深入解读HBase2.0新功能之AssignmentManagerV2

2022-02-02 15:57:19

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背景

AssignmentManager模块是HBase中一个非常重要的模块，Assignment Manager（之后简称AM）负责了HBase中所有region的Assign，UnAssign，以及split/merge过程中region状态变化的管理等等。在HBase-0.90之前，AM的状态全部存在内存中，自从HBASE-2485之后，AM把状态持久化到了Zookeeper上。在此基础上，社区对AM又修复了大量的bug和优化（见此文章），最终形成了用在HBase-1.x版本上的这个AM。

老Assignment Mananger的问题

相信深度使用过HBase的人一般都会被Region RIT的状态困扰过，长时间的region in transition状态简直令人抓狂。
深入解读HBase2.0新功能之AssignmentManagerV2

除了一些确实是由于Region无法被RegionServer open的case，大部分的RIT，都是AM本身的问题引起的。总结一下HBase-1.x版本中AM的问题，主要有以下几点：

region状态变化复杂

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这张图很好地展示了region在open过程中参与的组件和状态变化。可以看到，多达7个组件会参与region状态的变化。并且在region open的过程中多达20多个步骤！越复杂的逻辑意味着越容易出bug

region状态多处缓存

region的状态会缓存在多个地方，Master中RegionStates会保存Region的状态，Meta表中会保存region的状态，Zookeeper上也会保存region的状态，要保持这三者完全同步是一件很困难的事情。同时，Master和RegionServer都会修改Meta表的状态和Zookeeper的状态，非常容易导致状态的混乱。如果出现不一致，到底以哪里的状态为准？每一个region的transition流程都是各自为政，各自有各自的处理方法

重度依赖Zookeeper

在老的AM中，region状态的通知完全通过Zookeeper。比如说RegionServer打开了一个region，它会在Zookeeper把这个region的RIT节点改成OPEN状态，而不去直接通知Master。Master会在Zookeeper上watch这个RIT节点，通过Zookeeper的通知机制来通知Master这个region已经发生变化。Master再根据Zookeeper上读取出来的新状态进行一定的操作。严重依赖Zookeeper的通知机制导致了region的上线/下线的速度存在了一定的瓶颈。特别是在region比较多的时候，Zookeeper的通知会出现严重的滞后现象。

正是这些问题的存在，导致AM的问题频发。我本人就fix过多个AM导致region无法open的issue。比如说这三个相互关联的“连环”case：HBASE-17264,HBASE-17265,HBASE-17275。

Assignment Mananger V2

面对这些问题的存在，社区也在不断尝试解决这些问题，特别是当region的规模达到100w级别的时候，AM成为了一个严重的瓶颈。HBASE-11059中提出的ZK-less Region Assignment就是一个非常好的改良设计。在这个设计中，AM完全摆脱了Zookeeper的限制，在测试中，zk-less的assign比zk的assign快了一个数量级！
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但是在这个设计中，它摒弃了Zookeeper这个持久化的存储，一些region transition过程中的中间状态无法被保存。因此，在此基础上，社区又更进了一步，提出了Assignment Mananger V2在这个方案。在这个方案中，仍然摒弃了Zookeeper参与Assignment的整个过程。但是，它引入了ProcedureV2这个持久化存储来保存Region transition中的各个状态，保证在master重启时，之前的assing/unassign，split等任务能够从中断点重新执行。具体的来说，AMv2方案中，主要的改进有以下几点：

Procedure V2

关于Procedure V2，我之后将独立写文章介绍。这里，我只大概介绍下ProcedureV2和引入它所带来的价值。
我们知道，Master中会有许多复杂的管理工作，比如说建表，region的transition。这些工作往往涉及到非常多的步骤，如果master在做中间某个步骤的时候宕机了，这个任务就会永远停留在了中间状态（RIT因为之前有Zookeeper做持久化因此会继续从某个状态开始执行）。比如说在enable/disable table时，如果master宕机了，可能表就停留在了enabling/disabling状态。需要一些外部的手段进行恢复。那么从本质上来说，ProcedureV2提供了一个持久化的手段（通过ProcedureWAL，一种类似RegionServer中WAL的日志持久化到HDFS上），使master在宕机后能够继续之前未完成的任务继续完成。同时，ProcedureV2提供了非常丰富的状态转换并支持回滚执行，即使执行到某一个步骤出错，master也可以按照用户的逻辑对之前的步骤进行回滚。比如建表到某一个步骤失败了，而之前已经在HDFS中创建了一些新region的文件夹，那么ProcedureV2在rollback的时候，可以把这些残留删除掉。
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Procedure中提供了两种Procedure框架，顺序执行和状态机，同时支持在执行过程中插入subProcedure，从而能够支持非常丰富的执行流程。在AMv2中，所有的Assign，UnAssign，TableCreate等等流程，都是基于Procedure实现的。
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去除Zookeeper依赖

