3)通过调用Scan.setCaching(int caching)进行配置。三者的优先级越来越高。
scan时指定需要的Column Family,可以减少网络传输数据量,否则默认scan操作会返回整行所有Column Family的数据。
通过scan取完数据后,记得要关闭ResultScanner,否则RegionServer可能会出现问题(对应的Server资源无法释放)。
通过调用HTable.get(Get)方法可以根据一个指定的row key获取一行记录,同样HBase提供了另一个方法:通过调用HTable.get(List
在客户端开启多个HTable读线程,每个读线程负责通过HTable对象进行get操作。下面是一个多线程并发读取HBase,获取店铺一天内各分钟PV值的例子:
public class DataReaderServer { //获取店铺一天内各分钟PV值的入口函数 public static ConcurrentHashMapgetUnitMinutePV(long uid, long startStamp, long endStamp){ long min = startStamp; int count = (int)((endStamp - startStamp) / (60*1000)); List lst = new ArrayList (); for (int i = 0; i <= count; i++) { min = startStamp + i * 60 * 1000; lst.add(uid + "_" + min); } return parallelBatchMinutePV(lst); } //多线程并发查询,获取分钟PV值 private static ConcurrentHashMap parallelBatchMinutePV(List lstKeys){ ConcurrentHashMap hashRet = new ConcurrentHashMap (); int parallel = 3; List > lstBatchKeys = null; if (lstKeys.size() < parallel ){ lstBatchKeys = new ArrayList
>(1); lstBatchKeys.add(lstKeys); } else{ lstBatchKeys = new ArrayList
>(parallel); for(int i = 0; i < parallel; i++ ){ List
lst = new ArrayList (); lstBatchKeys.add(lst); } for(int i = 0 ; i < lstKeys.size() ; i ++ ){ lstBatchKeys.get(i%parallel).add(lstKeys.get(i)); } } List >> futures = new ArrayList >>(5); ThreadFactoryBuilder builder = new ThreadFactoryBuilder(); builder.setNameFormat("ParallelBatchQuery"); ThreadFactory factory = builder.build(); ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(lstBatchKeys.size(), factory); for(List keys : lstBatchKeys){ Callable< ConcurrentHashMap > callable = new BatchMinutePVCallable(keys); FutureTask< ConcurrentHashMap > future = (FutureTask< ConcurrentHashMap >) executor.submit(callable); futures.add(future); } executor.shutdown(); // Wait for all the tasks to finish try { boolean stillRunning = !executor.awaitTermination( 5000000, TimeUnit.MILLISECONDS); if (stillRunning) { try { executor.shutdownNow(); } catch (Exception e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } } } catch (InterruptedException e) { try { Thread.currentThread().interrupt(); } catch (Exception e1) { // TODO Auto-generated catch block e1.printStackTrace(); } } // Look for any exception for (Future f : futures) { try { if(f.get() != null) { hashRet.putAll((ConcurrentHashMap )f.get()); } } catch (InterruptedException e) { try { Thread.currentThread().interrupt(); } catch (Exception e1) { // TODO Auto-generated catch block e1.printStackTrace(); } } catch (ExecutionException e) { e.printStackTrace(); } } return hashRet; } //一个线程批量查询,获取分钟PV值 protected static ConcurrentHashMap getBatchMinutePV(List lstKeys){ ConcurrentHashMap hashRet = null; List lstGet = new ArrayList (); String[] splitValue = null; for (String s : lstKeys) { splitValue = s.split("_"); long uid = Long.parseLong(splitValue[0]); long