一 初识HBase

1.1 HBase的概念

HBase是一分布式的、面向列的开源NoSQL海量数据库存储系统，它的理论原型是 Google 的 BigTable 论文。通俗地讲，HBase 是一个具有高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布式存储系统。它可以处理分布在数千台服务器上的PB级海量数据。

HBase是基于HDFS存储数据的，HDFS是部署在商业服务器上的，并且具有高容错性。基于HDFS，就意味着HBase具有超强的扩展性和容错性。

在详细介绍HBase之前，我们一起来看看HBase的架构，如下图所示：

HBase的系统架构

HBase采用的是key/value的存储格式，这就能保证，即使数据量增大，也不会导致查询性能大幅度下降。因为 HBase 是一个面向列存储的数据库，当表的字段很多时，可以把其中几个字段放在一部分机器上，而另外几个字段放到另一部分机器上，充分分散负载的压力。如此复杂的存储结构和分布式存储方式，带来的代价就是即便是存储很少的数据，也不会很快。

我们可以看出，HBase是那种既不快，又慢的不明显的数据库，因此，它主要应用在以下两种情况的查询：

• 单表数据量不能太大（千万级别），并发量不能太高。
• 对数据需求分析不要求特别及时，同时也不要求太灵活。

二 HBase简介

2.1 HBase自身的优势

2.1.1 海量存储数据

因为HBase是基于Hadoop存储的，所以，HBase适合存储 PB 级别以上的海量数据，可以部署在普通廉价商用服务器上，能够在几十到百毫秒内返回数据。这都得力于HBase的良好扩展性，为海量数据的存储提供了便利。

2.1.2 列式存储数据

HBase是根据列族来存储数据的。列族下面可以有非常多的列，在建表时，必须指定列族，但是不用指定列。

2.1.3 稀疏性存储结构

稀疏主要体现在HBase的列的灵活性上面，在HBase的列族中，可以指定任意多的列，在列数据为空的情况下，HBase表是不会占用存储空间的。

2.1.4 易扩展性

一个是基于上层处理能力（RegionServer）的扩展，通过横向添加 RegionSever 的机器，进行水平扩展，提升 HBase 上层的处理能力，提升HBase服务更多 Region 的能力。另外一个是基于存储能力（HDFS）的扩展。

HBase和数据库的比较

2.2 HBase的逻辑结构

在下图中，列簇（Column Family）对应的值就是 info 和 area ，列（ Column 或者称为 Qualifier ）对应的就是 name 、 age 、 country 和 city ，Row key 对应的就是 Row1 和 Row2，Cell 对应的就是具体的值。

• Row key ：表的主键，按照字典序排序。
• 列簇：在 HBase 中，列簇将表进行横向切割。
• 列：属于某一个列簇，在 HBase 中可以进行动态的添加。
• Cell : 是指具体的 Value 。
• Version ：在这张图里面没有显示出来，这个是指版本号，用时间戳（TimeStamp ）来表示。

HBase的逻辑结构

看完这张图，是不是有点疑惑，怎么获取其中的一条数据呢？既然 HBase 是 KV 的数据库，那么当然是以获取 KEY 的形式来获取到 Value 啦。在 HBase 中的 KEY 组成是这样的：

cell的结构

KEY 是由 Row key 、CF(Column Family) 、Column 和 TimeStamp 组成的。

TimeStamp 在 HBase 中的作用就是版本号，因为在 HBase 中有着数据多版本的特性，所以同一个 KEY 可以有多个版本的 Value 值（可以通过配置来设置多少个版本）。查询的话是默认取回最新版本的那条数据，但是也可以进行查询多个版本号的数据。

2.3 HBase的物理结构

HBase的物理结构

2.3.1HRegionServer

HRegionServer 就是一个机器节点，包含多个 HRegion ，但是这些 HRegion 不一定是来自于同一个 Table。直接面对用户的读写请求，是真正干活的节点。它的主要功能如下：

• 为Table分配HRegion。
• 处理来自客户端的读写请求，和底层的HDFS进行交互，并将数据存储到HDFS中。
• 负责单个HRegion变大后的拆分。
• 负责StoreFile的合并工作。

ZooKeeper会监控HRegionServer的上下线情况，当ZK发现某个HRegionServer下线之后，会告知Master进行失效处理。下线HRegionServer以及他负责的HRegion暂时对外提供服务，Master会将该HRegionServer所负责的HRegion转移到其他HRegionServer上。