有了Procedure V2之后，所有的状态都可以持久化在Procedure中，Procedure中每次的状态变化，都能够持久化到ProcedureWAL中，因此数据不会丢失，宕机后也能恢复。同时，AMv2中region的状态扭转（OPENING，OPEN，CLOSING，CLOSE等）都会由Master记录在Meta表中，不需要Zookeeper做持久化。再者，之前的AM使用的Zookeeper watch机制通知master region状态的改变，而现在每当RegionServer Open或者close一个region后，都会直接发送RPC给master汇报，因此也不需要Zookeeper来做状态的通知。综合以上原因，Zookeeper已经在AMv2中没有了存在的必要。

减少状态冲突的可能性

之前我说过，在之前的AM中，region的状态会同时存在于meta表，Zookeeper和master的内存状态。同时Master和regionserver都会去修改Zookeeper和meta表，维护状态统一的代价非常高，非常容易出bug。而在AMv2中，只有master才能去修改meta表。并在region整个transition中做为一个“权威”存在，如果regionserver汇报上来的region状态与master看到的不一致，则master会命令RegionServer abort。Region的状态，都以master内存中保存的RegionStates为准。

除了上述这些优化，AMv2中还有许多其他的优化。比如说AMv2依赖Procedure V2提供的一套locking机制，保证了对于一个实体，如一张表，一个region或者一个RegionServer同一时刻只有一个Procedure在执行。同时，在需要往RegionServer发送命令，如发送open，close等命令时，AMv2实现了一个RemoteProcedureDispatcher来对这些请求做batch，批量把对应服务器的指令一起发送等等。在代码结构上，之前处理相应region状态的代码散落在AssignmentManager这个类的各个地方，而在AMv2中，每个对应的操作，都有对应的Procedure实现，如AssignProcedure，DisableTableProcedure，SplitTableRegionProcedure等等。这样下来，使AssignmentManager这个之前杂乱的类变的清晰简单，代码量从之前的4000多行减到了2000行左右。

AssignProcedure

AMv2中有太多的Procedure对应各种不同的transition，这里不去详细介绍每个Procedure的操作。我将以AssignProcedure为例，讲解一下在AMv2中，一个region是怎么assign给一个RegionServer，并在对应的RS上Open的。
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AssignProcedure是一个基于Procedure实现的状态机。它拥有3个状态：

  • REGION_TRANSITION_QUEUE： Assign开始时的状态。在这个状态时，Procedure会对region状态做一些改变和存储，并丢到AssignmentManager的assign queue中。对于单独region的assign，AssignmentManager会把他们group起来，再通过LoadBalancer分配相应的服务器。当这一步骤完成后，Procedure会把自己标为REGION_TRANSITION_DISPATCH，然后看是否已经分配服务器，如果还没有被分配服务器的话，则会停止继续执行，等待被唤醒。
  • REGION_TRANSITION_DISPATCH： 当AssignmentManager为这个region分配好服务器时，Procedure就会被唤醒。或者Procedure在执行完REGION_TRANSITION_QUEUE状态时master宕机，Procedure被恢复后，也会进入此步骤执行。所以在此步骤下，Procedure会先检查一下是否分配好了服务器，如果没有，则把状态转移回REGION_TRANSITION_QUEUE，否则的话，则把这个region交给RemoteProcedureDispatcher，发送RPC给对应的RegionServer来open这个region。同样的，RemoteProcedureDispatcher也会对相应的指令做一个batch，批量把一批region open的命令发送给某一台服务器。当命令发送完成之后，Procedure又会进入休眠状态，等待RegionServer成功OPen这个region后，唤醒这个Procedure
  • REGION_TRANSITION_FINISH： 当有RegionServer汇报了此region被打开后，会把Procedure的状态置为此状态，并唤醒Procedure执行。此时，AssignProcedure会做一些状态改变的工作，并修改meta表，把meta表中这个region的位置指向对应的RegionServer。至此，region assign的工作全部完成。

AMv2中提供了一个Web页面（Master页面中的‘Procedures&Locks’链接）来展示当前正在执行的Procedure和持有的锁。
其实通过log，我们也可以看到Assign的整个过程。
假设，一台server宕机，此时master会产生一个ServerCrashProcedure 来处理，在这个Procedure中，会做一系列的工作，比如WAL的restore。当这些前置的工作做完后，就会开始assign之前在宕掉服务器上的region，比如56f985a727afe80a184dac75fbf6860c。此时会在ServerCrashProcedure产生一系列的子任务：

2017-05-23 12:04:24,175 INFO  [ProcExecWrkr-30] procedure2.ProcedureExecutor: Initialized subprocedures=[{pid=1178, ppid=1176, state=RUNNABLE:REGION_TRANSITION_QUEUE; AssignProcedure table=IntegrationTestBigLinkedList, region=bfd57f0b72fd3ca77e9d3c5e3ae48d76, target=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232}, {pid=1179, ppid=1176, state=RUNNABLE:REGION_TRANSITION_QUEUE; AssignProcedure table=IntegrationTestBigLinkedList, region=56f985a727afe80a184dac75fbf6860c, target=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232}]