min = Long.parseLong(splitValue[1]); byte[] key = new byte[16]; Bytes.putLong(key, 0, uid); Bytes.putLong(key, 8, min); Get g = new Get(key); g.addFamily(fp); lstGet.add(g); } Result[] res = null; try { res = tableMinutePV[rand.nextInt(tableN)].get(lstGet); } catch (IOException e1) { logger.error("tableMinutePV exception, e=" + e1.getStackTrace()); } if (res != null && res.length > 0) { hashRet = new ConcurrentHashMap (res.length); for (Result re : res) { if (re != null && !re.isEmpty()) { try { byte[] key = re.getRow(); byte[] value = re.getValue(fp, cp); if (key != null && value != null) { hashRet.put(String.valueOf(Bytes.toLong(key, Bytes.SIZEOF_LONG)), String.valueOf(Bytes .toLong(value))); } } catch (Exception e2) { logger.error(e2.getStackTrace()); } } } } return hashRet; } } //调用接口类,实现Callable接口 class BatchMinutePVCallable implements Callable >{ private List keys; public BatchMinutePVCallable(List lstKeys ) { this.keys = lstKeys; } public ConcurrentHashMap call() throws Exception { return DataReadServer.getBatchMinutePV(keys); } }
对于频繁查询HBase的应用场景,可以考虑在应用程序中做缓存,当有新的查询请求时,首先在缓存中查找,如果存在则直接返回,不再查询HBase;否则对HBase发起读请求查询,然后在应用程序中将查询结果缓存起来。至于缓存的替换策略,可以考虑LRU等常用的策略。
也可以利用redis做缓存,就是从hbase查询出的数据方式redis,外界访问时,可以从redis里面去取。
HBase上Regionserver的内存分为两个部分,一部分作为Memstore,主要用来写;另外一部分作为BlockCache,主要用于读。
写请求会先写入Memstore,Regionserver会给每个region提供一个Memstore,当Memstore满64MB以后,会启动 flush刷新到磁盘。当Memstore的总大小超过限制时(heapsize * hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit * 0.9),会强行启动flush进程,从最大的Memstore开始flush直到低于限制。
读请求先到Memstore中查数据,查不到就到BlockCache中查,再查不到就会到磁盘上读,并把读的结果放入BlockCache。由于BlockCache采用的是LRU策略,因此BlockCache达到上限(heapsize * hfile.block.cache.size * 0.85)后,会启动淘汰机制,淘汰掉最老的一批数据。
一个Regionserver上有一个BlockCache和N个Memstore,它们的大小之和不能大于等于heapsize * 0.8,否则HBase不能启动。默认BlockCache为0.2,而Memstore为0.4。对于注重读响应时间的系统,可以将 BlockCache设大些,比如设置BlockCache=0.4,Memstore=0.39,以加大缓存的命中率。
有关链接可以参考对应链接的内部链接。
HTable是HBase客户端与HBase服务端通讯的Java API对象,客户端可以通过HTable对象与服务端进行CRUD操作(增删改查)。它的创建很简单(htable的创建):
Configuration conf = HBaseConfiguration.create(); HTable table = new HTable(conf, "tablename");//TODO CRUD Operation……
HTable使用时的一些注意事项:
1. 规避HTable对象的创建开销
因为客户端创建HTable对象后,需要进行一系列的操作:检查.META.表确认指定名称的HBase表是否存在,表是否有效等等,整个时间开销比较重,可能会耗时几秒钟之长,因此最好在程序启动时一次性创建完成需要的HTable对象,如果使用Java API,一般来说是在构造函数中进行创建,程序启动后直接重用。
2. HTable对象不是线程安全的
HTable对象对于客户端读写数据来说不是线程安全的,因此多线程时,要为每个线程单独创建复用一个HTable对象,不同对象间不要共享HTable对象使用,特别是在客户端auto flash被置为false时,由于存在本地write buffer,可能导致数据不一致。
3. HTable对象之间共享Configuration
configuration不要创建太多,一个就够了,通过zookeeper去连接hbase的类。
HTable对象共享Configuration对象,这样的好处在于:
共享ZooKeeper的连接:每个客户端需要与ZooKeeper建立连接,查询用户的table regions位置,这些信息可以在连接建立后缓存起来共享使用;
共享公共的资源:客户端需要通过ZooKeeper查找-ROOT-和.META.表,这个需要网络传输开销,客户端缓存这些公共资源后能够减少后续的网络传输开销,加快查找过程速度。
因此,与以下这种方式相比:
HTable table1 = new HTable("table1"); HTable table2 = new HTable("table2");