2.3.2 HRegion

每一个HRegion都包含多个Store，一个Store就对应一个列族的数据，而一个Store可以有多个StoreFile。HRegion 是 Hbase 中分布式存储和负载均衡的最小单元，但不是存储的最小单元。每一个HRegion都有开始的RowKey和结束的RowKey，代表着存储的Row的范围。

2.3.3 Store（文件存储区）

Store 对应着的是 Table 里面的 Column Family，不管有 CF 中有多少的数据，都会存储在 Store 中，这也是为了避免访问不同的 Store 而导致的效率低下。一个 CF 组成一个 Store ，默认是 10 G，如果大于 10G 会进行分裂。Store 是 HBase 的核心存储单元，一个 Store 由 MemStore 和 StoreFile 组成。

2.3.3.1 MemStore

每个Store都包含一个MEMStore实例，MemStore是内存的存储对象，当 MemStore 的大小达到一个阀值（默认大小是 128M）时，如果超过了这个大小，那么就会进行刷盘，把内存里的数据刷进到 StoreFile 中，即生成一个快照。目前HBase 会有一个线程来负责MemStore 的flush操作。

2.3.3.2StoreFile

StoreFile底层是以 HFile 的格式保存数据。

2.3.4 StoreFile和HFile的物理结构

StoreFile 以 HFile 格式保存在 HDFS 上，HFile 文件是不定长的，长度固定的只有其中的两块：Trailer 和 FileInfo。

StoreFile的物理结构

HFile 里面的每个 KeyValue 对就是一个简单的 byte 数组。但是这个 byte 数组里面包含了很 多项，并且有固定的结构。

HFile的物理结构

分别表示Key 的长度和 Value 的长度。紧接着是RowKey 的长度，紧接着是 RowKey，然后是 Family 的长度，然后是 Family，接着是 Qualifier，然后是两个固定长度的数值，表示 Time Stamp 和 Key Type（Put/Delete）。Value 部分没有这么复杂的结构，就是纯粹的二进制数据了。

三 HBase的底层架构

HBase的底层架构

从HBase的架构图上可以看出，HBase中的组件包括Client、Zookeeper、HMaster、HRegionServer、HRegion、Store、MemStore、StoreFile、HFile、HLog等。

3.1 Client

Client在访问HBase之前，先访问ZooKeeper找到数据所在的HRegion。Client中有访问HBase的接口，另外Client还维护了对应的Cache来加速HBase的访问，比如缓存元数据。

3.2 ZooKeeper

① HBase 通过ZooKeeper来做 Master 的高可用

通过ZooKeeper来保证集群中只有一个Master在运行，为HBase提供了Failover机制，如果Master发生意外会通过竞争机制产生选举新的Master，避免Master节点的单点故障问题。

② 通过ZooKeeper监控HRegionServer的状态，当HRegionServer有异常，或者有新的HRegionServer上线时，会通过回调方式告诉MasterRegionServer有节点的上下线信息

③ 存储HBase的Schema，包括有哪些Table，每个Table有哪些Column Family信息。

3.3MasterRegionServer

Master 是集群的主节点，可以配置成HA的形式。Master 的工作并不高，因为Client 访问 HBase 上数据的过程并不需要 Master 参与（寻址访问 zookeeper 和 RegioneServer，数据读写访问 RegioneServer），Master 的负载很低。他的主要工作如下：

• 负责HRegionServer的负载均衡。
• 发现失效的HRegionServer之后，将该HRegionServer上的Region分配给其他HRegionServer。
• 为HRegionServer分配Region。
• 负责HDFS上的HBase的垃圾文件的回收。
• 维护Table和Region的元数据，处理 Schema 更新请求（表的创建，删除，修改，列簇的增加等等）

3.3 HRegionServer

HRegionServer的功能参见 2.3.1 HRegionServer

3.4 HRegion

HRegion的功能参见 2.3.2 HRegion

3.5 Store

Store的功能参见 2.3.3 Store

3.6 HFile

HFile是存储在HDFS中的二进制文件，实际上，StoreFile就是对Hfile做了轻量级包装，StoreFile底层是HFile。

3.7 HLog

HLog(WAL log)：WAL（Write-Ahead-Log）意为预写日志，在 RegionServer 在插入和删除数据的过程中，用来记录操作内容的一种日志，主要用来做灾难恢复使用，HLog记录数据的所有变更，一旦region server 宕机，就可以从log中进行恢复。

