1. 背景

隨著業(yè)務的高速發(fā)展，針對HDFS元數(shù)據(jù)的訪問請求量呈指數(shù)級上升。在之前的工作中，我們已經(jīng)通過引入HDFS Federation和Router機制實現(xiàn)NameNode的平行擴容，在一定程度上滿足了元數(shù)據(jù)的擴容需求；也通過引入Observer NameNode讀寫分離架構(gòu)提升單組NameSpace的讀寫能力，在一定程度上減緩了讀寫壓力。但隨著業(yè)務場景的發(fā)展變化，NameSpace數(shù)量也在上升至30+組后，Active+Standby+Observer NameNode 的架構(gòu)已經(jīng)無法滿足所有的元數(shù)據(jù)讀寫場景，我們必須考慮提升NameNode讀寫能力，來應對不斷上升的元數(shù)據(jù)讀寫要求。

如圖1-1 所展示的B站離線存儲整體架構(gòu)所示，隨著業(yè)務的不斷增量發(fā)展，通過引入HDFS Router機制實現(xiàn)NameNode的平行擴容，目前NameSpace的數(shù)量已經(jīng)超過30+組，總存儲量EB級，每日請求訪問量超過200億次。各個NameSpace之間的讀寫請求更是分布非常不均衡，在一些特殊場景下，部分NameSpace的整體負載更高。如Flink任務的CheckPoint 場景，Spark和MR任務的log日志上傳場景，這兩類場景的數(shù)據(jù)寫入要求要遠遠高于普通場景。此外還有部分數(shù)據(jù)回刷場景，存在短時間寫入請求增加300%以上的情況，極易觸發(fā)NameNode的寫入性能瓶頸，影響其他任務的正常訪問。為了應對這個問題，我們針對性的提出了NameNode的讀寫性能提升方案。

圖1-1 B站HDFS整體架構(gòu)圖

2. HDFS 細粒度鎖優(yōu)化整體方案

2.1 面臨的問題

NameNode是整個HDFS的核心組件，集中管理HDFS集群的所有元數(shù)據(jù)，主要包括文件系統(tǒng)的目錄樹、數(shù)據(jù)塊集合和分布以及整個集群的拓撲結(jié)構(gòu)。HDFS在對NameNode的實現(xiàn)上做了大膽取舍，如圖2-1所示，鎖機制上使用全局鎖來統(tǒng)一來控制并發(fā)讀寫。這樣處理的優(yōu)勢非常明顯，全局鎖進一步簡化鎖模型，不需要額外考慮鎖依賴關(guān)系，同時降低復雜度，減少工程量。但是問題比優(yōu)勢更加突出，核心問題就是全局唯一鎖制約性能提升。

圖片

在多年的HDFS實踐工作中，我們發(fā)現(xiàn)NameNode全局唯一的讀寫鎖已經(jīng)成為NameNode讀寫性能最大瓶頸之一，社區(qū)已經(jīng)做了很多的工作來優(yōu)化相關(guān)性能，如將一些日志操作異步化，移動日志操作到鎖外，針對DU請求采用分段鎖，大刪除異步化等一系列優(yōu)化措施，但對于我們這種數(shù)據(jù)量的HDFS集群來說，仍然難以滿足部分生產(chǎn)場景。為了進一步提升HDFS讀寫性能，滿足業(yè)務場景，我們計劃對全局鎖進行細粒度拆分，為此我們也面臨著許多困難。

首先是問題復雜度高，Hadoop發(fā)展到今天已經(jīng)超過十年，其中HDFS經(jīng)過多次迭代演進，架構(gòu)已經(jīng)非常復雜。針對NameNode組件來說，架構(gòu)上模塊劃分不夠清晰，內(nèi)部核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工作線程之間耦合非常嚴重，實現(xiàn)細節(jié)上，還存在大量相互依賴，不一而足。

其次是社區(qū)的動力不足，在全局唯一的讀寫鎖的擴展性問題上，社區(qū)做過多次嘗試，主要就有 HDFS-8966：Separate the lock used in namespace and block management layer 和 HDFS-5453：Support fine grain locking in FSNamesystem 等方面的嘗試，但是并沒有產(chǎn)出可以進行生產(chǎn)化部署的成果。具體原因還是動力不足，因為NameNode性能針對小規(guī)模部署的集群來說大體上已經(jīng)足夠，也有通過Federation和Router機制進行擴展，滿足一定的需求。

