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HBase入门精要--百闻不如一Run

HBase，基于Google Bigtable实现的开源、分布式、可伸缩的列式存储数据库，诞生于Hadoop，也是Hadoop生态的重要一环，如今作为一个Apache顶级项目，早已经不能将其仅仅看作Hadoop的一部分，基于Storm，Spark等框架的数据处理方案中，都有它的身影，可以说它已经成为大数据工具箱中非常重要的一种数据存储工具，也因此必然会被很纳入很多人学习计划。

对于一个新技术的入门，我认为一种有效的学习方式是：

对其有简要认知后，通过Quick Start式的使用，获得直观的感知，消除距离感，然后再带着使用过程中的疑问去了解其背后的真相，最后支撑我们将其应用到实际工程。

我将消除距离感这一阶段，称之为 百闻不如一Run 。

本文分三部分带你完成对HBase的 百闻不如一Run ：数据模型概述、环境部署和基本操作。

版本：本文基于HBase 1.2.2 –Release date: 11/Jul/16

一. HBase数据模型

HBase是对Bigtable的开源实现，所以先来认识一下Bigtabl概念，引用 Google’s BigTable Paper 中的精简描述：

A Bigtable is a sparse, distributed, persistent multidimensional sorted map.

The map is indexed by a row key, column key, and a timestamp; each value in the map is an uninterpreted array of bytes.

HBase的数据模型与此非常相似，用一张参考自上述论文的图来辅助理解：

HBase入门精要--百闻不如一Run

图1 HBase表中某一行所存储数据的一种可视化呈现

HBase的结构：

命名空间(namespace):0.96版本开始支持，是对多个表的逻辑分组，类似于关系数据库的database，在本文暂不关心。
表(table)： 一张表中包含若干行。
行(row)： 一行包括一个行键(row key)和若干列族，一张表中的行 按照行键排序 ，并用行键作为索引。图1中展示了一个行键为row1的行。
列族(column family)： 每个列族包含若干个列， 列族需要在建表时预定义，运行期间可以动态加入新的列 。图1中的”data”、”meta”就是row1行中的两个列族。在物理层面，HBase的数据存储是在列族这一层级进行组织，每个列族单独存储。
列(column)： 每个列都归属于某个列族，以列族名作为前缀，通常使用 列族名：修饰符 的形式来标识一个列，可以将其中的修饰符部分看作列名。图1中的”meta:mimetype”和”meta:size”即是列族meta中的成员。
单元格(cell)： 存储的每一个值存放在一个单元格中，由 [行，列，版本号] 来唯一指向一个单元格。图1中彩色标识的矩形块即可看作是一个单元格
版本(version)： 版本号默认是时间戳形式，同一列中可能包含若干单元格，这些单元格由版本号唯一区分， 根据版本号降序排列 ，HBase查询时，如果不指定版本号，默认返回最新的值。图1中的t3,t6等即代表版本号。 版本是HBase多维特性的表现 。

Google论文中Bigtable描述为一个map，那么从Map的维度，用JSON格式，HBase的结构可以理解为：

{
  // ...
  "row1" : {
    "family1" : {
      "column1" : {
        111 : "value1",
        123 : "value2"
        },
      "column2" : {103 : "value3"}
    },
    "family2" : { ... }
  },
  "row2" : {
    "family3" : { ... }
  },
  // ...
}

而关于其稀疏这一特性，可以用下图来辅助理解：

HBase入门精要--百闻不如一Run

图2 HBase的行和列所构成的更像标签，而不是表格

对于我们熟悉的关系型数据库，如MySQL，一张表中每一行都有相同的列，即使部分行的某些列不存储数据，也有消耗，如图中的NULL。而HBase，各行是相对独立的，可以有完全不同的列。

二.部署

如果最初阶段你需要HBase环境的主要目的是想熟悉对HBase的CRDU操作，那么看完 独立部署 后，可以直接跳到 三.基本操作 。

如果希望在部署环境过程中对HBase的架构也做一个简要了解，那么建议进行 伪分布式部署 ；如果伪分布式部署你能够很快完成，那么相信完全的分布式部署对你来说也并不困难，并且本文的主要目的是快速入门，因此不提供完全分布式部署的过程指引，如有需要，请参考官方指南 quickstart_fully_distributed 。

