作者 | 中華石杉

責編 | 伍杏玲

本文經授權轉載石杉的架構筆記(ID：shishan100)

這篇文章我們來看看，世界上最優秀的分布式文件系統HDFS，是如何對超大文件的上傳做性能優化的？

首先，我們還是通過一張圖來看一下文件上傳的大概的原理。

由上圖所示，文件上傳的原理，其實說出來也簡單。

比如有個TB級的大文件，太大了，HDFS客戶端會給拆成很多block，一個block就是128MB。

這個HDFS客戶端你可以理解為是云盤系統、日志采集系統之類的東西。

比如有人上傳一個1TB的大文件到網盤，或者是上傳個1TB的大日志文件。

然后，HDFS客戶端把一個一個的block上傳到第一個DataNode

第一個DataNode會把這個block復制一份，做一個副本發送給第二個DataNode。

第二個DataNode發送一個block副本到第三個DataNode。

所以你會發現，一個block有3個副本，分布在三臺機器上。任何一臺機器宕機，數據是不會丟失的。

最后，一個TB級大文件就被拆散成了N多個MB級的小文件存放在很多臺機器上了，這就是分布式存儲。

原始的文件上傳方案

今天要討論的問題，就是HDFS客戶端上傳TB級大文件時候，是怎么上傳呢？

我們先來考慮一下，如果用一個比較原始的方式來上傳，應該怎么做？

大概能想到的是下面這個圖里的樣子。

很多Java的初學者，估計都知道這樣來上傳文件。

其實無非就是不停的從本地磁盤文件用輸入流讀取數據，讀到一點，就立馬通過網絡的輸出流寫到DataNode里去。

上面這種流程圖的代碼，估計剛畢業的同學都可以立馬寫出來。因為對文件的輸入流最多就是個FileInputStream。而對DataNode的輸出流，最多就是個Socket返回的OutputStream。

然后中間找一個小的內存byte[]數組，進行流對拷就行了，從本地文件讀一點數據，就給DataNode發一點數據。

但是如果你要這么弄，性能是極其低下的，網絡通信講究的是適當頻率，每次batch批量發送。

你得讀一大批數據，通過網絡通信發一批數據，不能說讀一點點數據，就立馬來一次網絡通信，就發出去這一點點的數據。

所以如果按照上面這種原始的方式，絕對會導致網絡通信效率極其低下，大文件上傳性能很差，為什么這么說？

相當于你可能剛讀出來幾百個字節的數據，立馬就寫網絡，卡頓個比如幾百毫秒。

然后再讀下一批幾百個字節的數據，再寫網絡卡頓個幾百毫秒，這個性能很差，在工業級的大規模分布式系統中，是無法容忍的。

如何對大文件上傳進行性能優化？

好，看完了原始的文件上傳，我們來看看Hadoop中分布式文件系統HDFS，是如何對大文件上傳進行性能優化的？

一起來看看下面那張圖。

首先你需要自己創建一個針對本地TB級磁盤文件的輸入流，然后讀到數據之后立馬寫入HDFS提供的FSDataOutputStream輸出流。

這個FSDataOutputStream輸出流在干啥？大家覺得他會天真的立馬把數據通過網絡傳輸寫給DataNode嗎？

答案當然是否定的了！這么干的話，不就跟之前的那種方式一樣了！

1.??Chunk緩沖機制

首先，數據會被寫入一個chunk緩沖數組，這個chunk是一個512字節大小的數據片段，你可以這么來理解。

然后這個緩沖數組可以容納多個chunk大小的數據在里面緩沖。

光是這個緩沖，首先就可以讓客戶端快速的寫入數據了，不至于說幾百字節就要進行一次網絡傳輸，想一想，是不是這樣？

2.?Packet數據包機制

接著，當chunk緩沖數組都寫滿了之后，就會把這個chunk緩沖數組進行一下chunk切割，切割為一個一個的chunk，一個chunk是一個數據片段。

然后多個chunk會直接一次性寫入另外一個內存緩沖數據結構，就是Packet數據包

一個Packet數據包，設計為可以容納127個chunk，大小大致為64mb。所以說大量的chunk會不斷的寫入Packet數據包的內存緩沖中。

通過這個Packet數據包機制的設計，又可以在內存中容納大量的數據，進一步避免了頻繁的網絡傳輸影響性能

3.?內存隊列異步發送機制

當一個Packet被塞滿了chunk之后，就會將這個Packet放入一個內存隊列來進行排隊。

然后有一個DataStreamer線程會不斷的獲取隊列中的Packet數據包，通過網絡傳輸直接寫一個Packet數據包給DataNode。

如果一個Block默認是128mb的話，那么一個Block默認會對應兩個Packet數據包，每個Packet數據包是64MB。

也就是說，傳送兩個Packet數據包給DataNode之后，就會發一個通知說，一個Block的數據都傳輸完畢。

這樣DataNode就知道自己收到一個Block了，里面包含了人家發送過來的兩個Packet數據包。

總結

OK，大家看完了上面的那個圖以及Hadoop的HDFS采取的大文件上傳機制，是不是感覺設計的很巧妙？

說白了，工業級的大規模分布式系統，都不會采取特別簡單的代碼和模式，那樣性能很低下。

這里都有大量的并發優化、網絡IO優化、內存優化、磁盤讀寫優化的架構設計、生產方案在里面。

所以大家觀察上面那個圖，HDFS客戶端可以快速的將TB級大文件的數據讀出來，然后快速的交給HDFS的輸出流寫入內存。

基于內存里的chunk緩沖機制、packet數據包機制、內存隊列異步發送機制。絕對不會有任何網絡傳輸的卡頓，導致大文件的上傳速度變慢。

反而通過上述幾種機制，可以上百倍的提升一個TB級大文件的上傳性能。

作者簡介：中華石杉，十余年BAT架構經驗傾囊相授

公眾號：石杉的架構筆記(ID：shishan100)

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總結

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