WAL是保存在HDFS上的持久化Hadoop Sequence File文件。数据到达 Region 时先写入WAL，然后被加载到MemStore中。这样就算Region宕机了，操作没来得及执行持久化，在重启的时候从WAL开始加载数据并执行。跟Redis的AOF类似。

• 在每个HRegionServer上，所有的HRegion都共享一份HLog，在写入数据时先写入WAL，成功之后再写入MemStore。当MemStore的大小达到一个阀值（默认大小是 128M）时，就会形成一个一个的StoreFile。
• WAL的状态是可以关闭的，关闭之后增删改的操作会快一些，但是会牺牲掉数据的可靠性。当然，我们也可以采用异步的方式写入WAL（默认间隔是1秒钟）。
• HBase中的WAL文件是一个滚动日志数据结构，一个WAL实例包含多个WAL文件，在WAL的大小超过一定的阀值，或者WAL所在的HDFS文件块要满了的时候，WAL会触发滚动操作。

四 HBase的读写机制

我们在对HBase进行读写操作的时候，不需要和HMasterRegionServer打交道。客户端只需要从ZooKeeper中获取HBase表数据的地址，然后直接从HRegionServer中进行读写操作。

4.1 HBase读数据过程

• 客户端通过 ZooKeeper 集群，根据-ROOT-表和.META.表，找到目标数据所在的 RegionServer(就是要找到数据所在的 Region 的主机地址)
• 与目标的 RegionServer 进行通信，查询目标数据。
• RegionServer 定位到目标数据所在的 Region，发出查询请求。
• Region 分别在Block Cache（读缓存），Memstore 和StoreFile（HFile）中查找目标数据，并将查询到的所有数据进行合并，此处的所有数据是指，同一条数据包含不同的版本（Timestamp）的数据。
• 将从HFile中查询到的数据块（Block，HFile的数据存储单元，默认大小是128MB）缓存到Block Cache中，然后将最新的数据返回给客户端。

Data Block 是HBase读写的基本单元，为了提高查询效率，HRegionServer 基于 LRU 的 Block Cache 机制进行读操作。HBase的读取数据的机制是：HBase 同时读取磁盘和内存中的数据，然后把磁盘上的数据放到 BlockCache中，BlockCache 是磁盘数据的缓存。

HBase的读机制

4.2 HBase写数据过程

• Client 先访问ZooKeeper，根据 RowKey 查询目标数据位于哪个RegionServer对应的 Region 中。
• Client 向目标RegionServer 进行通信，并提交写请求。
• RegionServer 找到目标 Region，Region 检查数据的格式是否与 Schema 一致。
• 如果客户端没有指定版本，则获取当前系统时间作为数据版本。
• 将数据顺序写入（追加）到 WAL Log
• 将数据更新写入 Memstore，数据会在MemStore中排序。
• 判断 Memstore 的是否需要 flush 为 StoreFile 文件。

HBase的写机制

4.3 HBase的写为什么比读快

HBase能够提供实时计算服务的根本原因是其架构和底层数据结构决定的，Hbase底层的存储引擎为LSM-Tree(Log-Structured Merge-Tree)。

LSM的核心思想是放弃部分读能力，换取写入的最大化能力。LSM的原则就是，先将最新的数据驻留在内存中，等到积累足够多时，再使用归并排序的方式将内存中的数据追加都磁盘的队尾。另外，LSM的写入是磁盘的顺序写，数据写入速度也很稳定。我们知道磁盘的顺序写和内存写性能相差不大，但是顺序写磁盘速度要比随机写磁盘快至少三个数量级！

　　不过读取的时候稍微麻烦，需要合并磁盘中历史数据和内存中最近修改操作，这样磁盘在寻址耗时就远远大于磁盘顺序读取的诗句；另外数据读操作的时候，还要看数据在内存中是否命中，否则需要访问更多的磁盘文件。基于LSM树实现的HBase的写性能比MySQL高一个数量级，但是读数据的性能要比MySQL低一个数量级。