0. 基础条件

需要Java，支持JDK7和JDK8
需要ssh，伪分布式部署需要 ssh localhost 能正常连接，分布式部署需要配置各节点间的无密码登陆( ssh passwordless login )

注：1.0.0版本开始，HBase内部组件(HMaster,HRegionServer)的默认端口从60xxx变更为16xxx

1. 独立部署

如果想要最快速的搭建供你练习HBase数据库操作的环境，那么这可能是你想要的。

独立部署模式下，HBase的所有进程都运行在一个JVM中，数据直接存储在本地磁盘。

a. 下载安装包并解压

wget https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/apache/hbase/1.2.2/hbase-1.2.2-bin.tar.gz
tar zxvf hbase-1.2.2-bin.tar.gz -C target-dir

b. 配置

在 /etc/hosts 中配置localhost的地址： 127.0.0.1 localhost
JAVA_HOME：在 conf/hbase-env.sh 中配置,例如： export JAVA_HOME=/usr/local/jdk

配置HBase和zookeeper保存数据的位置：

在 conf/hbase-site.xml. 中配置,地址格式有两种，例如：

<configuration>
    <property>
        <name>hbase.rootdir</name>
        <value>file:///home/hbase/hbase1.2.2</value>
    </property>
    <property>
        <name>hbase.zookeeper.property.dataDir</name>
        <value>/home/hbase/hbase1.2.2/zookeeper</value>
    </property>
</configuration>

c. 启动和停止

可以直接在HBase安装目录运行 bin/start-hbase.sh 启动：

[hbase@iZ25n0dx8rxZh base]$ ./bin/start-hbase.sh 
starting master, logging to /usr/local/hbase/bin/../logs/hbase-hbase-master-iZ25n0dx8rxZ.out

启动日志默认位于 ./logs/hbase-[username]-master-[yourhostname].log ，启动成功后，用 jps 命令可以看到名为HMaster的进程。接下来，你就可以使用hbase的shell来进行操作练习了。

要停止hbase，使用 bin/stop-hbase.sh 。

d. UI访问

Hbase内建了一个用Jetty提供服务的web UI页面来查看该HBase环境的各种信息，默认端口16010，尝试用 http://hostip:16010/ 来访问。

2. 伪分布式部署

伪分布式模式下，HBase的所有组件还是运行在同一台主机，不同的是，每个组件独立运行在不同的JVM。更重要的是，我们可以在该模式下启动多个Regionserver和master，构成一个虚拟的分布式架构以供学习，这是很多 快速入门 文章所略过的重点。

该模式下，可以对接HDFS，但那涉及hadoop的部署，为以更短的时间达到当前阶段的目的，本文仍存储在本地磁盘。

a. HBase架构概要

图3 HBase架构概要图

作为入门阶段，先从粗粒度对HBase的架构进行简单了解：

HMaster：主要负责监控集群、管理RegionServers的负责均衡等，可以用主-备形式部署多个Master。

HRegionServers：负责响应用户的I/O操作请求，客户端对HBase读写数据是与RegionServer交互。

Zookeeper：负责选举Master的主节点；服务注册；保存RegionServers的状态等。可以使用系统内建的zookeeper，也可以使用独立的zookeeper，只需要在配置文件中调整即可。

HDFS：

真正的数据持久层，并非必须是HDFS文件系统，但搭配HDFS是最佳选择，也是目前应用最广泛的选择。

b. 开始部署

伪分布式模式下，需要保证 ssh localhost 能够成功连接(将HBase所属用户的publickey追加到其自身的authorized_keys中)。如果你跟随本文启动了独立模式的HBase，先将其停止。

开启分布式配置

最基本的伪分布式配置，只需要在独立模式的配置基础上，追加开启分布式模式的配置，即将 hbase.cluster.distributed 配置为true，例如：

<configuration>
    <property>
      <name>hbase.rootdir</name>
      <value>/home/hbase/hbase1.2.2</value>
    </property>
    <property>
      <name>hbase.zookeeper.property.dataDir</name>
      <value>file:///home/hbase/hbase1.2.2/zookeeper</value>
    </property>
    <property>
      <name>hbase.cluster.distributed</name>
      <value>true</value>
    </property>
 </configuration>

