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Hadoop之Hbase从入门到精通2

一、 HBase性能调优

我们经常看到一些文章吹嘘某产品如何如何快，如何如何强，而自己测试时却不如描述的一些数据。其实原因可能在于你还不是真正理解其内部结构，对于其性能调优方法不够了解。本文转自TaoBao的Ken Wu同学的博客，是目前看到比较完整的HBase调优文章。
原文链接：HBase性能调优
因官方Book Performance Tuning部分章节没有按配置项进行索引，不能达到快速查阅的效果。所以我以配置项驱动，重新整理了原文，并补充一些自己的理解，如有错误，欢迎指正。
配置优化
zookeeper.session.timeout
默认值：3分钟（180000ms）
说明：RegionServer与Zookeeper间的连接超时时间。当超时时间到后，ReigonServer会被Zookeeper从RS集群清单中移除，HMaster收到移除通知后，会对这台server负责的regions重新balance，让其他存活的RegionServer接管.
调优：这个timeout决定了RegionServer是否能够及时的failover。设置成1分钟或更低，可以减少因等待超时而被延长的failover时间。
不过需要注意的是，对于一些Online应用，RegionServer从宕机到恢复时间本身就很短的（网络闪断，crash等故障，运维可快速介入），如果调低timeout时间，反而会得不偿失。因为当ReigonServer被正式从RS集群中移除时，HMaster就开始做balance了（让其他RS根据故障机器记录的WAL日志进行恢复）。当故障的RS在人工介入恢复后，这个balance动作是毫无意义的，反而会使负载不均匀，给RS带来更多负担。特别是那些固定分配regions的场景。
hbase.regionserver.handler.count
默认值：10
说明：RegionServer的请求处理IO线程数。
调优：这个参数的调优与内存息息相关。
较少的IO线程，适用于处理单次请求内存消耗较高的Big PUT场景（大容量单次PUT或设置了较大cache的scan，均属于Big PUT）或ReigonServer的内存比较紧张的场景。
较多的IO线程，适用于单次请求内存消耗低，TPS要求非常高的场景。设置该值的时候，以监控内存为主要参考。
这里需要注意的是如果server的region数量很少，大量的请求都落在一个region上，因快速充满memstore触发flush导致的读写锁会影响全局TPS，不是IO线程数越高越好。
压测时，开启Enabling RPC-level logging，可以同时监控每次请求的内存消耗和GC的状况，最后通过多次压测结果来合理调节IO线程数。
这里是一个案例 Hadoop and HBase Optimization for Read Intensive Search Applications，作者在SSD的机器上设置IO线程数为100，仅供参考。
hbase.hregion.max.filesize
默认值：256M
说明：在当前ReigonServer上单个Reigon的最大存储空间，单个Region超过该值时，这个Region会被自动split成更小的region。
调优：小region对split和compaction友好，因为拆分region或compact小region里的storefile速度很快，内存占用低。缺点是split和compaction会很频繁。
特别是数量较多的小region不停地split, compaction，会导致集群响应时间波动很大，region数量太多不仅给管理上带来麻烦，甚至会引发一些Hbase的bug。
一般512以下的都算小region。
大region，则不太适合经常split和compaction，因为做一次compact和split会产生较长时间的停顿，对应用的读写性能冲击非常大。此外，大region意味着较大的storefile，compaction时对内存也是一个挑战。
当然，大region也有其用武之地。如果你的应用场景中，某个时间点的访问量较低，那么在此时做compact和split，既能顺利完成split和compaction，又能保证绝大多数时间平稳的读写性能。
既然split和compaction如此影响性能，有没有办法去掉？
compaction是无法避免的，split倒是可以从自动调整为手动。
只要通过将这个参数值调大到某个很难达到的值，比如100G，就可以间接禁用自动split（RegionServer不会对未到达100G的region做split）。
再配合RegionSplitter这个工具，在需要split时，手动split。
手动split在灵活性和稳定性上比起自动split要高很多，相反，管理成本增加不多，比较推荐online实时系统使用。
内存方面，小region在设置memstore的大小值上比较灵活，大region则过大过小都不行，过大会导致flush时app的IO wait增高，过小则因store file过多影响读性能。
hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit/lowerLimit
默认值：0.4/0.35
upperlimit说明：hbase.hregion.memstore.flush.size 这个参数的作用是 当单个memstore达到指定值时，flush该memstore。但是，一台ReigonServer可能有成百上千个memstore，每个memstore也许未达到flush.size，jvm的heap就不够用了。该参数就是为了限制memstores占用的总内存。
当ReigonServer内所有的memstore所占用的内存总和达到heap的40%时，HBase会强制block所有的更新并flush这些memstore以释放所有memstore占用的内存。
lowerLimit说明： 同upperLimit，只不过当全局memstore的内存达到35%时，它不会flush所有的memstore，它会找一些内存占用较大的memstore，做个别flush，当然更新还是会被block。lowerLimit算是一个在全局flush导致性能暴跌前的补救措施。为什么说是性能暴跌？可以想象一下，如果memstore需要在一段较长的时间内做全量flush，且这段时间内无法接受任何读写请求，对HBase集群的性能影响是很大的。
调优：这是一个Heap内存保护参数，默认值已经能适用大多数场景。它的调整一般是为了配合某些专属优化，比如读密集型应用，将读缓存开大，降低该值，腾出更多内存给其他模块使用。
这个参数会给使用者带来什么影响？
