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数据模型

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2023-12-01

在 HBase 中，数据存储在由行列构成的二维表中。这是与一个关系数据库（RDBMS）重叠的术语，但这不是一个有用的类比。相反，将 HBase 表视为多维映射会很有帮助。

HBase 数据模型术语

表

HBase 表由多行组成。

行

HBase 中的一行由一个行键和一个或多个具有与之关联的值的列组成。在行存储时，顺序按照字母进行排序。因此，行键的设计非常重要。其目标是以相关行彼此靠近的方式存储数据。常见的行键模式是网站域名。如果您的行键是域名，则应该反向存储它们（org.apache.www，org.apache.mail，org.apache.jira）。这样，所有 Apache 域名都在表中彼此靠近，而不是基于子域名的第一个字母展开。

列

HBase 中的列由列族和列限定符组成，它们由:（冒号）字符分隔。

列族

出于性能原因，列族通常在物理上拥有一簇列及其值。每个列族都有一组存储属性，例如是否应将其值缓存在内存中，如何压缩其数据或对其行键进行编码等。表中的每一行都具有相同的列族，但给定的行可能不会在给定的列族中存储任何内容。

列限定符

列限定符将添加到列族中，以提供给定数据段的索引。给定列族content，列限定符可能是content:html，另一个可能是content:pdf。虽然列族在创建表时是固定的，但列限定符是可变的，并且行之间可能有很大差异。

单元格

单元格是行，列族和列限定符的组合，它包含一个值和一个时间戳，时间戳表示值的版本。

时间戳

时间戳与每个值一起写入，它是该值给定版本的标识符。默认情况下，时间戳表示写入数据时 RegionServer 上的时间，但是当您将数据放入单元格时，可以指定不同的时间戳值。

21.概念视角

在 Jim R. Wilson 的博客文章了解 HBase 和 BigTable 中，可以阅读一篇非常容易理解的关于HBase数据模型的解释。另一个很好的解释可以在 Amandeep Khurana 的 基本模式设计简介中找到。

阅读不同的观点可能有助于深入了解 HBase 架构设计。链接的文章与本节中的信息具有相同的基础。

以下示例是 BigTable 论文第 2 页上的一个略微修改的形式。有一个名为webtable的表包含两行（com.cnn.www和com.example.www）和三个列族，名为contents，anchor和people。在此示例中，对于第一行（com.cnn.www），anchor包含两列（anchor:cssnsi.com，anchor:my.look.ca），contents包含一列（contents:html）。此示例包含具有行键com.cnn.www的行的 5 个版本，以及具有行键com.example.www的行的一个版本。 contents:html列限定符包含给定网站的整个 HTML。 anchor列族的限定符每个都包含指向该行所代表的站点的外部站点的链接，以及它在其链接的anchor中使用的文本。 people列系列表示与该站点关联的人员。

列名

按照惯例，列名由其列族前缀和限定符组成。例如，列 contents:html 由列族contents和html限定符组成。冒号字符（:）从列族限定符中分隔列族。

表 6. Table webtable

行键时间戳ColumnFamily contentsColumnFamily anchorColumnFamily people
“com.cnn.www”T9anchor:cnnsi.com = "CNN"
"com.cnn.www"T8anchor:my.look.ca = "CNN.com"
"com.cnn.www"T6contents:html = "<html>…"
"com.cnn.www"T5contents:html = "<html>…"
"com.cnn.www"T3contents:html = "<html>…"
“com.example.www”t5contents:html = "<html>…"people:author = "John Doe"

此表中看起来为空的单元格在 HBase 中不占用空间，或实际上不存在。这就是 HBase“稀疏”的原因。表格视图不是查看 HBase 中数据的唯一方法，甚至也不是最准确的方法。以下表示与多维映射相同的信息。这只是一个出于演示目的的模型，可能并不完全准确。

{
  "com.cnn.www": {
    contents: {
      t6: contents:html: "<html>..."
      t5: contents:html: "<html>..."
      t3: contents:html: "<html>..."
    }
    anchor: {
      t9: anchor:cnnsi.com = "CNN"
      t8: anchor:my.look.ca = "CNN.com"
    }
    people: {}
  }
  "com.example.www": {
    contents: {
      t5: contents:html: "<html>..."
    }
    anchor: {}
    people: {
      t5: people:author: "John Doe"
    }
  }
}

