HBase性能優化方法總結

1. 表的設計

1.1 Pre-Creating Regions

默認情況下，在創建HBase表的時候會自動創建一個region分區，當導入數據的時候，所有的HBase客戶端都向這一個region寫數據，直到這個region足夠大了才進行切分。一種可以加快批量寫入速度的方法是通過預先創建一些空的regions，這樣當數據寫入HBase時，會按照region分區情況，在集群內做數據的負載均衡。

有關預分區，詳情參見：Table Creation: Pre-Creating Regions，下面是一個例子：

public static boolean createTable(HBaseAdmin admin, HTableDescriptor table, byte[][] splits)
throws IOException {
  try {
    admin.createTable(table, splits);
    return true;
  } catch (TableExistsException e) {
    logger.info("table " + table.getNameAsString() + " already exists");
    // the table already exists...
    return false;  
  }
}

public static byte[][] getHexSplits(String startKey, String endKey, int numRegions) {
  byte[][] splits = new byte[numRegions-1][];
  BigInteger lowestKey = new BigInteger(startKey, 16);
  BigInteger highestKey = new BigInteger(endKey, 16);
  BigInteger range = highestKey.subtract(lowestKey);
  BigInteger regionIncrement = range.divide(BigInteger.valueOf(numRegions));
  lowestKey = lowestKey.add(regionIncrement);
  for(int i=0; i < numRegions-1;i++) {
    BigInteger key = lowestKey.add(regionIncrement.multiply(BigInteger.valueOf(i)));
    byte[] b = String.format("%016x", key).getBytes();
    splits[i] = b;
  }
  return splits;
}

1.2 Row Key

HBase中row key用來檢索表中的記錄，支持以下三種方式：

• 通過單個row key訪問：即按照某個row key鍵值進行get操作；
• 通過row key的range進行scan：即通過設置startRowKey和endRowKey，在這個范圍內進行掃描；
• 全表掃描：即直接掃描整張表中所有行記錄。

在HBase中，row key可以是任意字符串，最大長度64KB，實際應用中一般為10~100bytes，存為byte[]字節數組，一般設計成定長的。

row key是按照字典序存儲，因此，設計row key時，要充分利用這個排序特點，將經常一起讀取的數據存儲到一塊，將最近可能會被訪問的數據放在一塊。

舉個例子：如果最近寫入HBase表中的數據是最可能被訪問的，可以考慮將時間戳作為row key的一部分，由於是字典序排序，所以可以使用Long.MAX_VALUE - timestamp作為row key，這樣能保證新寫入的數據在讀取時可以被快速命中。

1.3 Column Family

不要在一張表里定義太多的column family。目前Hbase並不能很好的處理超過2~3個column family的表。因為某個column family在flush的時候，它鄰近的column family也會因關聯效應被觸發flush，最終導致系統產生更多的I/O。感興趣的同學可以對自己的HBase集群進行實際測試，從得到的測試結果數據驗證一下。

1.4 In Memory

創建表的時候，可以通過HColumnDescriptor.setInMemory(true)將表放到RegionServer的緩存中，保證在讀取的時候被cache命中。

1.5 Max Version

創建表的時候，可以通過HColumnDescriptor.setMaxVersions(int maxVersions)設置表中數據的最大版本，如果只需要保存最新版本的數據，那么可以設置setMaxVersions(1)。

1.6 Time To Live

創建表的時候，可以通過HColumnDescriptor.setTimeToLive(int timeToLive)設置表中數據的存儲生命期，過期數據將自動被刪除，例如如果只需要存儲最近兩天的數據，那么可以設置setTimeToLive(2 * 24 * 60 * 60)。

1.7 Compact & Split

在HBase中，數據在更新時首先寫入WAL 日志(HLog)和內存(MemStore)中，MemStore中的數據是排序的，當MemStore累計到一定閾值時，就會創建一個新的MemStore，並且將老的MemStore添加到flush隊列，由單獨的線程flush到磁盤上，成為一個StoreFile。於此同時， 系統會在zookeeper中記錄一個redo point，表示這個時刻之前的變更已經持久化了(minor compact)。