　　LSM树原理把一棵大树拆分成N棵小树，它首先写入内存中，随着小树越来越大，内存中的小树会flush到磁盘中，磁盘中的树定期可以做merge操作，合并成一棵大树，以优化读性能。

LSM树

补充：LSM-Tree全称是Log Structured Merge Tree，是一种分层有序，面向磁盘的数据结构，其核心思想是充分了利用了，磁盘顺序写要远比随机写性能高出很多的特性，如下图示：

随机性和顺序写的性能比对

围绕LSM-Tree的原理进行设计和优化，以此让写性能达到最优，当然有得就有舍，这种结构虽然大大提升了数据的写入能力，却是以牺牲部分读取性能为代价的，故此这种结构通常适合于写多读少的场景，这是HBase写比读速度快的根本原因所在。

五 HRegionServer的工作机制

5.1 HRegion分配机制

一个 HRegion 只能分配给一个 HRegionServer，也就是说HRegionServer和HRegion的关系是一对多的关系。master 记录了HBase集群中哪些 HRegionServer 是可用的。以及哪些 HRegion 已经分配给了哪些 HRegionServer，哪些 HRegion 还没有分配。

当HRegionServer需要分配的新的 HRegion时，Master 就会给这个 HRegionServer 发送一个装载请求，把 HRegion 分配给这个 HRegionServer。HRegionServer 得到请求后，就开始对此 HRegion 提供服务。

5.2 HRegionServer上线

• Master使用Zookeeper来跟踪HRegionServer的状态。
• 当某个HRegionServer启动时，首先在Zookeeper上的/hbase/rs目录下建立代表自己的znode。
• 由于Master订阅了/hbase/rs目录上的变更消息，当/hbase/rs目录下的文件出现新增或删除操作时，Master可以得到来自Zookeeper的实时通知。
• 因此一旦HRegionServer上线，Master能马上得到消息。

5.3 HRegionServer下线

• 当RegionServer下线时，它和Zookeeper的会话就会断开。
• 当Master连续几次和RegionServer都无法通信时，就可以确定HRegionServer和Zookeeper之间的网络断开了，或者是这个RegionServer挂了。

六 性能调优问题

6.1 合理设计HBase表的RowKey

我们知道，在HBase中，是通过4个维度一起来定位一条数据：行键（RowKey）、列族（Column Family）、列限定符（Column Qualifier）、时间戳（Timestamp）。其中RowKey是最容易出问题的：

① 首先是单点集中问题，我所见过的单点集中问题主要有下面几种情况：

• RowKey前面的字符比较集中固定。
• 集群节点过少。

集群节点少是硬件不足的表现，我们主要考虑RowKey的设计问题。我们建议RowKey的设计方式如下：

随机字符(2位) + 时间位（14位）+ 业务编码（4位）

亲身检测过：前后两种方案对比，前者的MR程序跑了2个小时，后者只花了10分钟。

② RowKey的长度过于太长

在HBase中，RowKey、列族、列名等都是以byte[]的形式传输的。RowKey的上限长度是64KB，但是我们使用HBase主要是为了让它快，因此在实际的应用中，RowKey的大小不会超过100B。这主要是从下面两个方面考虑的。

HBase的数据是存储在HFile中的，RowKey是KeyValue结构中的一个域。假设RowKey的大小是100B，那么1000万条数据，RowKey可能就占用了1GB的空间，也会影响HBase的响应速度的。

RowKey的设计原则

HBase中的MemStore和BlockCache，分别对应列族在Store级别的写入缓存和RegionServer级别的读取缓存。如果RowKey过长，缓存中存储数据的密度就会降低，影响数据落地或查询效率。

目前服务器一般都安装64位操作系统，内存按照8B对齐，因此，在设计RowKey时候，一般考虑做成8B的整数倍，例如如16B或者24B。同理，列族、列名的命名在保证可读的情况下尽量短。HBase官方不推荐使用3个以上列族，因此实际上列族命名几乎都用一个字母，比如"c’或"f’。

6.2 使用压缩技术

HBase支持很多压缩算法，而且能够做到从列簇级别上进行压缩。压缩可以减少网络带宽，同时也能够加快数据的读取，因此使用压缩算法通常能带来可观的性价比。

HBase支持的压缩算法

注意：如果一张表已经使用了某种压缩算法，那么现在想更改这张表的压缩格式，要先将该表disable才能修改，之后再enable重新上线。