22.物理视角

虽然在概念级别，表可以被视为一系列稀疏的行，但在物理意义上它们是按照列族存储的。可以随时将新的列限定符（column_family:column_qualifier）添加到现有列族中。

表 7. ColumnFamily webtable

Row KeyTime Stamp列族anchor
"com.cnn.www"t9anchor:cnnsi.com = "CNN"
"com.cnn.www"t8anchor:my.look.ca = "CNN.com"

表 8. ColumnFamily contents

Row KeyTime StampColumnFamily contents:
"com.cnn.www"t6contents:html = "…​"
"com.cnn.www"t5contents:html = "…​"
"com.cnn.www"t3contents:html = "…​"

概念视角中显示的空单元格不占据物理存储空间。因此，在时间戳t8处对contents:html列的值的请求将不返回任何值。类似地，在时间戳t9处对anchor:my.look.ca值的请求将不返回任何值。但是，如果未提供时间戳，则将返回特定列的最新值。给定多个版本，最新版本也是第一个版本，因为时间戳按降序存储。因此，如果没有指定时间戳，则对行com.cnn.www中所有列的值的请求将是：来自时间戳t6的contents:html的值，来自时间戳t9的anchor:cnnsi.com的值，来自时间戳t8的anchor:my.look.ca。

有关 Apache HBase 如何存储数据的内部结构的更多信息，请参见 regions.arch 。

23.命名空间

命名空间是与关系数据库系统中的数据库类似的表的逻辑分组。这种抽象为即将出现的多租户相关功能奠定了基础：

  • 配额管理（ HBASE-8410 ） - 限制命名空间可以使用的资源数量（即区域，表）。

  • 命名空间安全管理（ HBASE-9206 ） - 为租户提供另一级别的安全管理。

  • 区域服务器组（ HBASE-6721 ） - 可以将命名空间/表固定到 RegionServers 的子集上，从而保证粗粒度的隔离级别。

23.1.命名空间管理

可以创建，删除或更改命名空间。通过指定表单的完全限定表名，在表创建期间确定命名空间成员资格：

<table namespace>:<table qualifier>

例 7

#Create a namespace
create_namespace 'my_ns' 

#create my_table in my_ns namespace
create 'my_ns:my_table', 'fam' 

#drop namespace
drop_namespace 'my_ns' 

#alter namespace
alter_namespace 'my_ns', {METHOD => 'set', 'PROPERTY_NAME' => 'PROPERTY_VALUE'}

23.2.预定义的名称空间

有两个预定义的特殊命名空间：

  • hbase - 系统命名空间，用于包含 HBase 内部表
  • default - 没有明确指定名称空间的表将自动落入此名称空间

例 8

#namespace=foo and table qualifier=bar
create 'foo:bar', 'fam'

#namespace=default and table qualifier=bar
create 'bar', 'fam'

24.表

表在模式定义时预先声明。

25.行

行键是未解释的字节。行按字典顺序排序，最低顺序首先出现在表中。空字节数组用于表示表的名称空间的开始和结束。

26.列族

Apache HBase 中的列分组为列族。列族的所有列成员都具有相同的前缀。例如，列 courses:history和courses:math都是courses 列族的成员。冒号字符（:）从列族限定符中分隔列族。列族前缀必须由可打印字符组成。限定符尾部(列族限定符)可以由任意字节组成。列族必须在模式定义时预先声明，而列不需要在模式定义时定义，但可以在表启动和运行时动态变化。

从物理上讲，所有列族成员都存储在文件系统中。由于调优和存储规范是在列族级别完成的，因此建议所有列族成员具有相同的一般访问模式和大小特征。

27.单元格

{row，column，version} 元组确切地指定了 HBase 中的cell。单元格内容是未解释的字节

28.数据模型操作

四个主要的数据模型操作是 Get，Put，Scan 和 Delete。通过表实例应用操作。

28.1.Get

Get 操作返回指定行的属性。Get操作通过 Table.get 执行

28.2.Put

Put 操作添加到表中的新行（如果键是新的）或者可以更新现有行（如果键已存在）。 Puts 通过 Table.put （非 writeBuffer）或 Table.batch （非 writeBuffer）执行

28.3.Scan

Scan 允许对指定属性的多行进行迭代。

下面是对表进行扫描的示例。假设一个表填充了具有键“row1”，“row2”，“row3”的行，然后是另一组具有键“abc1”，“abc2”和“abc3”的行。以下示例将展示如何设置 Scan 实例以返回以“row”开头的行。

public static final byte[] CF = "cf".getBytes();
public static final byte[] ATTR = "attr".getBytes();
...

