Hadoop HDFS 体系结构与文件读写流程剖析

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Hadoop HDFS 体系结构与文件读写流程剖析

一、HDFS 理论基础

HDFS（Hadoop Distributed File System） 是 Hadoop 的分布式文件系统，专为大规模数据存储和高吞吐量访问设计，具备高容错性和可扩展性，适合部署在廉价硬件集群上。

1. 主要组件

• NameNode：负责管理文件系统的元数据（如目录结构、文件到块的映射、块副本位置等）。
• DataNode：负责实际数据块的存储、读写操作。
• Secondary NameNode：辅助 NameNode 合并编辑日志与镜像文件（fsimage），并非主备节点。
• Client：HDFS 用户，负责发起读写请求。

2. 数据存储方式

• 块（Block）：HDFS 将文件切分为块（默认128MB），每块独立存储。
• 副本机制：每个数据块有多个副本（默认3份），分布在不同 DataNode 上，实现容错。

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二、HDFS 读写流程

1. 写入（上传）流程

1. 客户端请求上传：向 NameNode 发送创建文件请求。
2. NameNode 分配资源：检查目录和文件、分配块及 DataNode 列表，登记元数据。
3. 客户端写入数据块 ：
   • 客户端将数据切分为块，采用流水线机制依次写入 DataNode 副本。
   • 每写完一个块，继续请求 NameNode 分配下一个块的 DataNode 列表。
4. 写入完成通知：所有块写入完毕后，客户端通知 NameNode，NameNode 更新元数据。

纯文本流程图

Client
  |
  |--(1)请求创建文件--> NameNode
  |
  |<--(2)分配Block和DataNode列表---
  |
  |--(3)写数据块到DataNode1
  |------------------------->DataNode2
  |------------------------->DataNode3
  |
  |--(4)写完通知NameNode

Mermaid 时序图

Client NameNode DataNode1 DataNode2 DataNode3 (1)请求创建文件 (2)分配Block和DataNode列表 (3)写数据块 数据复制 数据复制 (4)写完通知 Client NameNode DataNode1 DataNode2 DataNode3

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2. 读取（下载）流程

1. 客户端请求读取：向 NameNode 请求文件块位置信息。
2. NameNode 返回位置信息：返回所有块及其 DataNode 位置。
3. 客户端读取数据块：直接从 DataNode 读取数据块（可并行）。
4. 数据组装：客户端将块数据按顺序组装为完整文件。

纯文本流程图

Client
  |
  |--(1)请求读取文件--> NameNode
  |
  |<--(2)返回Block和DataNode位置---
  |
  |--(3)直接从DataNode读取数据块
  |
  |--(4)组装为完整文件

Mermaid 时序图

Client NameNode DataNode1 (1)请求读取文件 (2)返回Block和DataNode位置 (3)读取数据块 (4)组装为完整文件 Client NameNode DataNode1

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三、HDFS 特点总结

• 高容错性：多副本机制，节点故障不影响数据可用性。
• 高吞吐量：适合大文件批量处理，不适合低延迟小文件操作。
• 良好扩展性：可通过增加节点轻松扩容。
• 流式数据访问：一次写入，多次读取，适合大数据分析场景。

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四、Markdown 流程图说明

• 纯文本流程图：任何 Markdown 工具都能显示。
• Mermaid 语法：需支持 Mermaid 渲染的 Markdown 编辑器（如 Typora、Obsidian、语雀、Gitee、GitHub 等）才能看到图形效果。

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五、参考架构图

---如需了解 HDFS 代码示例、API 使用、部署细节等，欢迎继续提问！