从0开始学大数据（14）BigTable的开源实现：HBase

我们知道，Google 发表 GFS、MapReduce、BigTable 三篇论文，号称“三驾马车”，开启了大数据的时代。那和这“三驾马车”对应的有哪些开源产品呢？我们前面已经讲过了 GFS 对应的 Hadoop 分布式文件系统 HDFS，以及 MapReduce 对应的 Hadoop 分布式计算框架 MapReduce，今天我们就来领略一下 BigTable 对应的 NoSQL 系统 HBase，看看它是如何大规模处理海量数据的。

在计算机数据存储领域，一直是关系数据库（RDBMS）的天下，以至于在传统企业的应用领域，许多应用系统设计都是面向数据库设计，也就是先设计数据库然后设计程序，从而导致关系模型绑架对象模型，并由此引申出旷日持久的业务对象贫血模型与充血模型之争。

业界为了解决关系数据库的不足，提出了诸多方案，比较有名的是对象数据库，但是这些数据库的出现似乎只是进一步证明关系数据库的优越而已。直到人们遇到了关系数据库难以克服的缺陷——糟糕的海量数据处理能力及僵硬的设计约束，局面才有所改善。从 Google 的 BigTable 开始，一系列的可以进行海量数据存储与访问的数据库被设计出来，更进一步说，NoSQL 这一概念被提了出来。

NoSQL，主要指非关系的、分布式的、支持海量数据存储的数据库设计模式。也有许多专家将 NoSQL 解读为 Not Only SQL，表示NoSQL 只是关系数据库的补充，而不是替代方案。其中，HBase 是这一类 NoSQL 系统的杰出代表。

HBase 之所以能够具有海量数据处理能力，其根本在于和传统关系型数据库设计的不同思路。传统关系型数据库对存储在其上的数据有很多约束，学习关系数据库都要学习数据库设计范式，事实上，是在数据存储中包含了一部分业务逻辑。而 NoSQL 数据库则简单暴力地认为，数据库就是存储数据的，业务逻辑应该由应用程序去处理，有时候不得不说，简单暴力也是一种美。

HBase 可伸缩架构

我们先来看看 HBase 的架构设计。HBase 为可伸缩海量数据储存而设计，实现面向在线业务的实时数据访问延迟。HBase 的伸缩性主要依赖其可分裂的 HRegion 及可伸缩的分布式文件系统 HDFS 实现。

HRegion 是 HBase 负责数据存储的主要进程，应用程序对数据的读写操作都是通过和 HRegion 通信完成。上面是 HBase 架构图，我们可以看到在 HBase 中，数据以 HRegion 为单位进行管理，也就是说应用程序如果想要访问一个数据，必须先找到 HRegion，然后将数据读写操作提交给 HRegion，由 HRegion 完成存储层面的数据操作。

HRegionServer 是物理服务器，每个 HRegionServer 上可以启动多个 HRegion 实例。当一个 HRegion 中写入的数据太多，达到配置的阈值时，一个 HRegion 会分裂成两个 HRegion，并将 HRegion 在整个集群中进行迁移，以使 HRegionServer 的负载均衡。

每个 HRegion 中存储一段 Key 值区间[key1, key2)的数据，所有 HRegion 的信息，包括存储的 Key 值区间、所在 HRegionServer 地址、访问端口号等，都记录在 HMaster 服务器上。为了保证 HMaster 的高可用，HBase 会启动多个 HMaster，并通过 ZooKeeper 选举出一个主服务器。

下面是一张调用时序图，应用程序通过 ZooKeeper 获得主 HMaster 的地址，输入 Key 值获得这个 Key 所在的 HRegionServer 地址，然后请求 HRegionServer 上的 HRegion，获得所需要的数据。

数据写入过程也是一样，需要先得到 HRegion 才能继续操作。HRegion 会把数据存储在若干个 HFile 格式的文件中，这些文件使用 HDFS 分布式文件系统存储，在整个集群内分布并高可用。当一个 HRegion 中数据量太多时，这个 HRegion 连同 HFile 会分裂成两个 HRegion，并根据集群中服务器负载进行迁移。如果集群中有新加入的服务器，也就是说有了新的 HRegionServer，由于其负载较低，也会把 HRegion 迁移过去并记录到 HMaster，从而实现 HBase 的线性伸缩。