Table table = ...      // instantiate a Table instance

Scan scan = new Scan();
scan.addColumn(CF, ATTR);
scan.setRowPrefixFilter(Bytes.toBytes("row"));
ResultScanner rs = table.getScanner(scan);
try {
  for (Result r = rs.next(); r != null; r = rs.next()) {
    // process result...
  }
} finally {
  rs.close();  // always close the ResultScanner!
}

请注意，通常，为扫描指定特定停止点的最简单方法是使用 InclusiveStopFilter 类。

28.4.Delete

Delete 操作从表中删除一行。删除通过 Table.delete 执行。

HBase 不会修改现有数据，而是通过创建名为 tombstones 的新标记来处理删除操作。这些tombstones 标记以及删除的值在主要的压缩（major compactions）中得到了清理。

有关删除列版本的更多信息，请参阅 version.delete ，有关压缩的详细信息，请参阅compaction。

29.版本

{row，column，version} 元组确切地指定了 HBase 中的cell。可以有一个无限数量的单元格，其中行和列相同但单元格地址仅在其版本维度上有所不同。

虽然行和列键表示为字节，但版本则使用长整数（long integer）类型指定。通常这个长时间类型包含时间实例，例如java.util.Date.getTime()或System.currentTimeMillis()返回的时间实例，即：当前时间与 UTC 时间 1970 年 1 月 1 日午夜之间的差异（以毫秒为单位）。

HBase版本维度按递减顺序存储，以便在从存储文件中读取时，首先找到最近的值。

在 HBase 中，cell版本的语义存在很多混淆。特别是：

  • 如果对单元格的多次写入具有相同的版本，则只能读取最后写入的内容。

  • 可以按非增加版本顺序写入单元格。

下面我们将介绍 HBase 中的版本维度当前是如何工作的。有关 HBase 版本的讨论，请参见 HBASE-2406 。HBase 中的弯曲时间可以很好地读取 HBase 中的版本或时间维度。它提供了比这里更多的版本控制细节。

在撰写本文时，文章中提到的限制覆盖现有时间戳的值不再适用于 HBase。本节基本上是由 Bruno Dumon 撰写的概要。

29.1.指定要存储的版本数

要存储给定列的最大版本数是列模式的一部分，该值在表创建时指定，或通过alter命令，或通过HColumnDescriptor.DEFAULT_VERSIONS指定。在 HBase 0.96 之前，保留的默认版本数为3，但是在 0.96 中，更新版本已更改为1。

例 9.修改列族的最大版本数

此示例使用 HBase Shell 在列族f1中保留所有列的最多 5 个版本。您也可以使用 HColumnDescriptor 。

hbase> alter ‘t1′, NAME => ‘f1′, VERSIONS => 5

例 10.修改列族的最小版本数

您还可以指定每个列族存储的最小版本数。默认情况下，此值设置为 0，表示该功能已禁用。以下示例通过 HBase Shell 将列族f1中所有列的最小版本数设置为2。您也可以使用 HColumnDescriptor 。

hbase> alter ‘t1′, NAME => ‘f1′, MIN_VERSIONS => 2

从 HBase 0.98.2 开始，您可以通过在 hbase-site.xml 中设置hbase.column.max.version，为所有新创建的列指定的最大版本数指定全局默认值。参见 hbase.column.max.version 。

29.2.版本和 HBase 操作

在本节中，我们将查看每个HBase 核心操作的版本维度的行为。

29.2.1.Get/Scan

Get是在 Scans 之上实现的。以下对 Get 的讨论同样适用于扫描。

默认情况下，即如果未指定显式版本，则在执行get时，将返回版本具有最大值的单元格（可能是也可能不是最新编写的单元格，请参阅后面的内容）。可以通过以下方式修改默认行为：