比如，10G内存，100个region，每个memstore 64M，假设每个region只有一个memstore，那么当100个memstore平均占用到50%左右时，就会达到lowerLimit的限制。假设此时，其他memstore同样有很多的写请求进来。在那些大的region未flush完，就可能又超过了upperlimit，则所有region都会被block，开始触发全局flush。
不过，除了你的内存非常小或你的应用场景里大多数都是读，我觉得不需要去调这个参数。
hfile.block.cache.size
默认值：0.2
说明：storefile的读缓存占用Heap的大小百分比，0.2表示20%。该值直接影响数据读的性能。
调优：当然是越大越好，如果读比写少，开到0.4-0.5也没问题。如果读写较均衡，0.3左右。如果写比读多，果断默认吧。设置这个值的时候，你同时要参考 hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit ，该值是memstore占heap的最大百分比，两个参数一个影响读，一个影响写。如果两值加起来超过80-90%，会有OOM的风险，谨慎设置。
hbase.hstore.blockingStoreFiles
默认值：7
说明：在compaction时，如果一个Store（Coulmn Family）内有超过7个storefile需要合并，则block所有的写请求，进行flush，限制storefile数量增长过快。
调优：block写请求会影响当前region的性能，将值设为单个region可以支撑的最大store file数量会是个不错的选择，即允许comapction时，memstore继续生成storefile。最大storefile数量可通过region size/memstore size来计算。如果你将region size设为无限大，那么你需要预估一个region可能产生的最大storefile数。
hbase.hregion.memstore.block.multiplier
默认值：2
说明：当一个region里的memstore超过单个memstore.size两倍的大小时，block该region的所有请求进行flush，释放内存。虽然我们设置了memstore的总大小，比如64M，但想象一下，在最后63.9M的时候，我Put了一个100M的数据，此时memstore的大小会瞬间暴涨到超过预期的memstore.size。这个参数的作用是当memstore的大小增至超过memstore.size时，block所有请求，遏制风险进一步扩大。
调优： 这个参数的默认值还是比较靠谱的。如果你预估你的正常应用场景（不包括异常）不会出现突发写或写的量可控，那么保持默认值即可。如果正常情况下，你的写请求量就会经常暴长到正常的几倍，那么你应该调大这个倍数并调整其他参数值，比如hfile.block.cache.size和hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit/lowerLimit，以预留更多内存，防止HBase server OOM。
其他
启用LZO压缩
LZO对比Hbase默认的GZip，前者性能较高，后者压缩比较高，具体参见 Using LZO Compression。对于想提高HBase读写性能的开发者，采用LZO是比较好的选择。对于非常在乎存储空间的开发者，则建议保持默认。
不要在一张表里定义太多的Column Family
Hbase目前不能良好的处理超过包含2-3个CF的表。因为某个CF在flush发生时，它邻近的CF也会因关联效应被触发flush，最终导致系统产生更多IO。
批量导入
在批量导入数据到Hbase前，你可以通过预先创建regions，来平衡数据的负载。详见 Table Creation: Pre-Creating Regions
避免CMS concurrent mode failure
HBase使用CMS GC。默认触发GC的时机是当年老代内存达到90%的时候，这个百分比由 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=N 这个参数来设置。concurrent mode failed发生在这样一个场景：
当年老代内存达到90%的时候，CMS开始进行并发垃圾收集，于此同时，新生代还在迅速不断地晋升对象到年老代。当年老代CMS还未完成并发标记时，年老代满了，悲剧就发生了。CMS因为没内存可用不得不暂停mark，并触发一次全jvm的stop the world（挂起所有线程），然后采用单线程拷贝方式清理所有垃圾对象。这个过程会非常漫长。为了避免出现concurrent mode failed，我们应该让GC在未到90%时，就触发。
通过设置 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=N
这个百分比， 可以简单的这么计算。如果你的 hfile.block.cache.size 和 hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit 加起来有60%（默认），那么你可以设置 70-80，一般高10%左右差不多。
Hbase客户端优化
AutoFlush
将HTable的setAutoFlush设为false，可以支持客户端批量更新。即当Put填满客户端flush缓存时，才发送到服务端。默认是true。
Scan Caching
scanner一次缓存多少数据来scan（从服务端一次抓多少数据回来scan）。
默认值是 1，一次只取一条。
Scan Attribute Selection
scan时建议指定需要的Column Family，减少通信量，否则scan操作默认会返回整个row的所有数据（所有Coulmn Family）。
Close ResultScanners
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）。
Optimal Loading of Row Keys
当你scan一张表的时候，返回结果只需要row key（不需要CF, qualifier,values,timestaps）时，你可以在scan实例中添加一个filterList，并设置 MUST_PASS_ALL操作，filterList中add FirstKeyOnlyFilter或KeyOnlyFilter。这样可以减少网络通信量。
Turn off WAL on Puts
当Put某些非重要数据时，你可以设置writeToWAL(false)，来进一步提高写性能。writeToWAL(false)会在Put时放弃写WAL log。风险是，当RegionServer宕机时，可能你刚才Put的那些数据会丢失，且无法恢复。
启用Bloom Filter
Bloom Filter通过空间换时间，提高读操作性能
二、 关于HFile的思考