在安装目录运行 bin/start-hbase.sh

[hbase@iZ25n0dx8rxZ hbase]$ ./bin/start-hbase.sh
localhost: starting zookeeper, logging to /usr/local/hbase/bin/../logs/hbase-hbase-zookeeper-iZ25n0dx8rxZ.out
starting master, logging to /usr/local/hbase/bin/../logs/hbase-hbase-master-iZ25n0dx8rxZ.out
starting regionserver, logging to /usr/local/hbase/bin/../logs/hbase-hbase-1-regionserver-iZ25n0dx8rxZ.out

可以看到依次启动了zookeeper、master和regionserver，启动日志为 ./logs 路径下的 .log 文件。

查看启动的进程以及占用的端口：

[hbase@iZ25n0dx8rxZ logs]$ jps
4610 HRegionServer
4456 HQuorumPeer
5338 Jps
4522 HMaster
[hbase@iZ25n0dx8rxZ logs]$ netstat -lnp|grep 4522
tcp        0      0 172.16.5.23:16000           0.0.0.0:*                   LISTEN      4522/java           
tcp        0      0 0.0.0.0:16010               0.0.0.0:*                   LISTEN      4522/java           
[hbase@iZ25n0dx8rxZ logs]$ netstat -lnp|grep 4610
tcp        0      0 172.16.5.23:16201           0.0.0.0:*                   LISTEN      4610/java           
tcp        0      0 0.0.0.0:16301               0.0.0.0:*                   LISTEN      4610/java           
[root@iZ25n0dx8rxZ logs]$ netstat -lnp|grep 4456
tcp        0      0 0.0.0.0:2188                0.0.0.0:*                   LISTEN      4456/java

HMaster占用16000(工作进程)和16010(Master的web UI服务端口)
HRegionServer占用16201(工作进程)和16301(Regionserver的web UI服务)
HQuorumPeer是HBase内建zookeeper进程，默认端口2181 (即zookeeper的默认配置) 。如果是独立的zookeeper，进程名是 QuorumPeerxxx ，没有第一个字母H。

启动和停止备份Master节点(backup HMaster)：
- 运行 ./bin/local-master-backup.sh start n 来启动一个备份节点，如：
```
[hbase@iZ25n0dx8rxZ hbase]# ./bin/local-master-backup.sh start 1
starting master, logging to /usr/local/hbase/bin/../logs/hbase-hbase-1-master-iZ25n0dx8rxZ.out
```
启动成功后， jps 命令可以看到总共有两个HMaster进程。
- 端口： n 用来指定占用的端口号，规则为 [默认端口号+n] ,如例子中的 ./bin/local-master-backup.sh start 1 所启动的HMaster占用16001(工作端口)和16011(web UI服务端口)，以此类推。
- web UI访问： http://ip:1601n/
- 日志：启动日志在 ./logs/hbase-[username]-n-master-[hostname].log ，在上例的日志中，可以看到这样一行日志说明该节点目前是作为备用节点：
```
master.ActiveMasterManager: Another master is the active master, iz25n0dx8rxz,16000,1469262015657; waiting to become the next active master
```
- 主节点切换：要观察HBase的Master组件主节点切换，可以使用 kill -9 PID 停止当前主节点 (即最初启动的HMaster) ，此时刚启动的备份节点将切换为主节点，可以在备份节点的日志 (./logs/hbase-[username]-1-master-[hostname].log) 中看到如下内容：
```
INFO  [iZ25n0dx8rxZ:16001.activeMasterManager] master.ActiveMasterManager: Deleting ZNode for /hbase/backup-masters/iz25n0dx8rxz,16001,1469267021567 from backup master directory
INFO  [iZ25n0dx8rxZ:16001.activeMasterManager] master.ActiveMasterManager: Registered Active Master=iz25n0dx8rxz,16001,1469267021567
```
- 停止：使用 ./bin/local-master-backup.sh stop n 来停止你的备份节点。
- 多备：可以一次启动多个backup HMaster，命令类似于 ./bin/local-master-backup.sh start x y z 。
启动和停止额外的RegionServer
- 运行额外RegionServer的方式与backup HMaster类似，启动： ./bin/local-regionservers.sh start n ，停止： ./bin/local-regionservers.sh stop n
- web UI页面：访问 http://ip:1630n/

