HBase源码分析4—Region Balance

by yiz96 30. 1 月 2018 hbase, 数据库 0

易于水平拓展是HBase高性能的重要原因之一。但是随着数据分散到不同节点，容易出现数据倾斜的问题，使得整个集群的效率下降。本章详细讨论下HBase中负载均衡的问题。

入口

在HBase源码分析3—HMaster启动过程中提到过，在HMaster启动的最后阶段 finishActiveMasterInitialization 中，HBase会启动一些定时任务，其中就包括负责Region负载均衡的BalanceChore

// HMaster.java line:828
//initialize load balancer
this.balancer.setMasterServices(this);
this.balancer.setClusterStatus(getClusterStatusWithoutCoprocessor());
this.balancer.initialize();

// HMaster.java line:828

//initialize load balancer

this.balancer.setMasterServices(this);

this.balancer.setClusterStatus(getClusterStatusWithoutCoprocessor());

this.balancer.initialize();

而balancer对象是在 initializeZKBasedSystemTrackers 中产生的

this.balancer = LoadBalancerFactory.getLoadBalancer(conf);

1	this.balancer = LoadBalancerFactory.getLoadBalancer(conf);

HBase提供了很多种Balancer，曾经默认的叫 SimpleLoadBalancer ，现在默认的是 StochasticLoadBalancer （随机梯度……啊不是，随机负载均衡）。两种balancer的实现都在包 org.apache.hadoop.hbase.master.balancer 中。

Balance过程

BalanceChore 通过调用 HMaster.balance() 来启动balance过程。

首先函数做了一些检查，看集群是否满足做balance的条件，比如正在进行region splitting的时候就不能进行balance，有其他balance进行的时候也不能再进行balance（ this.balancer 是用 syncronized 修饰的）。

宏观上看，balance的过程主要分三步：

获取集群信息
获得每个表的balance plan
执行所有plan

plan指的是一个balance的步骤，其中保存了需要移动的region，当前所在的serverName和目的地serverName。

下面展开分析一下三个步骤。

获取集群信息

Map<TableName, Map<ServerName, List<HRegionInfo>>> assignmentsByTable =
                    this.assignmentManager.getRegionStates().getAssignmentsByTable();

1 2	Map<TableName, Map<ServerName, List<HRegionInfo>>> assignmentsByTable = this.assignmentManager.getRegionStates().getAssignmentsByTable();

assignmentManager 是一个与zk集群交互的组件，包含了一些关于node分配方面的函数。 getRegionStates() 方法返回regionStates，这个是 assignmentManager 内使用的管理region状态的一个数据结构，里面的内容跟 hbase:meta 表的内容是一致的。 getAssignmentsByTable() 返回的是以table为聚合维度的region信息，返回的结构为 Map<TableName, Map<ServerName, List<HRegionInfo>>> ，比较直观。

获得balance plan

//Give the balancer the current cluster state.
this.balancer.setClusterStatus(getClusterStatusWithoutCoprocessor());
for (Entry<TableName, Map<ServerName, List<HRegionInfo>>> e : assignmentsByTable.entrySet()) {
     List<RegionPlan> partialPlans = this.balancer.balanceCluster(e.getKey(), e.getValue());
     if (partialPlans != null) plans.addAll(partialPlans);
}

//Give the balancer the current cluster state.

this.balancer.setClusterStatus(getClusterStatusWithoutCoprocessor());

for (Entry<TableName, Map<ServerName, List<HRegionInfo>>> e : assignmentsByTable.entrySet()) {

List<RegionPlan> partialPlans = this.balancer.balanceCluster(e.getKey(), e.getValue());

if (partialPlans != null) plans.addAll(partialPlans);

}

getClusterStatusWithoutCoprocessor() 用于获取集群信息。为什么要without coprocessor以后再找机会分析下。

接下来就是对每个tabel计算它的balance plan。以默认的方案 StochasticLoadBalancer为例看下这个方案是怎么得到的。

实际调用的方法是 org.apache.hadoop.hbase.master.balancer 包中的 balanceCluster 。

step 1 balanceMasterRegions()

顾名思义就是对master上的region做平衡操作。分两种：把不该出现在master上的region换出去，把该在master上的region换回来。

这个方法的前半部分实现了“换出去”操作，对maste上的每个region判断一下，如果不必要，就随便找个region server丢了（通过生成RegionPlan实现的，这里并不做真正操作）。如何判断是否要存在master region server上呢？通过方法 shouldBeOnMaster(region)实现。这个方法会去检查regionName是否在一个“免死列表”中（ tablesOnMaster ），这个列表中默认包含 hbase:meta，如果想增加其他的region需要在配置中通过配置 hbase.balancer.tablesOnMaster 实现。

