DataNode节点启动后，会基于RPC请求立即向NameNode注册自身信息，注册成功后，还会发送心跳进行保活。NameNode接受到DataNode的请求后，会在内存中维护DataNode信息，定期检测并剔除长时间未发送心跳的DataNode节点。
本章，我就来实现分布式文件系统的 DataNode节点注册与心跳 的核心逻辑。DataNode发送注册和心跳请求是基于一个名为NameNodeConnService的组件来实现的，如下图（服务注册请求）：
NameNode接受到注册/心跳请求后，会在内存中维护DataNode的信息，委托组件DataNodeManager来实现，如下图（服务心跳请求）：
一、DataNode
我们先来看DataNode侧的核心逻辑。
1.1 NameNodeConnService
DataNode启动后，会实例化一个NameNodeConnService组件，依赖它与NameNode进行通信：
/**
* DataNode启动类
*/
public class DataNode {
// 负责跟NameNode通信的组件
private NameNodeConnService connService;
private void start() {
this.connService.start();
//...
}
//...
}
我们来看NameNodeConnService，它在内部维护了一个NameNodeServiceActor组件。NameNodeConnService本质是NameNodeServiceActor的一个管理类，所有操作都委托给了NameNodeServiceActor处理：
/**
* 负责跟NameNode进行通信的组件
*/
public class NameNodeConnService {
// 负责跟NameNode主节点通信的ServiceActor组件
private NameNodeServiceActor serviceActor;
public NameNodeConnService() {
this.serviceActor = new NameNodeServiceActor();
}
public void start() {
// 节点注册
register();
// 节点心跳
heartbeat();
}
/**
* 向NameNode节点进行注册
*/
private void register() {
this.serviceActor.startRegister();
}
/**
* 开始发送心跳给NameNode
*/
private void heartbeat() {
this.serviceActor.startHeartbeat();
}
}
1.2 NameNodeConnActor
NameNodeConnActor封装了对gRPC的使用，它将作为 RPC服务调用方 向NameNode发送注册/心跳请求：
/**
* 负责跟NameNode进行通信的组件
*/
public class NameNodeConnActor {
// 我这里直接写死NameNode的信息，读者可以自己完善，从配置文件读取
private static final String NAMENODE_HOSTNAME = "localhost";
private static final Integer NAMENODE_PORT = 50070;
private NameNodeServiceGrpc.NameNodeServiceBlockingStub namenode;
public NameNodeConnActor() {
// 下面都是grpc client使用的模板代码
ManagedChannel channel = NettyChannelBuilder
.forAddress(NAMENODE_HOSTNAME, NAMENODE_PORT)
.negotiationType(NegotiationType.PLAINTEXT)
.build();
this.namenode = NameNodeServiceGrpc.newBlockingStub(channel);
}
public void startRegister() {
Thread registerThread = new RegisterThread();
registerThread.start();
try {
registerThread.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void startHeartbeat() {
new HeartbeatThread().start();
}
/**
* 负责注册的线程
*/
class RegisterThread extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
System.out.println("发送RPC请求到NameNode进行注册.......");
// 当前DataNode节点的信息，我这里直接写死了
// 大家可以自己完善，比如加载配置文件读取
String ip = "127.0.0.1";
String hostname = "dfs-datanode-01";
// RPC调用，向NameNode发送注册请求
RegisterRequest request = RegisterRequest.newBuilder()
.setIp(ip)
.setHostname(hostname)
.build();
// 调用RPC注册接口
RegisterResponse response = namenode.register(request);
System.out.println("接收到NameNode返回的注册响应：" + response.getStatus());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
/**
* 负责心跳的线程
*/
class HeartbeatThread extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
System.out.println("发送RPC请求到NameNode进行心跳.......");
// 当前DataNode节点的信息，我这里直接写死了
// 大家可以自己完善，比如加载配置文件读取
String ip = "127.0.0.1";
String hostname = "dfs-datanode-01";
// 通过RPC接口发送到NameNode他的注册接口上去
HeartbeatRequest request = HeartbeatRequest.newBuilder()
.setIp(ip)
.setHostname(hostname)
.build();
// 调用RPC心跳接口
HeartbeatResponse response = namenode.heartbeat(request);
System.out.println("接收到NameNode返回的心跳响应：" + response.getStatus());
// 每隔30秒发送一次心跳
Thread.sleep(30 * 1000);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
从上述代码可以看到，NameNodeConnActor内部包含了两个线程：
- RegisterThread：注册线程，会在DataNode启动后启用，向NameNode注册自身信息；
- HeartbeatThread：心跳线程，默认每隔30s向NameNode发送一次心跳请求。
