定义：

HBase是一个分布式的、面向列的开源数据库,HBase是Google Bigtable的开源实现，它利用Hadoop HDFS作为其文件存储系统，利用Hadoop MapReduce来处理HBase中的海量数据，利用Zookeeper作为协同服务。

 逻辑视图：

　用户对hbase中的数据在逻辑上通过rowkey,column family, cell ,timestamp进行管理

• Row Key

与nosql数据库们一样,row key是用来检索记录的主键。访问hbase table中的行，只有三种方式：

通过单个row key访问

通过row key的range

全表扫描

存储时，数据按照Row key的字典序(byte order)排序存储。

• 列族 column family

hbase表中的每个列，都归属与某个列族。列族是表的chema的一部分(而列不是)，必须在使用表之前定义。列名都以列族作为前缀。例如courses:history ， courses:math 都属于 courses 这个列族。

访问控制、磁盘和内存的使用统计都是在列族层面进行的。

• 单元 Cell

HBase中通过row和columns确定的为一个存贮单元称为cell。由{row key, column( =<family> + <label>), version} 唯一确定的单元。cell中的数据是没有类型的，全部是字节码形式存贮。时间戳可以由hbase(在数据写入时自动 )赋值，此时时间戳是精确到毫秒的当前系统时间。时间戳也可以由客户显式赋值。如果应用程序要避免数据版本冲突，就必须自己生成具有唯一性的时间戳。每个cell中，不同版本的数据按照时间倒序排序，即最新的数据排在最前面。

为了避免数据存在过多版本造成的的管理 (包括存贮和索引)负担，hbase提供了两种数据版本回收方式。一是保存数据的最后n个版本，二是保存最近一段时间内的版本（比如最近七天）。用户可以针对每个列族进行设置。

• 时间戳 timestamp

每个cell都保存着同一份数据的多个版本。版本通过时间戳来索引。时间戳的类型是 64位整型

物理存储：

• 结构图

• Regin:

HBase扩展和负载均衡的基本单位是Region。Region从本质上说是行的集合。当Region的大小达到一定的阈值，该Region会自动分裂(split)，当然也可能是合并(merge)，合并可以减少Region和相应存储文件的数量

对于一张表(HTable)而言，初始时只会有一个Region。表的数据量不断增加，系统会监控此表以确保数据量不会超过一个配置的阈值。如果系统发现表容量超过了限制，该Region会被一分为二。分裂主要看行键(row key)，从Region正中的键开始分裂，并创建容量大致相等的两个Region。

Region和Region Server的关系是多对一。一个Region只能位于一台Region Server之上，而一台Region Server可以服务多个Region。

分裂和服务这些Region可以视为自动分片。HBase的设计考虑到Region的快速恢复和细粒度的负载均衡问题。当服务于某些Region的Region Server压力过大、退役(decommission，这个概念之后会详细阐述)或者干脆出问题时，这些Region会被移动到其他的Server上。

Region虽然是分布式存储的最小单元，但并不是存储的最小单元。

事实上，HRegion由一个或者多个Store组成，每个store保存一个columns family。

每个Strore由一个memStore和0至多个StoreFile组成。

• storeFile

StoreFile以HFile格式保存在HDFS上。

• Trailer部分的格式:

• HFile分为六个部分：

Data Block 段–保存表中的数据，这部分可以被压缩
Meta Block 段 (可选的)–保存用户自定义的kv对，可以被压缩。
File Info 段–Hfile的元信息，不被压缩，用户也可以在这一部分添加自己的元信息。
Data Block Index 段–Data Block的索引。每条索引的key是被索引的block的第一条记录的key。
Meta Block Index段 (可选的)–Meta Block的索引。
Trailer–这一段是定长的。保存了每一段的偏移量，读取一个HFile时，会首先 读取Trailer，Trailer保存了每个段的起始位置(段的Magic Number用来做安全check)，然后，DataBlock Index会被读取到内存中，这样，当检索某个key时，不需要扫描整个HFile，而只需从内存中找到key所在的block，通过一次磁盘io将整个 block读取到内存中，再找到需要的key。DataBlock Index采用LRU机制淘汰。
HFile的Data Block，Meta Block通常采用压缩方式存储，压缩之后可以大大减少网络IO和磁盘IO，随之而来的开销当然是需要花费cpu进行压缩和解压缩。
目标Hfile的压缩支持两种方式：Gzip，Lzo。

• HLog(WAL log)

WAL 意为Write ahead log(http://en.wikipedia.org/wiki/Write-ahead_logging)，类似mysql中的binlog,用来 做灾难恢复只用，Hlog记录数据的所有变更,一旦数据修改，就可以从log中进行恢复。
每个Region Server维护一个Hlog,而不是每个Region一个。这样不同region(来自不同table)的日志会混在一起，这样做的目的是不断追加单个 文件相对于同时写多个文件而言，可以减少磁盘寻址次数，因此可以提高对table的写性能。带来的麻烦是，如果一台region server下线，为了恢复其上的region，需要将region server上的log进行拆分，然后分发到其它region server上进行恢复。
HLog文件就是一个普通的Hadoop Sequence File，Sequence File 的Key是HLogKey对象，HLogKey中记录了写入数据的归属信息，除了table和region名字外，同时还包括 sequence number和timestamp，timestamp是”写入时间”，sequence number的起始值为0，或者是最近一次存入文件系统中sequence number。HLog Sequece File的Value是HBase的KeyValue对象，即对应HFile中的KeyValue

