HBase Region自動切分的所有細節都在這裡了
作者：範欣欣
Region自動切分是HBase能夠擁有良好擴張性的最重要因素之一，也必然是所有分散式系統追求無限擴充套件性的一副良藥。HBase系統中Region自動切分是如何實現的，這裡面涉及很多知識點，比如Region切分的觸發條件是什麼、Region切分的切分點在哪裡、如何切分才能最大的保證Region的可用性、如何做好切分過程中的異常處理、切分過程中要不要將資料移動等，這篇文章將會對這些細節進行基本的說明，一方面可以讓大家對HBase中Region自動切分有更加深入的理解，另一方面如果想實現類似的功能也可以參考HBase的實現方案。
Region切分觸發策略
在最新穩定版（1.2.6）中，HBase已經有多達6種切分觸發策略。當然，每種觸發策略都有各自的適用場景，使用者可以根據業務在表級別選擇不同的切分觸發策略。常見的切分策略如下圖：
ConstantSizeRegionSplitPolicy：0.94版本前預設切分策略。這是最容易理解但也最容易產生誤解的切分策略，從字面意思來看，當region大小大於某個閾值（hbase.hregion.max.filesize）之後就會觸發切分，實際上並不是這樣，真正實現中這個閾值是對於某個store來說的，即一個region中最大store的大小大於設定閾值之後才會觸發切分。
另外一個大家比較關心的問題是這裡所說的store大小是壓縮後的檔案總大小還是未壓縮檔案總大小，實際實現中store大小為壓縮後的檔案大小（採用壓縮的場景）。ConstantSizeRegionSplitPolicy相對來來說最容易想到，但是在生產線上這種切分策略卻有相當大的弊端：切分策略對於大表和小表沒有明顯的區分。閾值（hbase.hregion.max.filesize）設定較大對大表比較友好，但是小表就有可能不會觸發分裂，極端情況下可能就1個，這對業務來說並不是什麼好事。如果設定較小則對小表友好，但一個大表就會在整個叢集產生大量的region，這對於叢集的管理、資源使用、failover來說都不是一件好事。
IncreasingToUpperBoundRegionSplitPolicy: 0.94版本~2.0版本預設切分策略。這種切分策略微微有些複雜，總體來看和ConstantSizeRegionSplitPolicy思路相同，一個region中最大store大小大於設定閾值就會觸發切分。但是這個閾值並不像ConstantSizeRegionSplitPolicy是一個固定的值，而是會在一定條件下不斷調整，調整規則和region所屬表在當前regionserver上的region個數有關係 ：(#regions) * (#regions) * (#regions) * flush size * 2，當然閾值並不會無限增大，最大值為使用者設定的MaxRegionFileSize。
這種切分策略很好地彌補了ConstantSizeRegionSplitPolicy的短板，能夠自適應大表和小表。而且在大叢集條件下對於很多大表來說表現很優秀，但並不完美，這種策略下很多小表會在大叢集中產生大量小region，分散在整個叢集中。而且在發生region遷移時也可能會觸發region分裂。
SteppingSplitPolicy: 2.0版本預設切分策略。這種切分策略的切分閾值又發生了變化，相比IncreasingToUpperBoundRegionSplitPolicy簡單了一些，依然和待分裂region所屬表在當前regionserver上的region個數有關係，如果region個數等於1，切分閾值為flush size * 2，否則為MaxRegionFileSize。這種切分策略對於大叢集中的大表、小表會比IncreasingToUpperBoundRegionSplitPolicy更加友好，小表不會再產生大量的小region，而是適可而止。
另外，還有一些其它分裂策略，比如使用DisableSplitPolicy:可以禁止region發生分裂；而KeyPrefixRegionSplitPolicy，DelimitedKeyPrefixRegionSplitPolicy對於切分策略依然依據預設切分策略，但對於切分點有自己的看法，比如KeyPrefixRegionSplitPolicy要求必須讓相同的PrefixKey待在一個region中。
在用法上，一般情況下使用預設切分策略即可，也可以在cf級別設定region切分策略，命令為：
create ’table’, {NAME => ‘cf’, SPLIT_POLICY => ‘org.apache.hadoop.hbase.regionserver. ConstantSizeRegionSplitPolicy'}
Region切分準備工作：尋找Splitpoint