為了解決這個難題，我們參考了業(yè)界的拆鎖方案和Alluxio的LockPool實現(xiàn)機制，計劃實現(xiàn)針對NameNode全局唯一鎖的細粒度拆分。

2.2 設計選型

為了更好地理解使用全局鎖存在的問題，首先梳理全局鎖管理的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大致分成三類：

• NameSpace目錄樹：文件系統(tǒng)的全局目錄視圖。獲取目錄樹上任一節(jié)點的信息必須先拿到全局讀鎖；目錄樹上任一節(jié)點新增、刪除、修改都必須先拿到全局寫鎖。
• BlockPool層數(shù)據(jù)塊集合：文件系統(tǒng)的全量數(shù)據(jù)信息。獲取其中任一數(shù)據(jù)塊信息必須先拿到全局讀鎖；新增、刪除，修改都必須先拿到全局寫鎖。
• 集群信息：HDFS集群節(jié)點信息的集合。獲取節(jié)點信息等必須先拿到全局讀鎖；注冊，下線或者變更節(jié)點信息請求處理時必須先拿到全局寫鎖。

具體實現(xiàn)上，NameNode使用了JDK提供的可重入讀寫鎖（ReentrantReadWriteLock），ReentrantReadWriteLock對并行請求有嚴格限制，支持讀請求并行處理，寫請求具有排他性。針對不同RPC請求的處理邏輯，按照需要獲取鎖粒度，我們可以把所有請求抽象為全局讀鎖和全局寫鎖兩類。全局讀鎖包括客戶端請求（getListing/getBlockLocations/getFileInfo）、服務管理接口（monitorHealth/getServiceStatus）等；全局寫鎖則包括客戶端寫請求（create/mkdir/rename/append/truncate/complete/recoverLease）、服務管理接口（transitionToActive/transitionToStandby/setSafeMode）和主從節(jié)點之間請求（rollEditLog）等。在一次RPC處理過程中，如果不能及時獲取到鎖，這次RPC將處于排隊等待狀態(tài)，直到成功獲得鎖，鎖等待時間直接影響請求響應性能，極端場景下如果長時間不能獲得鎖，將造成IPC隊列堆積，TCP連接隊列被打滿，客戶端出現(xiàn)請求卡住，新建連接超時失敗等各種異常問題。從全局來看，寫鎖因為排它對性能影響更加明顯。如果當前有寫請求正在被處理，其他所有請求都必須排隊等待，直到寫請求被處理完成釋放鎖后再競爭全局鎖。因此我們希望對全局鎖進行細粒度劃分，最終實現(xiàn)NameNode服務的大部分的RPC請求都能并行處理。

我們計劃通過3步實現(xiàn) NameNode 鎖的細粒度劃分，如圖2-2所示。

第一步，將NameNode 全局鎖拆分為 Namespace層讀寫鎖和 BlockPool層讀寫鎖；

第二部，將NameSpace讀寫鎖拆成顆粒度更細的Inode層的讀寫鎖；

第三步，將BlockPool層讀寫鎖也拆成更細粒度的讀寫鎖；

目前我們已經(jīng)基本完成第一部分和第二部分的工作。

圖2-2 NameNode 鎖優(yōu)化過程

3. HDFS 細粒度鎖優(yōu)化實現(xiàn)

3.1 NameNode全局唯一鎖拆成

NameSpace層鎖和BlockPool層鎖

在實踐中發(fā)現(xiàn)，客戶端請求訪問NameNode過程中，部分請求需要同時訪Namespace層和BlockPool層，有些請求只需要訪問 Namespace層，同時服務端請求如DataNode的IBR/BlockReport等請求實際上也只需要訪問 BlockPool層，這兩層的鎖調(diào)用可以拆分，實現(xiàn)對兩層數(shù)據(jù)的并行訪問。因此拆鎖的第一步， 就是將NameNode 全局鎖拆分為 Namespace層讀寫鎖和 BlockPool層讀寫鎖，如圖2-3所示，通過這種拆分實現(xiàn)訪問的這兩層數(shù)據(jù)的RPC請求能夠并?處理。在實踐過程中，我們引入了BlockManagerLock，單獨處理BlockPool層鎖事件。