StoreFile是只讀的，一旦創建后就不可以再修改。因此Hbase的更新其實是不斷追加的操作。當一個Store中的StoreFile達到一定的閾值后，就會進行一次合並(major compact)，將對同一個key的修改合並到一起，形成一個大的StoreFile，當StoreFile的大小達到一定閾值后，又會對 StoreFile進行分割(split)，等分為兩個StoreFile。

由於對表的更新是不斷追加的，處理讀請求時，需要訪問Store中全部的StoreFile和MemStore，將它們按照row key進行合並，由於StoreFile和MemStore都是經過排序的，並且StoreFile帶有內存中索引，通常合並過程還是比較快的。

實際應用中，可以考慮必要時手動進行major compact，將同一個row key的修改進行合並形成一個大的StoreFile。同時，可以將StoreFile設置大些，減少split的發生。

2. 寫表操作

2.1 多HTable並發寫

創建多個HTable客戶端用於寫操作，提高寫數據的吞吐量，一個例子：

static final Configuration conf = HBaseConfiguration.create();
static final String table_log_name = “user_log”;
wTableLog = new HTable[tableN];
for (int i = 0; i < tableN; i++) {
    wTableLog[i] = new HTable(conf, table_log_name);
    wTableLog[i].setWriteBufferSize(5 * 1024 * 1024); //5MB
    wTableLog[i].setAutoFlush(false);
}

2.2 HTable參數設置

2.2.1 Auto Flush

通過調用HTable.setAutoFlush(false)方法可以將HTable寫客戶端的自動flush關閉，這樣可以批量寫入數據到HBase，而不是有一條put就執行一次更新，只有當put填滿客戶端寫緩存時，才實際向HBase服務端發起寫請求。默認情況下auto flush是開啟的。

2.2.2 Write Buffer

通過調用HTable.setWriteBufferSize(writeBufferSize)方法可以設置HTable客戶端的寫buffer大小，如果新設置的buffer小於當前寫buffer中的數據時，buffer將會被flush到服務端。其中，writeBufferSize的單位是byte字節數，可以根據實際寫入數據量的多少來設置該值。

2.2.3 WAL Flag

在HBae中，客戶端向集群中的RegionServer提交數據時（Put/Delete操作），首先會先寫WAL（Write Ahead Log）日志（即HLog，一個RegionServer上的所有Region共享一個HLog），只有當WAL日志寫成功后，再接着寫MemStore，然后客戶端被通知提交數據成功；如果寫WAL日志失敗，客戶端則被通知提交失敗。這樣做的好處是可以做到RegionServer宕機后的數據恢復。

因此，對於相對不太重要的數據，可以在Put/Delete操作時，通過調用Put.setWriteToWAL(false)或Delete.setWriteToWAL(false)函數，放棄寫WAL日志，從而提高數據寫入的性能。

值得注意的是：謹慎選擇關閉WAL日志，因為這樣的話，一旦RegionServer宕機，Put/Delete的數據將會無法根據WAL日志進行恢復。

2.3 批量寫

通過調用HTable.put(Put)方法可以將一個指定的row key記錄寫入HBase，同樣HBase提供了另一個方法：通過調用HTable.put(List<Put>)方法可以將指定的row key列表，批量寫入多行記錄，這樣做的好處是批量執行，只需要一次網絡I/O開銷，這對於對數據實時性要求高，網絡傳輸RTT高的情景下可能帶來明顯的性能提升。

2.4 多線程並發寫

在客戶端開啟多個HTable寫線程，每個寫線程負責一個HTable對象的flush操作，這樣結合定時flush和寫buffer（writeBufferSize），可以既保證在數據量小的時候，數據可以在較短時間內被flush（如1秒內），同時又保證在數據量大的時候，寫buffer一滿就及時進行flush。下面給個具體的例子：

for (int i = 0; i < threadN; i++) {
    Thread th = new Thread() {
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    sleep(1000); //1 second
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
synchronized (wTableLog[i]) {
                    try {
                        wTableLog[i].flushCommits();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
}
    };
    th.setDaemon(true);
    th.start();
}

3. 讀表操作

3.1 多HTable並發讀

創建多個HTable客戶端用於讀操作，提高讀數據的吞吐量，一個例子：

static final Configuration conf = HBaseConfiguration.create();
static final String table_log_name = “user_log”;
rTableLog = new HTable[tableN];
for (int i = 0; i < tableN; i++) {
    rTableLog[i] = new HTable(conf, table_log_name);
    rTableLog[i].setScannerCaching(50);
}