region切分策略會觸發region切分，切分開始之後的第一件事是尋找切分點－splitpoint。所有預設切分策略，無論是ConstantSizeRegionSplitPolicy、IncreasingToUpperBoundRegionSplitPolicy抑或是SteppingSplitPolicy，對於切分點的定義都是一致的。當然，使用者手動執行切分時是可以指定切分點進行切分的，這裡並不討論這種情況。
那切分點是如何定位呢？整個region中最大store中的最大檔案中最中心的一個block的首個rowkey。這是一句比較消耗腦力的語句，需要細細品味。另外，HBase還規定，如果定位到的rowkey是整個檔案的首個rowkey或者最後一個rowkey的話，就認為沒有切分點。
什麼情況下會出現沒有切分點的場景呢？最常見的就是一個檔案只有一個block，執行split的時候就會發現無法切分。很多新同學在測試split的時候往往都是新建一張新表，然後往新表中插入幾條資料並執行一下flush，再執行split，奇蹟般地發現數據表並沒有真正執行切分。原因就在這裡，這個時候仔細的話你翻看debug日誌是可以看到這樣的日誌滴：
Region核心切分流程
HBase將整個切分過程包裝成了一個事務，意圖能夠保證切分事務的原子性。整個分裂事務過程分為三個階段：prepare – execute – (rollback) ，操作模版如下：
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- prepare階段：在記憶體中初始化兩個子region，具體是生成兩個HRegionInfo物件，包含tableName、regionName、startkey、endkey等。同時會生成一個transaction journal，這個物件用來記錄切分的進展，具體見rollback階段。
- execute階段：切分的核心操作。見下圖（來自Hortonworks）：
1、regionserver 更改ZK節點 /region-in-transition 中該region的狀態為SPLITING。
2、master通過watch節點/region-in-transition檢測到region狀態改變，並修改記憶體中region的狀態，在master頁面RIT模組就可以看到region執行split的狀態資訊。
3、在父儲存目錄下新建臨時資料夾.split儲存split後的daughter region資訊。
4、關閉parent region：parent region關閉資料寫入並觸發flush操作，將寫入region的資料全部持久化到磁碟。此後短時間內客戶端落在父region上的請求都會丟擲異常NotServingRegionException。
5、核心分裂步驟：在.split資料夾下新建兩個子資料夾，稱之為daughter A、daughter B，並在資料夾中生成reference檔案，分別指向父region中對應檔案。這個步驟是所有步驟中最核心的一個環節，生成reference檔案日誌如下所示：
其中reference檔名為
d24415c4fb44427b8f698143e5c4d9dc.00bb6239169411e4d0ecb6ddfdbacf66，格式看起來比較特殊，那這種檔名具體什麼含義呢？那來看看該reference檔案指向的父region檔案，根據日誌可以看到，切分的父region是00bb6239169411e4d0ecb6ddfdbacf66，對應的切分檔案是d24415c4fb44427b8f698143e5c4d9dc，可見reference檔名是個資訊量很大的命名方式，如下所示：
除此之外，還需要關注reference檔案的檔案內容，reference檔案是一個引用檔案（並非linux連結檔案），檔案內容很顯然不是使用者資料。檔案內容其實非常簡單，主要有兩部分構成：其一是切分點splitkey，其二是一個boolean型別的變數（true或者false），true表示該reference檔案引用的是父檔案的上半部分（top），而false表示引用的是下半部分 （bottom）。為什麼儲存的是這兩部分內容？且聽下文分解。
看官可以使用Hadoop命令親自來檢視reference檔案的具體內容：
6. 父region分裂為兩個子region後，將daughter A、daughter B拷貝到HBase根目錄下，形成兩個新的region。
7. parent region通知修改 hbase.meta 表後下線，不再提供服務。下線後parent region在meta表中的資訊並不會馬上刪除，而是標註split列、offline列為true，並記錄兩個子region。為什麼不立馬刪除？且聽下文分解。
8. 開啟daughter A、daughter B兩個子region。通知修改 hbase.meta 表，正式對外提供服務。