可以看到，ServerCrashProcedure的pid（Procedure ID）为1178，在此Procedure中产生的assign 56f985a727afe80a184dac75fbf6860c这个region的子Procedure的pid为1179，同时他的ppid（Parent Procedure ID）为1178。在AMv2中，通过追踪这些ID，就非常容易把一个region的transition整个过程全部串起来。
接下来，pid=1170这个Procedure开始执行,首先执行的是REGION_TRANSITION_QUEUE状态的逻辑，然后进入睡眠状态。

2017-05-23 12:04:24,241 INFO  [ProcExecWrkr-30] assignment.AssignProcedure: Start pid=1179, ppid=1176, state=RUNNABLE:REGION_TRANSITION_QUEUE; AssignProcedure table=IntegrationTestBigLinkedList, region=56f985a727afe80a184dac75fbf6860c, target=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232; rit=OFFLINE, location=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232; forceNewPlan=false, retain=false

当target server被指定时，Procedure进入REGION_TRANSITION_DISPATCH状态，dispatch了region open的请求，同时把meta表中region的状态改成了OPENING，然后再次进入休眠状态

2017-05-23 12:04:24,494 INFO  [ProcExecWrkr-38] assignment.RegionStateStore: pid=1179 updating hbase:meta row=IntegrationTestBigLinkedList,H\xE3@\x8D\x964\x9D\xDF\x8F@9'\x0F\xC8\xCC\xC2,1495566261066.56f985a727afe80a184dac75fbf6860c., regionState=OPENING, regionLocation=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232                                                2017-05-23 12:04:24,498 INFO  [ProcExecWrkr-38] assignment.RegionTransitionProcedure: Dispatch pid=1179, ppid=1176, state=RUNNABLE:REGION_TRANSITION_DISPATCH; AssignProcedure table=IntegrationTestBigLinkedList, region=56f985a727afe80a184dac75fbf6860c, target=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232; rit=OPENING, location=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232

最后，当RegionServer打开了这个region后，会发RPC通知master，那么在通知过程中，这个Procedure再次被唤醒，开始执行REGION_TRANSITION_FINISH的逻辑，最后更新meta表，把这个region置为打开状态。

2017-05-23 12:04:26,643 DEBUG [RpcServer.default.FPBQ.Fifo.handler=46,queue=1,port=16000] assignment.RegionTransitionProcedure: Received report OPENED seqId=11984985, pid=1179, ppid=1176, state=RUNNABLE:REGION_TRANSITION_DISPATCH; AssignProcedure table=IntegrationTestBigLinkedList, region=56f985a727afe80a184dac75fbf6860c, target=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232; rit=OPENING, location=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232                               2017-05-23 12:04:26,643 INFO  [ProcExecWrkr-9] assignment.RegionStateStore: pid=1179 updating hbase:meta row=IntegrationTestBigLinkedList,H\xE3@\x8D\x964\x9D\xDF\x8F@9'\x0F\xC8\xCC\xC2,1495566261066.56f985a727afe80a184dac75fbf6860c., regionState=OPEN, openSeqNum=11984985, regionLocation=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232
2017-05-23 12:04:26,836 INFO  [ProcExecWrkr-9] procedure2.ProcedureExecutor: Finish suprocedure pid=1179, ppid=1176, state=SUCCESS; AssignProcedure table=IntegrationTestBigLinkedList, region=56f985a727afe80a184dac75fbf6860c, target=ve0540.halxg.cloudera.com,16020,1495525111232

一路看下来，由于整个region assign的过程都是在Procedure中执行，整个过程清晰明了，非常容易追述，也没有了Zookeeper一些event事件的干扰。

总结

Assignment Mananger V2依赖Procedure V2实现了一套清晰明了的region transition机制。去除了Zookeeper依赖，减少了region状态冲突的可能性。整体上来看，代码的可读性更强，出了问题也更好查错。对于解决之前AM中的一系列“顽疾”，AMv2做了很好的尝试，也是一个非常好的方向。
AMv2之所以能保持简洁高效的一个重要原因就是重度依赖了Procedure V2，把一些复杂的逻辑都转移到了Procedure V2中。但是这样做的问题是：一旦ProcedureWAL出现了损坏，或者Procedure本身存在bug，这个后果就是灾难性的。事实上在我们的测试环境中，就出现过PRocedureWAL损坏导致region RIT的情况。
另外需要注意的是，截止目前为止，HBCK仍然无法支持AMv2，这会导致一旦出现问题，修复起来会比较困难。
当然，新的事务还是要有一段成熟期，相信经过一段时间的bug修复和完善后，我相信AMv2一定会完美解决之前的一些问题，给HBase的运维上带来一些不同的体验。愿世界不再被HBase的RIT困扰 :-)。

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