圖2-3 NameNode全局唯一鎖拆成NameSpace層鎖和BlockPool層鎖

在實際的拆鎖過程中，我們發(fā)現(xiàn)NameSpace層和BlockPool層之間有非常多的耦合，這里我們參考了社區(qū)的一部分工作HDFS-8966：Separate the lock used in namespace and block management layer, 已經(jīng)幫助我們解除了部分的依賴，除了社區(qū)列出來的這部分依賴之外我們還發(fā)現(xiàn)一些BlockPool層對NameSpace層的反相依賴，主要是Block的副本信息和storagePolicy屬性信息，這塊我們將這部分信息在BlockPool層進行冗余存儲，同時確保發(fā)生變更時NameSpace層的信息及時同步至BlockPool層。在解除了BlockPool層對NameSpace層的反相依賴后，開始針對不同類型的請求獲取何種類型的鎖進行區(qū)分，如圖2-4所示。

• NameSpace層請求(getListing/getFileInfo等請求)，只需要獲取NameSpace層鎖；
• BlockPool層請求(BlockReport/IncrementalBlockReport等請求)，只需要獲取BlockPool層鎖，這塊我們發(fā)現(xiàn)有塊上報過程中，有一段更新Quota的邏輯需要獲取NameSpace層鎖，我們無法做到完美的適配，考慮到我們的Quota采用的外置計算的方式，所以做了相應的取舍，只獲取了BlockPool層的鎖；
• 同時訪問NameSpace層和BlockPool層的請求(setReplication/getBlockLocation)，需要同時獲取NameSpace層的鎖和BlockPool層的鎖。

通過對不同請求按不同類型鎖要求劃分后，我們基本可以做到訪問部分不同層數(shù)據(jù)的請求的并行執(zhí)行，但仍然有2個問題需要解決。首先是死鎖問題，為此我們確保所有請求的加鎖順序的一致性，所有需要同時獲取NameSpace層鎖和BlockPool層的請求都是NameSpace層鎖在前，BlockPool層的鎖在后；其次是一致性問題，NameNode內(nèi)部本身是寫一致性，并發(fā)讀取場景，針對同時訪問NameSpace層和BlockPool層的請求，需要確保NameSpace層加鎖范圍完全包含BlockPool層加鎖范圍，防止讀取到中間狀態(tài)。

圖2-4 不同類型的請求加鎖場景

通過上述這種方式，我們基本實現(xiàn)了BlockPool層和NameSpace層的鎖拆分，當前這部分優(yōu)化策略已經(jīng)在生產(chǎn)環(huán)境運行了一段時間，NameNode整體性能大約提升了50%左右。

3.2 NameSpace層鎖拆分成INode粒度鎖

在實現(xiàn)了FSN層和BP層鎖拆分之后，NameNode性能已經(jīng)有了一定的提升，生產(chǎn)環(huán)境中對HDFS的NameNode元數(shù)據(jù)請求的rpc processtime和queuetime也有明顯的下降，但仍然有一些場景無法滿足，因此我們繼續(xù)優(yōu)化，對NameSpace層的鎖進行更細粒度的拆分如圖2-5所示，將鎖細粒度到INode層，希望能進一步提升NameSpace層RPC并發(fā)能力，提升NameNode整體寫入能力。

圖2-5 NameSpace層鎖細粒度拆分

要將NameSpace層鎖拆分到INode層級粒度，必然要為對應的INode分配鎖對象，在這里我們面臨了許多問題。

首先是內(nèi)存限制，我們目前單組Namespace元數(shù)據(jù)容量閾值基本在10億左右，如果每個INode分配一個INode鎖，單是INode鎖的內(nèi)存幾乎就需要120GB左右的內(nèi)存，再加上本身NameNode就非常耗費內(nèi)存，當前的服務器類型很難滿足。為了解決這個問題，我們參考了 Alluxio 的LockPool 的概念，也就是有一個鎖資源池，每個INode需要Lock加鎖的時候，就去資源池里申請鎖，同時引用計數(shù)會增加，用完之后unlock掉的時候，引用計數(shù)會減少，同時配置不同的高低水位，定期清理掉引用計數(shù)為0的鎖，確保總體內(nèi)存可控。

其次是鎖對象的管理，這方面我們引入了INodeLockManager 用于管理INode和鎖對象的之間的映射，我們通過INodeLockManager新增了INode鎖的LockPool 和 Edge鎖的LockPool，如圖2-6所示，管理整個NameSpace層的INode層級的細粒度鎖。

圖2-6 NameSpace層的INode層級的細粒度鎖管理

完成了鎖對象的管理后，Namespace層鎖細粒度拆分剩下的問題都是如何預防死鎖和數(shù)據(jù)錯亂，因此我們對加鎖行為進行規(guī)劃，總體遵循如下原則。