rollback階段：如果execute階段出現異常，則執行rollback操作。為了實現回滾，整個切分過程被分為很多子階段，回滾程式會根據當前進展到哪個子階段清理對應的垃圾資料。程式碼中使用 JournalEntryType 來表徵各個子階段，具體見下圖：
Region切分事務性保證
整個region切分是一個比較複雜的過程，涉及到父region中HFile檔案的切分、兩個子region的生成、系統meta元資料的更改等很多子步驟，因此必須保證整個切分過程的事務性，即要麼切分完全成功，要麼切分完全未開始，在任何情況下也不能出現切分只完成一半的情況。
為了實現事務性，HBase設計了使用狀態機（見SplitTransaction類）的方式儲存切分過程中的每個子步驟狀態，這樣一旦出現異常，系統可以根據當前所處的狀態決定是否回滾，以及如何回滾。遺憾的是，目前實現中這些中間狀態都只儲存在記憶體中，因此一旦在切分過程中出現regionserver宕機的情況，有可能會出現切分處於中間狀態的情況，也就是RIT狀態。這種情況下需要使用hbck工具進行具體檢視並分析解決方案。在2.0版本之後，HBase實現了新的分散式事務框架Procedure V2(HBASE-12439)，新框架將會使用HLog儲存這種單機事務（DDL操作、Split操作、Move操作等）的中間狀態，因此可以保證即使在事務執行過程中參與者發生了宕機，依然可以使用HLog作為協調者對事務進行回滾操作或者重試提交，大大減少甚至杜絕RIT現象。這也是是2.0在可用性方面最值得期待的一個亮點！
Region切分對其它模組的影響通過region切分流程的瞭解，我們知道整個region切分過程並沒有涉及資料的移動，所以切分成本本身並不是很高，可以很快完成。切分後子region的檔案實際沒有任何使用者資料，檔案中儲存的僅是一些元資料資訊－切分點rowkey等，那通過引用檔案如何查詢資料呢？子region的資料實際在什麼時候完成真正遷移？資料遷移完成之後父region什麼時候會被刪掉？
1. 通過reference檔案如何查詢資料？
這裡就會看到reference檔名、檔案內容的實際意義啦。整個流程如下圖所示：
- 根據reference檔名（region名+真實檔名）定位到真實資料所在檔案路徑。
- 定位到真實資料檔案就可以在整個檔案中掃描待查KV了麼？非也。因為reference檔案通常都只引用了資料檔案的一半資料，以切分點為界，要麼上半部分檔案資料，要麼下半部分資料。那到底哪部分資料？切分點又是哪個點？還記得上文又提到reference檔案的檔案內容吧，沒錯，就記錄在檔案中。
2. 父region的資料什麼時候會遷移到子region目錄？
答案是子region發生major_compaction時。我們知道compaction的執行實際上是將store中所有小檔案一個KV一個KV從小到大讀出來之後再順序寫入一個大檔案，完成之後再將小檔案刪掉，因此compaction本身就需要讀取並寫入大量資料。子region執行major_compaction後會將父目錄中屬於該子region的所有資料讀出來並寫入子region目錄資料檔案中。可見將資料遷移放到compaction這個階段來做，是一件順便的事。
3. 父region什麼時候會被刪除？
實際上HMaster會啟動一個執行緒定期遍歷檢查所有處於splitting狀態的父region，確定檢查父region是否可以被清理。檢測執行緒首先會在meta表中揪出所有split列為true的region，並加載出其分裂後生成的兩個子region（meta表中splitA列和splitB列），只需要檢查此兩個子region是否還存在引用檔案，如果都不存在引用檔案就可以認為該父region對應的檔案可以被刪除。現在再來看看上文中父目錄在meta表中的資訊，就大概可以理解為什麼會儲存這些資訊了：
4. split模組在生產線的一些坑？
有些時候會有同學反饋說叢集中部分region處於長時間RIT，region狀態為spliting。通常情況下都會建議使用hbck看下什麼報錯，然後再根據hbck提供的一些工具進行修復，hbck提供了部分命令對處於split狀態的rit region進行修復，主要的命令如下：
其中最常見的問題是 ：
簡單解釋一下，這個錯誤是說reference檔案所引用的父region檔案不存在了，如果檢視日誌的話有可能看到如下異常：
父region檔案為什麼會莫名其妙不存在？經過和朋友的討論，確認有可能是因為官方bug導致，詳見HBASE-13331。這個jira是說HMaster在確認父目錄是否可以被刪除時，如果檢查引用檔案（檢查是否存在、檢查是否可以正常開啟）丟擲IOException異常，函式就會返回沒有引用檔案，導致父region被刪掉。正常情況下應該保險起見返回存在引用檔案，保留父region，並列印日誌手工介入檢視。如果大家也遇到類似的問題，可以看看這個問題，也可以將修復patch打到線上版本或者升級版本。
End.