先小结一下上面的内容，HBase 的核心设计目标是解决海量数据的分布式存储，和 Memcached 这类分布式缓存的路由算法不同，HBase 的做法是按 Key 的区域进行分片，这个分片也就是 HRegion。应用程序通过 HMaster 查找分片，得到 HRegion 所在的服务器 HRegionServer，然后和该服务器通信，就得到了需要访问的数据。

HBase 可扩展数据模型

传统的关系数据库为了保证关系运算（通过SQL语句）的正确性，在设计数据库表结构的时候，需要指定表的 schema 也就是字段名称、数据类型等，并要遵循特定的设计范式。这些规范带来了一个问题，就是僵硬的数据结构难以面对需求变更带来的挑战，有些应用系统设计者通过预先设计一些冗余字段来应对，但显然这种设计也很糟糕。

那有没有办法能够做到可扩展的数据结构设计呢？不用修改表结构就可以新增字段呢？当然有的，许多 NoSQL 数据库使用的列族（ColumnFamily）设计就是其中一个解决方案。列族最早在 Google 的 BigTable 中使用，这是一种面向列族的稀疏矩阵存储格式，如下图所示。

这是一个学生的基本信息表，表中不同学生的联系方式各不相同，选修的课程也不同， 而且将来还会有更多联系方式和课程加入到这张表里，如果按照传统的关系数据库设计，无论提前预设多少冗余字段都会捉襟见肘、疲于应付。

而使用支持列族结构的 NoSQL 数据库，在创建表的时候，只需要指定列族的名字，无需指定字段（Column）。那什么时候指定字段呢？可以在数据写入时再指定。通过这种方式，数据表可以包含数百万的字段，这样就可以随意扩展应用程序的数据结构了。并且这种数据库在查询时也很方便，可以通过指定任意字段名称和值进行查询。

HBase 这种列族的数据结构设计，实际上是把字段的名称和字段的值，以 Key-Value 的方式一起存储在 HBase 中。实际写入的时候，可以随意指定字段名称，即使有几百万个字段也能轻松应对。

HBase的高性能存储

还记得第 5 期讲 RAID 时的思考题吗？传统的机械式磁盘的访问特性是连续读写很快，随机读写很慢。这是因为机械磁盘靠电机驱动访问磁盘上的数据，电机要将磁头落到数据所在的磁道上，这个过程需要较长的寻址时间。如果数据不连续存储，磁头就要不停的移动，浪费了大量的时间。

为了提高数据写入速度，HBase 使用了一种叫作 LSM树 的数据结构进行数据存储。LSM 树的全名是 Log Structed Merge Tree，翻译过来就是 Log 结构合并树。数据写入的时候以 Log 方式连续写入，然后异步对磁盘上的多个 LSM 树进行合并。

LSM 树可以看作是一个 N 阶合并树。数据写操作（包括插入、修改、删除）都在内存中进行，并且都会创建一个新记录（修改会记录新的数据值，而删除会记录一个删除标志）。这些数据在内存中仍然还是一棵排序树，当数据量超过设定的内存阈值后，会将这棵排序树和磁盘上最新的排序树合并。当这棵排序树的数据量也超过设定阈值后，会和磁盘上下一级的排序树合并。合并过程中，会用最新更新的数据覆盖旧的数据（或者记录为不同版本）。

在需要进行读操作时，总是从内存中的排序树开始搜索，如果没有找到，就从磁盘 上的排序树顺序查找。

在 LSM 树上进行一次数据更新不需要磁盘访问，在内存即可完成。当数据访问以写操作为主，而读操作则集中在最近写入的数据上时，使用 LSM 树可以极大程度地减少磁盘的访问次数，加快访问速度。

小结

最后，总结一下我们今天讲的内容。HBase 作为 Google BigTable 的开源实现，完整地继承了 BigTable 的优良设计。架构上通过数据分片的设计配合 HDFS，实现了数据的分布式海量存储；数据结构上通过列族的设计，实现了数据表结构可以在运行期自定义；存储上通过 LSM 树的方式，使数据可以通过连续写磁盘的方式保存数据，极大地提高了数据写入性能。

这些优良的设计结合 Apache 开源社区的高质量开发，使得 HBase 在 NoSQL 众多竞争产品中保持领先优势，逐步成为 NoSQL 领域最具影响力的产品。

思考题

[warning]HBase 的列族数据结构虽然有灵活的优势，但是也有缺点。请你思考一下，列族结构的缺点有哪些？如何在应用开发的时候克服这些缺点？哪些场景最好还是使用 MySQL 这类关系数据库呢？[/warning]