下面的方式更有效些:
Configuration conf = HBaseConfiguration.create(); HTable table1 = new HTable(conf, "table1"); HTable table2 = new HTable(conf, "table2");
备注:即使是高负载的多线程程序,也并没有发现因为共享Configuration而导致的性能问题;如果你的实际情况中不是如此,那么可以尝试不共享Configuration。
HTablePool可以解决HTable存在的线程不安全问题,同时通过维护固定数量的HTable对象,能够在程序运行期间复用这些HTable资源对象。
Configuration conf = HBaseConfiguration.create(); //创建池,使用时从池里去htable对象 HTablePool pool = new HTablePool(conf, 10);
1. HTablePool可以自动创建HTable对象,而且对客户端来说使用上是完全透明的,可以避免多线程间数据并发修改问题。
2. HTablePool中的HTable对象之间是公用Configuration连接的,能够可以减少网络开销。
HTablePool的使用很简单:每次进行操作前,通过HTablePool的getTable方法取得一个HTable对象,然后进行put/get/scan/delete等操作,最后通过HTablePool的putTable方法将HTable对象放回到HTablePool中。
下面是个使用HTablePool的简单例子:
public void createUser(String username, String firstName, String lastName, String email, String password, String roles) throws IOException { //从池里去htable对象 HTable table = rm.getTable(UserTable.NAME); Put put = new Put(Bytes.toBytes(username)); put.add(UserTable.DATA_FAMILY, UserTable.FIRSTNAME, Bytes.toBytes(firstName)); put.add(UserTable.DATA_FAMILY, UserTable.LASTNAME, Bytes.toBytes(lastName)); put.add(UserTable.DATA_FAMILY, UserTable.EMAIL, Bytes.toBytes(email)); //列族,列,数据 put.add(UserTable.DATA_FAMILY, UserTable.CREDENTIALS, Bytes.toBytes(password)); put.add(UserTable.DATA_FAMILY, UserTable.ROLES, Bytes.toBytes(roles)); table.put(put); table.flushCommits(); rm.putTable(table); }
至于多线程使用HTablePool的真实性能情况,需要通过实际的测试工作得到。
Coprocessor运行于HBase RegionServer服务端,各个Regions保持对与其相关的coprocessor实现类的引用,coprocessor类可以通过RegionServer上classpath中的本地jar或HDFS的classloader进行加载。
目前,已提供有几种coprocessor:
Coprocessor:提供对于region管理的钩子,例如region的open/close/split/flush/compact等;
RegionObserver:提供用于从客户端监控表相关操作的钩子,例如表的get/put/scan/delete等;
Endpoint:提供可以在region上执行任意函数的命令触发器。一个使用例子是RegionServer端的列聚合,这里有代码示例。
以上只是有关coprocessor的一些基本介绍,本人没有对其实际使用的经验,对它的可用性和性能数据不得而知。感兴趣的同学可以尝试一下,欢迎讨论。
HBase本身可以看作是一个可以水平扩展的Key-Value存储系统,但是其本身的计算能力有限(Coprocessor可以提供一定的服务端计算),因此,使用HBase时,往往需要从写端或者读端进行计算,然后将最终的计算结果返回给调用者。举两个简单的例子:
PV计算:通过在HBase写端内存中,累加计数,维护PV值的更新,同时为了做到持久化,定期(如1秒)将PV计算结果同步到HBase中,这样查询端最多会有1秒钟的延迟,能看到秒级延迟的PV结果。
分钟PV计算:与上面提到的PV计算方法相结合,每分钟将当前的累计PV值,按照rowkey + minute作为新的rowkey写入HBase中,然后在查询端通过scan得到当天各个分钟以前的累计PV值,然后顺次将前后两分钟的累计PV值相减,就得到了当前一分钟内的PV值,从而最终也就得到当天各个分钟内的PV值。
对于UV的计算,就是个去重计算的例子。分两种情况:
如果内存可以容纳,那么可以在Hash表中维护所有已经存在的UV标识,每当新来一个标识时,通过快速查找Hash确定是否是一个新的UV,若是则UV值加1,否则UV值不变。另外,为了做到持久化或提供给查询接口使用,可以定期(如1秒)将UV计算结果同步到HBase中。
如果内存不能容纳,可以考虑采用Bloom Filter来实现,从而尽可能的减少内存的占用情况。除了UV的计算外,判断URL是否存在也是个典型的应用场景。
如果对于响应时间要求比较苛刻的情况(如单次http请求要在毫秒级时间内返回),个人觉得读端不宜做过多复杂的计算逻辑,尽量做到读端功能单一化:即从HBase RegionServer读到数据(scan或get方式)后,按照数据格式进行简单的拼接,直接返回给前端使用。当然,如果对于响应时间要求一般,或者业务特点需要,也可以在读端进行一些计算逻辑。
作为一个Key-Value存储系统,HBase并不是万能的,它有自己独特的地方。因此,基于它来做应用时,我们往往需要从多方面进行优化改进(表设计、读表操作、写表操作、数据计算等),有时甚至还需要从系统级对HBase进行配置调优,更甚至可以对HBase本身进行优化。这属于不同的层次范畴。