  • 要返回多个版本，请参阅 Get.setMaxVersions（）

  • 要返回最新版本以外的其他版本，请参见 Get.setTimeRange（）

    要检索小于或等于给定值的最新版本，从而在某个时间点给出记录的“最新”状态，只需使用从 0 到所需版本的范围，并将最大版本设置为 1 。

29.2.2.默认版本的Get示例

以下 Get 将仅检索行的当前版本

public static final byte[] CF = "cf".getBytes();
public static final byte[] ATTR = "attr".getBytes();
...
Get get = new Get(Bytes.toBytes("row1"));
Result r = table.get(get);
byte[] b = r.getValue(CF, ATTR);  // returns current version of value

29.2.3.给定版本的Get示例

以下 Get 将返回该行的最后 3 个版本。

public static final byte[] CF = "cf".getBytes();
public static final byte[] ATTR = "attr".getBytes();
...
Get get = new Get(Bytes.toBytes("row1"));
get.setMaxVersions(3);  // will return last 3 versions of row
Result r = table.get(get);
byte[] b = r.getValue(CF, ATTR);  // returns current version of value
List<KeyValue> kv = r.getColumn(CF, ATTR);  // returns all versions of this column

29.2.4.Put

执行 put 总是在某个时间戳创建cell的新版本。默认情况下，系统使用服务器的currentTimeMillis，但您可以在针对每一列指定版本（=长整数）。这意味着您可以在过去或将来指定时间，或者将long值用于非时间目的。

要覆盖现有值，请在与要覆盖的单元格完全相同的行，列和版本上执行 put。

隐式版本示例

HBase 将使用当前时间隐式地对以下 Put 进行版本控制。

public static final byte[] CF = "cf".getBytes();
public static final byte[] ATTR = "attr".getBytes();
...
Put put = new Put(Bytes.toBytes(row));
put.add(CF, ATTR, Bytes.toBytes( data));
table.put(put);

显式版本示例

以下 Put 具有显式设置的版本时间戳。

public static final byte[] CF = "cf".getBytes();
public static final byte[] ATTR = "attr".getBytes();
...
Put put = new Put( Bytes.toBytes(row));
long explicitTimeInMs = 555;  // just an example
put.add(CF, ATTR, explicitTimeInMs, Bytes.toBytes(data));
table.put(put);

注意：HBase 内部使用版本时间戳来处理生存时间计算等事情。通常最好避免自己设置此时间戳。首选使用行的单独时间戳属性，或将时间戳作为行键的一部分，或两者都使用。

29.2.5.Delete

有三种不同类型的内部删除标记。请参阅 Lars Hofhansl 的博客，讨论他试图添加另一个，扫描 HBase：前缀删除标记（Scanning in HBase: Prefix Delete Marker）。

  • 删除：对于特定版本的列。

  • 删除列：适用于列的所有版本。

  • 删除系列：适用于特定 ColumnFamily 的所有列

删除整行时，HBase 将在内部为每个 ColumnFamily 创建一个tombstone（逻辑删除标记），而不是每个单独的列。

通过创建tombstone标记删除工作。例如，假设我们要删除一行。为此您可以指定版本，否则默认使用currentTimeMillis。这意味着 删除版本小于或等于此版本的所有单元格。 HBase 从不在原址修改数据，因此例如delete操作不会立即删除(或标记为已删除)存储文件中与delete条件相对应的条目。相反，标记一个tombstone标志，它将屏蔽删除的值。当HBase进行主要压缩时，将处理tombstone来实际删除值，同时删除tombstone标记。如果删除行时指定的版本大于行中任何值的版本，则删除整行。

有关删除和版本控制如何交互的信息性讨论，请参阅用户邮件列表中的思路 Put w / timestamp→Deleteall→Put w / timestamp failed 。

有关内部 KeyValue 格式的更多信息，另请参见 keyvalue 。

除非在列族中设置KEEP_DELETED_CELLS选项，否则在下一次主要压缩存储期间将清除删除标记（请参阅保留已删除的单元格。要将删除保留一段可配置的时间，可以通过 hbase-site.xml 中的 hbase.hstore.time.to.purge.deletes 属性设置删除 TTL。如果未设置hbase.hstore.time.to.purge.deletes或设置为 0，则在下一次主要压缩过程中将清除所有删除标记，包括将来具有时间戳的标记。否则，将保留具有将来时间戳的删除标记，直到在标记的时间戳加上hbase.hstore.time.to.purge.deletes的值所表示的时间之后发生的主要压缩，以毫秒为单位。