二、NameNode
我们再来看NameNode侧的逻辑。
2.1 NameNodeRpcServer
NameNode在启动时，会创建一个组件——NameNodeRpcServer，负责RPC通信，包括接受DataNode发送过来的节点注册/心跳请求：
/**
* NameNode核心启动类
*/
public class NameNode {
// NameNode对外提供RPC服务的server，可以接受/响应请求
private NameNodeRpcServer rpcServer;
private void init() {
this.namesystem = new FSNameSystem();
this.datanodeManager = new DataNodeManager();
this.replicator = new EditLogReplicator(namesystem);
this.rpcServer = new NameNodeRpcServer(this.namesystem, this.datanodeManager, this.replicator);
}
private void start() throws Exception {
this.rpcServer.start();
this.rpcServer.blockUntilShutdown();
}
}
我们来看下NameNodeRpcServer的内部，它的start方法其实就是开启一个gPRC服务，监听指定的端口：
public class NameNodeRpcServer {
private static final int DEFAULT_PORT = 50070;
private Server server;
// 负责管理元数据的核心组件
private FSNameSystem namesystem;
// 负责管理集群中所有的datanode的组件
private DataNodeManager datanodeManager;
// 负责日志复制的组件
private EditLogReplicator editLogReplicator;
public NameNodeRpcServer(FSNameSystem namesystem, DataNodeManager datanodeManager, EditLogReplicator replicator) {
this.namesystem = namesystem;
this.datanodeManager = datanodeManager;
this.editLogReplicator = replicator;
}
public void start() throws IOException {
// 启动一个rpc server，监听指定的端口号，同时绑定好服务
server = ServerBuilder
.forPort(DEFAULT_PORT)
.addService(new NameNodeServiceImpl(namesystem, datanodeManager, editLogReplicator))
.build()
.start();
System.out.println("NameNodeRpcServer启动，监听端口号：" + DEFAULT_PORT);
// 停机钩子
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
@Override
public void run() {
NameNodeRpcServer.this.stop();
}
});
}
public void stop() {
if (server != null) {
server.shutdown();
}
}
public void blockUntilShutdown() throws InterruptedException {
if (server != null) {
server.awaitTermination();
}
}
}
我们来看关键看具体的RPC服务实现，也就是NameNodeServiceImpl类的逻辑。可以看到，NameNodeServiceImpl只是一个包装类，负责实现RPC存根接口，真正的服务注册/心跳的逻辑由DataNodeManager处理：
/**
* NameNode的RPC服务接口
*/
public class NameNodeServiceImpl extends NameNodeServiceGrpc.NameNodeServiceImplBase {
public static final Integer STATUS_SUCCESS = 1;
public static final Integer STATUS_FAILURE = 2;
public static final Integer STATUS_SHUTDOWN = 3;
// 负责管理元数据的核心组件
private FSNameSystem namesystem;
// 负责管理集群中所有的datanode的组件
private DataNodeManager datanodeManager;
// 负责日志同步的组件
private EditLogReplicator replicator;
private volatile Boolean isRunning = true;
public NameNodeServiceImpl(FSNameSystem namesystem, DataNodeManager datanodeManager,
EditLogReplicator replicator) {
this.namesystem = namesystem;
this.datanodeManager = datanodeManager;
this.replicator = replicator;
}
/**
* DataNode注册
*/
public void register(RegisterRequest request, StreamObserver<RegisterResponse> responseObserver) {
// 使用DataNodeManager组件完成DataNode注册
datanodeManager.register(request.getIp(), request.getHostname());
RegisterResponse response = RegisterResponse.newBuilder().setStatus(STATUS_SUCCESS).build();
responseObserver.onNext(response);
responseObserver.onCompleted();
}
/**
* DataNode心跳
*/
public void heartbeat(HeartbeatRequest request,
StreamObserver<HeartbeatResponse> responseObserver) {
// 使用DataNodeManager组件完成DataNode心跳
datanodeManager.heartbeat(request.getIp(), request.getHostname());
HeartbeatResponse response = HeartbeatResponse.newBuilder().setStatus(STATUS_SUCCESS).build();
responseObserver.onNext(response);
responseObserver.onCompleted();
}
//...