3.2 HTable參數設置

3.2.1 Scanner Caching

hbase.client.scanner.caching配置項可以設置HBase scanner一次從服務端抓取的數據條數，默認情況下一次一條。通過將其設置成一個合理的值，可以減少scan過程中next()的時間開銷，代價是scanner需要通過客戶端的內存來維持這些被cache的行記錄。

有三個地方可以進行配置：1）在HBase的conf配置文件中進行配置；2）通過調用HTable.setScannerCaching(int scannerCaching)進行配置；3）通過調用Scan.setCaching(int caching)進行配置。三者的優先級越來越高。

3.2.2 Scan Attribute Selection

scan時指定需要的Column Family，可以減少網絡傳輸數據量，否則默認scan操作會返回整行所有Column Family的數據。

3.2.3 Close ResultScanner

通過scan取完數據后，記得要關閉ResultScanner，否則RegionServer可能會出現問題（對應的Server資源無法釋放）。

3.3 批量讀

通過調用HTable.get(Get)方法可以根據一個指定的row key獲取一行記錄，同樣HBase提供了另一個方法：通過調用HTable.get(List<Get>)方法可以根據一個指定的row key列表，批量獲取多行記錄，這樣做的好處是批量執行，只需要一次網絡I/O開銷，這對於對數據實時性要求高而且網絡傳輸RTT高的情景下可能帶來明顯的性能提升。

3.4 多線程並發讀

在客戶端開啟多個HTable讀線程，每個讀線程負責通過HTable對象進行get操作。下面是一個多線程並發讀取HBase，獲取店鋪一天內各分鍾PV值的例子：

public class DataReaderServer {
     //獲取店鋪一天內各分鍾PV值的入口函數
     public static ConcurrentHashMap<String, String> getUnitMinutePV(long uid, long startStamp, long endStamp){
         long min = startStamp;
         int count = (int)((endStamp - startStamp) / (60*1000));
         List<String> lst = new ArrayList<String>();
         for (int i = 0; i <= count; i++) {
            min = startStamp + i * 60 * 1000;
            lst.add(uid + "_" + min);
         }
         return parallelBatchMinutePV(lst);
     }
      //多線程並發查詢，獲取分鍾PV值
private static ConcurrentHashMap<String, String> parallelBatchMinutePV(List<String> lstKeys){
        ConcurrentHashMap<String, String> hashRet = new ConcurrentHashMap<String, String>();
        int parallel = 3;
        List<List<String>> lstBatchKeys  = null;
        if (lstKeys.size() < parallel ){
            lstBatchKeys  = new ArrayList<List<String>>(1);
            lstBatchKeys.add(lstKeys);
        }
        else{
            lstBatchKeys  = new ArrayList<List<String>>(parallel);
            for(int i = 0; i < parallel; i++  ){
                List<String> lst = new ArrayList<String>();
                lstBatchKeys.add(lst);
            }

            for(int i = 0 ; i < lstKeys.size() ; i ++ ){
                lstBatchKeys.get(i%parallel).add(lstKeys.get(i));
            }
        }
        
        List<Future< ConcurrentHashMap<String, String> >> futures = new ArrayList<Future< ConcurrentHashMap<String, String> >>(5);
        
        ThreadFactoryBuilder builder = new ThreadFactoryBuilder();
        builder.setNameFormat("ParallelBatchQuery");
        ThreadFactory factory = builder.build();
        ThreadPoolExecutor executor = (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(lstBatchKeys.size(), factory);
        
        for(List<String> keys : lstBatchKeys){
            Callable< ConcurrentHashMap<String, String> > callable = new BatchMinutePVCallable(keys);
            FutureTask< ConcurrentHashMap<String, String> > future = (FutureTask< ConcurrentHashMap<String, String> >) executor.submit(callable);
            futures.add(future);
        }
        executor.shutdown();
        
        // Wait for all the tasks to finish
        try {
          boolean stillRunning = !executor.awaitTermination(
              5000000, TimeUnit.MILLISECONDS);
          if (stillRunning) {
            try {
                executor.shutdownNow();
            } catch (Exception e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
          }
        } catch (InterruptedException e) {
          try {
              Thread.currentThread().interrupt();
          } catch (Exception e1) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e1.printStackTrace();
          }
        }
        