HBase 0.94中此行为表示对引入的意外更改的修复，在 HBASE-10118 中得到修复。该变更已被移植到 HBase 0.94 和更新的分支机构。

29.3.HBase-2.0.0 中的可选新版本和删除行为

在hbase-2.0.0中，操作员可以通过将列描述符属性NEW_VERSION_BEHAVIOR设置为 true 来指定备用版本和删除处理（要在列族描述符上设置属性，必须先禁用该表，然后更改列族描述符）;有关编辑列族描述符属性的示例，请参阅保留已删除单元格。

“新版本行为”撤消了下面列出的限制，即如果在同一位置，Delete操作总是屏蔽Put操作（在相同的行，列族，限定符和时间戳，而无论哪个首先到达）。版本统计也会更改，因为已删除的版本被视为总版本计数。这样做是为了确保在主要的压缩过程中不会改变结果。有关讨论请参阅HBASE-15968以及链接的问题。

目前使用这种新配置运行成本;每次比较时，我们都将计算单元MVCC分解，从而消耗更多的CPU。在测试中，我们发现性能下降在 0％到 25％之间。

如果复制，建议您使用新的串行复制特性（请参阅HBASE-9465;串行复制功能未进入hbase-2.0.0但应该在后续的 hbase-2.x 版本中发布），就像现在一样，突变到达的顺序是一个关键因素。

29.4.目前的限制

以下限制在 hbase-2.0.0 中得到解决。请参阅上面的部分，可选新版本和 HBase-2.0.0中的删除行为。

29.4.1.Deletes屏蔽Puts

Deletes操作屏蔽Puts操作，甚至Puts操作发生在Deletes操作之后。参见 HBASE-2256 。请记住，删除会写一个tombstone（逻辑删除标记），只有在下一次主要压缩运行后才会消失。假设你删除了所有内容⇐T。在此之后你运行了一个带有时间戳⇐T 的新 put。这个 put，即使它发生在删除之后，也会被删除tombstone标记屏蔽。同时执行put操作并不会失败，但是当执行get时，您会注意到put操作没有效果。在主要压缩运行后它将再次开始工作。如果您对行添加使用始终增加的版本，则这些问题不应成为问题。但即使你不关心时间，它们也会发生：只需完成删除并立刻进行put操作，它们有可能在同一毫秒内发生。

29.4.2.主压缩会更改查询结果

...在 t1，t2 和 t3 创建三个单元版本，最大版本设置为 2.因此，在获取所有版本时，仅返回 t2 和 t3 处的值。但是如果你在 t2 或 t3 删除了版本，t1 上的版本将再次出现。显然，一旦主压缩运行，这样的行为将不再存在......（参见 HBase中的弯曲时间 中的垃圾回收部分）

30.排序顺序

HBase 中所有数据模型的操作都将按照排序顺序返回数据。首先是行，然后是列族，后面是列限定符，最后是时间戳（反向排序，因此首先返回最新的时间戳）。

31.列的元数据

列族的内部 KeyValue 实例之外没有列的元数据存储。因此，尽管 HBase 不仅可以支持每行的大量列，而且还可以支持行之间的异构列，因此有必要跟踪列名。

获取列族存在的完整列集合的唯一方法是处理所有行。有关 HBase 如何在内部存储数据的更多信息，请参阅 keyvalue 。

32.Joins

HBase是否支持join操作是发行版列表上的一个常见问题，这有一个简单的答案：它不会，至少在RDBMS支持它们的方式上是这样（例如，在 SQL 中使用 equi-joins 或 outer-joins）。如本章所述，HBase 中的读取数据模型操作是 Get 和 Scan。

但是，这并不意味着您的应用程序不支持等效的连接功能，但必须自己实现。向HBase写入数据时有两种主要策略，一种是反规范化数据，另一种是在应用程序或MapReduce代码中有查找表并以此在HBase表之间进行连接（并且正如 RDBMS 所示，有几种策略可以根据大小而定这些表，例如，嵌套循环与散列连接）。那么哪种方法最好？这取决于你想要做什么，因此没有一个答案适用于每个用例。

33.ACID

参见 ACID 语义。更多的，可以参考Lars Hofhansl 写的一份关于HBase中ACID的笔记。

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