系统架构

• 架构图

• Client

包含访问hbase的接口，client维护着一些cache来加快对hbase的访问，比如region的位置信息。

• Zookeeper

1 保证任何时候，集群中只有一个master
2 存贮所有Region的寻址入口。
3 实时监控Region Server的状态，将Region server的上线和下线信息实时通知给Master
4 存储Hbase的schema,包括有哪些table，每个table有哪些column family

• Master

1 为Region server分配region
2 负责region server的负载均衡
3 发现失效的region server并重新分配其上的region
4 GFS上的垃圾文件回收
5 处理schema更新请求

• Region Server

1 Region server维护Master分配给它的region，处理对这些region的IO请求
2 Region server负责切分在运行过程中变得过大的region
可以看到，client访问hbase上数据的过程并不需要master参与（寻址访问zookeeper和region server，数据读写访问region server），master仅仅维护者table和region的元数据信息，负载很低。

region定位

系统如何找到某个row key (或者某个 row key range)所在的region
bigtable 使用三层类似B+树的结构来保存region位置。
第一层是保存zookeeper里面的文件，它持有root region的位置。
第二层root region是.META.表的第一个region其中保存了.META.表其它region的位置。通过root region，我们就可以访问.META.表的数据。
.META是第三层，它是一个特殊的表，保存了hbase中所有数据表的region 位置信息。

说明：
1 root region永远不会被split，保证了最需要三次跳转，就能定位到任意region 。
2 .META.表每行保存一个region的位置信息，row key 采用表名+表的最后一样编码而成。
3 为了加快访问，.META.表的全部region都保存在内存中。
假设，.META.表的一行在内存中大约占用1KB。并且每个region限制为128MB。
那么上面的三层结构可以保存的region数目为：(128MB/1KB) * (128MB/1KB) = = 2(34)个region
4 client会将查询过的位置信息保存缓存起来，缓存不会主动失效，因此如果client上的缓存全部失效，则需要进行6次网络来回，才能定位到正确的region(其中三次用来发现缓存失效，另外三次用来获取位置信息)。

读写过程

hbase使用MemStore和StoreFile存储对表的更新。
数据在更新时首先写入Log(WAL log)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)
当系统出现意外时，可能导致内存(MemStore)中的数据丢失，此时使用Log(WAL log)来恢复checkpoint之后的数据。
前面提到过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，将他们的按照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，合并的过程还是比较快。

• 写请求处理过程

1 client向region server提交写请求
2 region server找到目标region
3 region检查数据是否与schema一致
4 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
5 将更新写入WAL log
6 将更新写入Memstore
7 判断Memstore的是否需要flush为Store文件。

server,master上下线及regin分配流程

• region分配

任何时刻，一个region只能分配给一个region server。master记录了当前有哪些可用的region server。以及当前哪些region分配给了哪些region server，哪些region还没有分配。当存在未分配的region，并且有一个region server上有可用空间时，master就给这个region server发送一个装载请求，把region分配给这个region server。region server得到请求后，就开始对此region提供服务。

• region server上线

master使用zookeeper来跟踪region server状态。当某个region server启动时，会首先在zookeeper上的server目录下建立代表自己的文件，并获得该文件的独占锁。由于master订阅了server 目录上的变更消息，当server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region server上线，master能马上得到消息。

• region server下线

当region server下线时，它和zookeeper的会话断开，zookeeper而自动释放代表这台server的文件上的独占锁。而master不断轮询 server目录下文件的锁状态。如果master发现某个region server丢失了它自己的独占锁，(或者master连续几次和region server通信都无法成功),master就是尝试去获取代表这个region server的读写锁，一旦获取成功，就可以确定：
1 region server和zookeeper之间的网络断开了。
2 region server挂了。
的其中一种情况发生了，无论哪种情况，region server都无法继续为它的region提供服务了，此时master会删除server目录下代表这台region server的文件，并将这台region server的region分配给其它还活着的同志。
如果网络短暂出现问题导致region server丢失了它的锁，那么region server重新连接到zookeeper之后，只要代表它的文件还在，它就会不断尝试获取这个文件上的锁，一旦获取到了，就可以继续提供服务。

• master上线

master启动进行以下步骤:
1 从zookeeper上获取唯一一个代码master的锁，用来阻止其它master成为master。
2 扫描zookeeper上的server目录，获得当前可用的region server列表。
3 和2中的每个region server通信，获得当前已分配的region和region server的对应关系。
4 扫描.META.region的集合，计算得到当前还未分配的region，将他们放入待分配region列表。

• master下线

由于master只维护表和region的元数据，而不参与表数据IO的过 程，master下线仅导致所有元数据的修改被冻结(无法创建删除表，无法修改表的schema，无法进行region的负载均衡，无法处理region 上下线，无法进行region的合并，唯一例外的是region的split可以正常进行，因为只有region server参与)，表的数据读写还可以正常进行。因此master下线短时间内对整个hbase集群没有影响。从上线过程可以看到，master保存的 信息全是可以冗余信息（都可以从系统其它地方收集到或者计算出来），因此，一般hbase集群中总是有一个master在提供服务，还有一个以上 的’master’在等待时机抢占它的位置。

参考资料

http://jiajun.iteye.com/blog/899632