        // Look for any exception
        for (Future f : futures) {
          try {
              if(f.get() != null)
              {
                  hashRet.putAll((ConcurrentHashMap<String, String>)f.get());
              }
          } catch (InterruptedException e) {
            try {
                 Thread.currentThread().interrupt();
            } catch (Exception e1) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e1.printStackTrace();
            }
          } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
          }
        }
        
        return hashRet;
    }
     //一個線程批量查詢，獲取分鍾PV值
    protected static ConcurrentHashMap<String, String> getBatchMinutePV(List<String> lstKeys){
        ConcurrentHashMap<String, String> hashRet = null;
        List<Get> lstGet = new ArrayList<Get>();
        String[] splitValue = null;
        for (String s : lstKeys) {
            splitValue = s.split("_");
            long uid = Long.parseLong(splitValue[0]);
            long min = Long.parseLong(splitValue[1]);
            byte[] key = new byte[16];
            Bytes.putLong(key, 0, uid);
            Bytes.putLong(key, 8, min);
            Get g = new Get(key);
            g.addFamily(fp);
            lstGet.add(g);
        }
        Result[] res = null;
        try {
            res = tableMinutePV[rand.nextInt(tableN)].get(lstGet);
        } catch (IOException e1) {
            logger.error("tableMinutePV exception, e=" + e1.getStackTrace());
        }

        if (res != null && res.length > 0) {
            hashRet = new ConcurrentHashMap<String, String>(res.length);
            for (Result re : res) {
                if (re != null && !re.isEmpty()) {
                    try {
                        byte[] key = re.getRow();
                        byte[] value = re.getValue(fp, cp);
                        if (key != null && value != null) {
                            hashRet.put(String.valueOf(Bytes.toLong(key,
                                    Bytes.SIZEOF_LONG)), String.valueOf(Bytes
                                    .toLong(value)));
                        }
                    } catch (Exception e2) {
                        logger.error(e2.getStackTrace());
                    }
                }
            }
        }

        return hashRet;
    }
}
//調用接口類，實現Callable接口
class BatchMinutePVCallable implements Callable<ConcurrentHashMap<String, String>>{
     private List<String> keys;

     public BatchMinutePVCallable(List<String> lstKeys ) {
         this.keys = lstKeys;
     }

     public ConcurrentHashMap<String, String> call() throws Exception {
         return DataReadServer.getBatchMinutePV(keys);
     }
}

3.5 緩存查詢結果

對於頻繁查詢HBase的應用場景，可以考慮在應用程序中做緩存，當有新的查詢請求時，首先在緩存中查找，如果存在則直接返回，不再查詢HBase；否則對HBase發起讀請求查詢，然后在應用程序中將查詢結果緩存起來。至於緩存的替換策略，可以考慮LRU等常用的策略。

3.6 Blockcache

HBase上Regionserver的內存分為兩個部分，一部分作為Memstore，主要用來寫；另外一部分作為BlockCache，主要用於讀。

寫請求會先寫入Memstore，Regionserver會給每個region提供一個Memstore，當Memstore滿64MB以后，會啟動 flush刷新到磁盤。當Memstore的總大小超過限制時（heapsize * hbase.regionserver.global.memstore.upperLimit * 0.9），會強行啟動flush進程，從最大的Memstore開始flush直到低於限制。

讀請求先到Memstore中查數據，查不到就到BlockCache中查，再查不到就會到磁盤上讀，並把讀的結果放入BlockCache。由於BlockCache采用的是LRU策略，因此BlockCache達到上限(heapsize * hfile.block.cache.size * 0.85)后，會啟動淘汰機制，淘汰掉最老的一批數據。

一個Regionserver上有一個BlockCache和N個Memstore，它們的大小之和不能大於等於heapsize * 0.8，否則HBase不能啟動。默認BlockCache為0.2，而Memstore為0.4。對於注重讀響應時間的系統，可以將 BlockCache設大些，比如設置BlockCache=0.4，Memstore=0.39，以加大緩存的命中率。

有關BlockCache機制，請參考這里：HBase的Block cache，HBase的blockcache機制，hbase中的緩存的計算與使用。