• 普通Client端的RPC請求采用自上而下的加鎖方式，對特殊操作如Rename等操作進行特殊處理；
• Client端的RPC請求進行全鏈路加鎖，部分請求考慮最后的INode和Edge加寫鎖；

如圖2-7所示，我們配置了3種類型的鎖，分別時Read鎖，Write_Inode 鎖和 WRITE_EDGE鎖分別應對不同類型的客戶端RPC請求。針對讀請求，我們正向遍歷INodeTree從ROOT節(jié)點開始依次加鎖 對對整個路徑上的INode和Edge都加讀鎖；針對addBlock ，setReplication 這類不影響INodeTree的請求，我們也是正向遍歷INodeTree從ROOT節(jié)點開始依次加讀鎖，但是對最后一個INode加寫鎖；針對create ，mkdir請求，我們正向遍歷INodeTree ，對最后INode節(jié)點和最后的Edge都加寫鎖，如果最后INode不存在，對最后的Edge也需要加寫鎖。

圖2-7 INodeLock 加鎖方式

除了訪問單個路徑的請求，還有rename等訪問多個路徑的rpc請求，如圖2-8所示，從 /a/b/c rename 成 /a/b/e，我們對這種場景做了特殊處理。我們首先路徑/a/b/c和/a/b/e按字典序確定先后，再自上而下加鎖，如圖2-8所示，路徑/a/b/c排序在前，我們先對/a/b/c 路徑加鎖，正向遍歷INodeTree從ROOT節(jié)點開始依次加鎖，邊b-c，INode c都加上寫鎖,路徑/a/b/e排序在后，我們在對路徑/a/b/c加鎖完成后，對路徑/a/b/e加鎖，同樣遍歷INodeTree，Edge b→e加上寫鎖，INode e 由于還未存在，則放棄加鎖；

圖2-8 Rename RPC操作加鎖方式

在上述的工作中，我們完成了不同請求的加鎖方式，針對部份加鎖場景中存在的INode缺失場景（如文件不存在等場景），如下圖2-9所示針對相對典型的是create請求列舉了不同RPC類型的加鎖邏輯。

• create 路徑/a/b/c文件，如果當前已經(jīng)存在存在/a/b 路徑，則最終會在Edge b->c 加寫鎖；
• create 路徑/a/b/c文件，如果已經(jīng)存在/a/b/c路徑，則最終會在Edge b→c 和INode c上加寫鎖；
• create 路徑/a/b/c文件，如果只存在 /a 路徑，則會在Edge a->b 這條邊上加上寫鎖。

圖 2-9 不同RPC類型的加鎖邏輯舉例

通過實現(xiàn)上述2步拆鎖過程，NameNode性能已經(jīng)有了很大提升，如圖2-10展示了我們在測試環(huán)境中的性能對比，經(jīng)過Namespace層讀寫鎖和BlockPool層讀寫鎖拆分后，相比于社區(qū)版本，單NameSpace的寫性能大約提升了50% ，經(jīng)過Namespace層細粒度鎖拆分后，寫性能相比于社區(qū)版本有3倍左右的提升，此時NameNode性能瓶頸已經(jīng)集中在Edits和審計日志同步以及BlockPool層的本身的鎖競爭上。在實際生產(chǎn)過程中，我們把之前需要2組NameSpace支持的任務日志采集路徑收歸為一組NamesSpace支持，在寫入QPS上升3倍的場景下，整體rpc queue time 下降了90%，整體性能有很大的提升。

圖2-10 鎖優(yōu)化性能對比

四. 總結(jié)與展望

NameNode的性能優(yōu)化已經(jīng)告一段落了，第一步和第二部的拆鎖已經(jīng)在我們的生產(chǎn)集群上穩(wěn)定運行了一段時間，整體性能提升明顯，整體RPC Queue Time相比于拆鎖之前有數(shù)量級的下降，當前已經(jīng)可以支持絕大多數(shù)應用場景，包括之前的描述的任務日志聚合和Flink CheckPoint 路徑等場景，在接下來計劃中，我們也正在考慮是否將BlockPool層鎖做進一步細粒度拆分，進一步提升NameNode的性能。

同時考慮到NameNode元數(shù)據(jù)都存儲在內(nèi)存中，限制了NameNode元數(shù)據(jù)總量的擴展，特別是小文件場景，我們也將在未來規(guī)劃引入Ozone或者將NameNode的元數(shù)據(jù)信息持久化至RocksDB或者KV中，進一步提升單組Namespace的承載量徹底解決小文件問題。