本文是一篇转载文章，原文作者郭鹏（@逖靖寒），国内Cassandra领域的先驱者和实践者。资深软件开发工程师，擅长分布式应用程序的开发和使用，实践经验极其丰富。在本文中，作者推荐了HFile文件格式的经典论文，并对HFile的block size的应用进行了实例探讨。

0.90.x版本的HBase中的文件是存储在HFile中的。
关于HFile文件的详细介绍，可以查看这篇文章：hfile.pdf
这篇文章中介绍了以下五点内容：
· HFile的作用。
· HFile的格式。
· HFile的性能。
· HFile的使用注意事项。
· HFile的编程接口。
HFile中有一个很重要的参数，那就是block size。如果我们写入hfile中的某一个value的值大于block size会怎么样？
于是有如下的测试代码：
// create local file system
FileSystem fs = new RawLocalFileSystem();
fs.setConf(new Configuration());

// block size = 1kb
HFile.Writer hwriter = new HFile.Writer(fs,
new Path("hfile"), 1, (Compression.Algorithm) null, null);

// create key & value, the value is 8kb, larger than 1kb
byte[] key = "www.data-works.org".getBytes();
byte[] value = new byte[8 * 1024];
for (int i = 0; i < 8 * 1024; i++) {
value[i] = '0';
}

// add values to hfile
for (int i = 0; i < 10; i++) {
hwriter.append(key, value);
}

// close hfile
hwriter.close();
上面的代码可以看出来，每一个value的值都是8kb，已经超过了hfile预设的1kb的block size。
实际的写入情况是如果value大于block size，那么就按照实际的情况来写。
上面的测试用例执行完毕以后，整个hile文件只有1个data block。
这个hfile的读取代码如下：
// create local file system
FileSystem fs = new RawLocalFileSystem();
fs.initialize(URI.create("file:///"), new Configuration());
fs.setConf(new Configuration());
HFile.Reader hreader = new HFile.Reader(fs,
new Path("hfile"), null, false);

// loadFileInfo
hreader.loadFileInfo();

HFileScanner hscanner = hreader.getScanner(false, false);

// seek to the start position of the hfile.
hscanner.seekTo();

// print values.
int index = 1;
while (hscanner.next()) {
System.out.println("index: " + index++);
System.out.println("key: " + hscanner.getKeyString());
System.out.println("value: " + hscanner.getValueString());
}

// close hfile.
hreader.close();
上面的代码将读取hfile，并将这个文件中的所有kv打印出来。
通过上面的测试可以看出：如果某一个key有非常非常多的value，那么查找这些value就无法通过索引去快速查找，而是需要通过遍历进行。
另外，JIRA上面的HBASE-3857也提出了一种新的HFile格式，HFile v2
他主要是针对现有HFile的两个主要缺陷提出来的：
· 暂用过多内存
· 启动加载时间缓慢
有兴趣的朋友可以详细了解一下。
三、 HBase性能优化方法总结

1. 表的设计
1.1 Pre-Creating Regions
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：
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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;
  }
}

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;
}
1.2 Row Key
HBase中row key用来检索表中的记录，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。
1.3 Column Family
不要在一张表里定义太多的column family。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。
1.4 In Memory
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。
1.5 Max Version
创建表的时候，可以通过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)。
1.6 Time To Live
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)。
1.7 Compact & Split
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。
2. 写表操作
2.1 多HTable并发写
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：
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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);
}
2.2 HTable参数设置
2.2.1 Auto Flush
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。
2.2.2 Write Buffer
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。
2.2.3 WAL Flag
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。
23 批量写
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)方法可以将指定的row key列表，批量写入多行记录，这样做的好处是批量执行，只需要一次网络I/O开销，这对于对数据实时性要求高，网络传输RTT高的情景下可能带来明显的性能提升。
2.4 多线程并发写
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：
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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();
}
3. 读表操作
3.1 多HTable并发读
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：
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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);
    rTableLog[i].setScannerCaching(50);

}
3.2 HTable参数设置
3.2.1 Scanner Caching
通过调用HTable.setScannerCaching(int scannerCaching)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。通过将此值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。
3.2.2 Scan Attribute Selection
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。
3.2.3 Close ResultScanner
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）。
3.3 批量读
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)方法可以根据一个指定的row key列表，批量获取多行记录，这样做的好处是批量执行，只需要一次网络I/O开销，这对于对数据实时性要求高而且网络传输RTT高的情景下可能带来明显的性能提升。
3.4 多线程并发读
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：
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