}
2.2 DataNodeManager
DataNodeManager，顾名思义，是NameNode用来管理DataNode的组件，它的内部通过一个ConcurrentHashMap来维护DataNodeInfo：
/**
* 负责管理集群里的所有DataNode
*/
public class DataNodeManager {
// 集群中所有的datanode
private Map<String, DataNodeInfo> datanodes = new ConcurrentHashMap<>();
public DataNodeManager() {
new DataNodeAliveMonitor().start();
}
/**
* datanode注册
*/
public Boolean register(String ip, String hostname) {
DataNodeInfo datanode = new DataNodeInfo(ip, hostname);
datanodes.put(ip + "-" + hostname, datanode);
System.out.println("DataNode注册：ip=" + ip + ",hostname=" + hostname);
return true;
}
/**
* datanode心跳
*/
public Boolean heartbeat(String ip, String hostname) {
DataNodeInfo datanode = datanodes.get(ip + "-" + hostname);
datanode.setLatestHeartbeatTime(System.currentTimeMillis());
System.out.println("DataNode发送心跳：ip=" + ip + ",hostname=" + hostname);
return true;
}
/**
* datanode是否存活的监控线程
*/
class DataNodeAliveMonitor extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
List<String> toRemoveDatanodes = new ArrayList<>();
Iterator<DataNodeInfo> datanodesIterator = datanodes.values().iterator();
DataNodeInfo datanode = null;
while (datanodesIterator.hasNext()) {
datanode = datanodesIterator.next();
// 遍历保存的DataNode节点，如果超过90秒未上送心跳，则移除
if (System.currentTimeMillis() - datanode.getLatestHeartbeatTime() > 90 * 1000) {
toRemoveDatanodes.add(datanode.getIp() + "-" + datanode.getHostname());
}
}
if (!toRemoveDatanodes.isEmpty()) {
for (String toRemoveDatanode : toRemoveDatanodes) {
datanodes.remove(toRemoveDatanode);
}
}
// 每隔30秒检测一次
Thread.sleep(30 * 1000);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
DataNodeManager构造完成后，会启动一个DataNodeAliveMonitor线程，默认每隔30秒检测一次每个DataNodeInfo的上一次心跳时间是否超过了阈值（默认90s），超过就移除掉。
DataNodeInfo是NameNode定义的DataNode信息抽象：
public class DataNodeInfo {
private String ip;
private String hostname;
private long latestHeartbeatTime = System.currentTimeMillis();
//...省略get/set
}
三、总结
本章，我对分布式文件系统的注册和心跳机制进行了讲解，并给出了代码实现。整个实现思路还是很清晰的，NameNode作为注册/心跳的RPC服务提供方，通过一个ConcurrentHashMap维护DataNode的信息，读者可以参考我上传的源码进行理解和完善。
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