三. 基本操作

本节介绍使用HBase shell在直接在服务器上对HBase进行基本操作，HBase shell是在(J)Ruby的IRB的基础上增加了HBase特有的命令，遵循IRB的操作。

连接： ./bin/hbase shell

[hbase@iZ25n0dx8rxZ hbase]$ ./bin/hbase shell
HBase Shell; enter 'help<RETURN>' for list of supported commands.
Type "exit<RETURN>" to leave the HBase Shell
Version 1.2.2, r3f671c1ead70d249ea4598f1bbcc5151322b3a13, Fri Jul  1 08:28:55 CDT 2016
hbase(main):001:0>

建表： create ‘test’, ‘cf1’, ‘cf2’ ，即[create ‘表名’, ‘列族名’,..]，列族名可以有多个， list 用于查看有哪些表
```
hbase(main):008:0> create 'test','cf1','cf2'
0 row(s) in 1.2280 seconds
=> Hbase::Table - test
hbase(main):009:0>
```

写数据： put ‘test’, ‘row1’, ‘cf1:c1’, ‘value1’ ，即[put ‘表名’,’行键’,’列族名:列名’,’数据’]

hbase(main):001:0> put 'test','row1','cf1:c1','value1'
0 row(s) in 0.3160 seconds
hbase(main):002:0> put 'test','row1','cf1:c1','value2'
0 row(s) in 0.3020 seconds

查看数据：

全表数据： scan ‘test’ ，即[scan ‘表名’]

hbase(main):001:0> scan 'test'
ROW                                            COLUMN+CELL                                                                                                                             
 row1                                          column=cf1:c1, timestamp=1469277197280, value=value2                                                                                    
1 row(s) in 0.2710 seconds
hbase(main):002:0>

可以看到在put时指定的属性之外，有一个 timestamp 属性来作为版本标识，我们查看全表数据时，row1的cf1:c1列中展示的值是我们后一次写入的value2，sacn和get在不指定版本时，得到的是最近版本的数据

指定行的数据： get ‘test’, ‘row1’ ，即[get ‘表名’,’行键’]

指定版本的数据：

hbase(main):005:0> get 'test','row1',{COLUMN=>'cf1:c1',TIMESTAMP=>1469277197280}
COLUMN                                         CELL                                                                                                                                    
 cf1:c1                                        timestamp=1469277197280, value=value1                                                                                                   
1 row(s) in 0.0270 seconds
hbase(main):006:0>

版本数量：每个列族有一个单独的VERSIONS属性，默认为1，可以在建表时指定： create 'test1',{NAME=>'cf1',VERSIONS=>3} ，代表该列族的每个列最多保存最近3个版本的数据，也可以通过 alter 来更新： alter 'test1',NAME=>'cf1',VERSIONS=>3 。查询数据时，可以通过设置VERSIONS来指定显示最近几个版本的数据 (最大范围不超过该列族的VERSIONS属性值) ： get 'test','row1',{COLUMN=>'cf1:c1',VERSIONS=>2}
删除数据：
- 删除指定单元格： delete ‘test’,’row1’,’cf1:c1’,1469277197280 ， 将删除指定版本以及比其更早的版本
- 删除指定行的指定列： delete ‘test’,’row1’,’cf1:c1’
- 删除整行： deleteall ‘test’,’row1’
禁用表： disable ‘test’ ，即[disable ‘表名’]，在要删除表或者变更配置时，要先禁用该表。相应的，要重新启用该表，使用[enable ‘表名’]
删除表： drop ‘test’ ，即[drop ‘表名’]
退出HBase shell: exit 或者 quit
完整的命令列表，参考 hbase-shell-commands

四. 尾声

本文简要介绍了HBase的数据模型、快速搭建基本操作环境的步骤以及基于HBase shell的HBase数据库基本操作，旨在协助想要学习HBase的朋友快速进入到对HBase的操作和使用阶段，消除陌生感和距离感。在这之后，我们可能想问，真正应用在工程上的操作HBase的方式有哪些，HBase存取数据的完整过程是怎样的，怎样去设计一个适合的表结构，等等，那么，请带着这些问题继续你的HBase之路。