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Apache BookKeeper是一款企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，最初由雅虎研究院研發(fā)，在2011年作為Apache ZooKeeper的子項(xiàng)目進(jìn)行孵化，在2015年1月成為 Apache頂級(jí)項(xiàng)目。

起初，BookKeeper是一個(gè)預(yù)寫(xiě)日志(WAL)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，BookKeeper的功能更加完善，比如為Hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)的NameNode提供高可用和多副本，為消息系統(tǒng)比Pulsar提供存儲(chǔ)服務(wù)，為多個(gè)數(shù)據(jù)中心提供跨機(jī)器復(fù)制。

1 使用場(chǎng)景

BookKeeper最初的一個(gè)使用場(chǎng)景是為HDFS的NameNode保存edit log，如下圖：

ZKFC是一個(gè)Zookeeper的客戶端，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)和管理NameNode狀態(tài)，每個(gè)NameNode機(jī)器上都會(huì)運(yùn)行一個(gè)ZKFC，它的職責(zé)主要有三個(gè)：
健康檢查
Zookeeper會(huì)話管理
選舉，當(dāng)集群中一個(gè)Active NameNode宕機(jī)，Zookeeper會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為新的Active NameNode。

BookKeeper記錄NameNode的edit log(edit log存放文件系統(tǒng)的操作日志)，NameNode的所有修改都會(huì)記錄到BookKeeper。這樣active NameNode宕機(jī)后，BookKeeper用保存的edit log去standby NameNode做回放，之后切換成active NameNode。

BookKeeper具有如下特性：

一致性：因?yàn)閑dit log保存的是HDFS的元數(shù)據(jù)，對(duì)一致性要求很高
低延遲：為了不丟數(shù)據(jù)，需要低延遲
高吞吐：為了支持更多的NameNode節(jié)點(diǎn)，需要高吞吐

2 節(jié)點(diǎn)對(duì)等

Bookie中保存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖：

writer寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，把entry并發(fā)寫(xiě)入多個(gè)bookie節(jié)點(diǎn)的Ledger。這類(lèi)似于文件系統(tǒng)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)首先會(huì)打開(kāi)一個(gè)文件，如果文件不存在，則會(huì)創(chuàng)建文件元數(shù)據(jù)。

Ledger也就是Pulsar中的segment。

writer寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，首先會(huì)打開(kāi)一個(gè)新Ledger，函數(shù)如下：

openLedger(組內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、數(shù)據(jù)備份數(shù)目、等待刷盤(pán)節(jié)點(diǎn)數(shù)目)

比如(5,3,2)代表組內(nèi)共有5個(gè)Bookie節(jié)點(diǎn)，寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)需要寫(xiě)入3個(gè)節(jié)點(diǎn)，有2個(gè)節(jié)點(diǎn)返回成功代表寫(xiě)入成功。

這樣寫(xiě)入的這3個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)完全一樣，關(guān)系是對(duì)等的，不存在主從關(guān)系。

2.1 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)

BookKeeper數(shù)據(jù)讀寫(xiě)如下圖：

writer以roundrobin的方式寫(xiě)入bookie，比如在上圖中，第一條數(shù)據(jù)寫(xiě)入Bookie1、Bookie2和Bookie3，第二條數(shù)據(jù)寫(xiě)入Bookie2、Bookie3、Bookie4，第三條數(shù)據(jù)寫(xiě)入Bookie3、Bookie4、Bookie5，第四條數(shù)據(jù)寫(xiě)入Bookie4、Bookie5和Bookie1。

在打開(kāi)一個(gè)Ledger時(shí)，就傳入了bookie數(shù)量，這樣在寫(xiě)每個(gè)entry時(shí)，就用entry的id跟bookie數(shù)量取模，來(lái)確定寫(xiě)到哪幾個(gè)bookie上。比如第3條消息跟5取模是3，就寫(xiě)到Bookie3、Bookie4和Bookie5。

這樣以輪詢的方式將Ledger數(shù)據(jù)寫(xiě)入各個(gè)bookie節(jié)點(diǎn)，每個(gè)bookie節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)是均衡的，每個(gè)bookie節(jié)點(diǎn)的磁盤(pán)帶寬和網(wǎng)卡帶寬都能得到充分利用。

2.2 讀高可用

Reader在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，可以讀取多份數(shù)據(jù)中的任意一份數(shù)據(jù)。BookKeeper會(huì)設(shè)置一個(gè)讀超時(shí)時(shí)間，如果讀取超時(shí)了，會(huì)給另外一個(gè)bookie節(jié)點(diǎn)(speculative read)發(fā)送讀請(qǐng)求。

2.3 寫(xiě)高可用

如果某個(gè)bookie節(jié)點(diǎn)(比如bookie5)發(fā)生故障不能寫(xiě)入了，BookKeeper會(huì)做如下處理：

記錄出錯(cuò)的entry id
對(duì)故障節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝
關(guān)閉當(dāng)前的Ledger，重新打開(kāi)一個(gè)新的Ledger，這個(gè)Ledger會(huì)重新選擇bookie節(jié)點(diǎn)，1、2、3、4、6。
如果bookie5恢復(fù)，就不再提供寫(xiě)服務(wù)了，只提供讀服務(wù)。
如果不能恢復(fù)，就把bookie5的數(shù)據(jù)，從其他節(jié)點(diǎn)的備份中恢復(fù)到新的節(jié)點(diǎn)上，這個(gè)過(guò)程需要根據(jù)Ledger id跟5取模來(lái)判斷是否落到bookie5上，數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程并不影響Reader，因?yàn)槠渌麅煞輸?shù)據(jù)可以繼續(xù)提供服務(wù)。

3 I/O模型

BookKeeper的I/O模型如下圖，這個(gè)圖是單個(gè)bookie的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)：

整個(gè)流程入下：

Writer寫(xiě)入的數(shù)據(jù)首先到達(dá)Journal，Journal將數(shù)據(jù)進(jìn)行g(shù)roup后刷到到Journal盤(pán)，這個(gè)刷盤(pán)的數(shù)據(jù)順序跟writer寫(xiě)入順序一致。

Writer寫(xiě)入Journal Disk是實(shí)時(shí)刷盤(pán)。

Journal Disk的數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)入memory table進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，把同一個(gè)topic的數(shù)據(jù)整理到一起。
把整理好的數(shù)據(jù)刷盤(pán)。Index Disk保存entry的index，對(duì)應(yīng)entry在Logger Disks的offset。

3.1 讀寫(xiě)分離

讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先從Memory Cache中讀取數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)不存在，才會(huì)去Index Disk和Logger Disk讀取數(shù)據(jù)。而寫(xiě)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)落盤(pán)到Journal Disk，這樣實(shí)現(xiàn)了讀寫(xiě)隔離。