方法的后半部分实现的是“换回来”操作，会遍历所有server的所有region进行判断（还用刚才那个函数），如果该回来就生成相应的plan。

如果在这一步中，master region需要做balance，那么cluster的balance plan就不再继续生成了，这一轮就只做master region的balance。

step 2 判断是否有balance的必要

如果除了master region server之外，就剩一个Server了，那就没必要做balance了。在后面几行还有一个 needsBalance(cluster) ，用于计算当前cluster的负载是否需要做balance，具体是对 costFunctions 中的所有估价函数记性计算求和（带权重的），看是否小于某个阈值。估价函数包括：

costFunctions = new CostFunction[]{
                new RegionCountSkewCostFunction(conf),
                new PrimaryRegionCountSkewCostFunction(conf),
                new MoveCostFunction(conf),
                localityCost,
                rackLocalityCost,
                new TableSkewCostFunction(conf),
                regionReplicaHostCostFunction,
                regionReplicaRackCostFunction,
                regionLoadFunctions[0],
                regionLoadFunctions[1],
                regionLoadFunctions[2],
                regionLoadFunctions[3],
        };

costFunctions = new CostFunction[]{

new RegionCountSkewCostFunction(conf),

new PrimaryRegionCountSkewCostFunction(conf),

new MoveCostFunction(conf),

localityCost,

rackLocalityCost,

new TableSkewCostFunction(conf),

regionReplicaHostCostFunction,

regionReplicaRackCostFunction,

regionLoadFunctions[0],

regionLoadFunctions[1],

regionLoadFunctions[2],

regionLoadFunctions[3],

};

每个函数都考虑了某方面的问题，比如locality、备份复杂度等等……

step 3 生成balance方案

生成方案的流程很暴力：首先算出一个当前的负载（用needBalance里一样的方法），然后随机生成一个动作，计算操作后是不是比之前更好，如果好就保留，不行就回滚。这种随机的尝试动作有次数上限。最后将cluster的变化组合成plan返回。

执行balance plan

代码来到HMaster.java的1489行左右。之前我们已经获得了一个RegionPlan的ArrayList，下面就是要顺序执行里面的所有plan。主要代码如下：

// balance开始时间
long balanceStartTime = System.currentTimeMillis();
// balance结束时间阈值
long cutoffTime = balanceStartTime + this.maxBlancingTime;

if (plans != null && !plans.isEmpty()) {
    int balanceInterval = this.maxBlancingTime / plans.size();

    for (RegionPlan plan : plans) {
        this.assignmentManager.balance(plan);
        rpCount++;

        // 控制balance节奏
        balanceThrottling(balanceStartTime + rpCount * balanceInterval, maxRegionsInTransition,
                cutoffTime);

        // 超过cutoffTime直接结束balance
        if (rpCount < plans.size() && System.currentTimeMillis() > cutoffTime) {
            break;
        }
    }
}

// balance开始时间

long balanceStartTime = System.currentTimeMillis();

// balance结束时间阈值

long cutoffTime = balanceStartTime + this.maxBlancingTime;

if (plans != null && !plans.isEmpty()) {

int balanceInterval = this.maxBlancingTime / plans.size();

for (RegionPlan plan : plans) {

this.assignmentManager.balance(plan);

rpCount++;

// 控制balance节奏

balanceThrottling(balanceStartTime + rpCount * balanceInterval, maxRegionsInTransition,

cutoffTime);

// 超过cutoffTime直接结束balance

if (rpCount < plans.size() && System.currentTimeMillis() > cutoffTime) {

break;

}

this.assignmentManager.balance(plan) 这行进行了plan的实际执行操作，具体是（删减了无用代码）

public void balance(final RegionPlan plan) {
        HRegionInfo hri = plan.getRegionInfo();
        TableName tableName = hri.getTable();
        if (tableStateManager.isTableState(tableName, ZooKeeperProtos.Table.State.DISABLED, ZooKeeperProtos.Table.State.DISABLING)) {
            return;
        }

        String encodedName = hri.getEncodedName();
        ReentrantLock lock = locker.acquireLock(encodedName);
        try {
            if (!regionStates.isRegionOnline(hri)) {
                return;
            }
            synchronized (this.regionPlans) {
                this.regionPlans.put(plan.getRegionName(), plan);
            }
            unassign(hri, false, plan.getDestination());
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }