Hadoop源码分析之读文件时NameNode和DataNode的处理过程

从NameNode节点获取数据块所在节点等信息

客户端在和数据节点建立流式接口的TCP连接，读取文件数据前需要定位数据的位置，所以首先客户端在DFSClient.callGetBlockLocations()方法中调用了远程方法ClientProtocol.getBlockLocations()，调用该方法返回一个LocatedBlocks对象，包含了一系列的LocatedBlock实例，通过这些信息客户端就知道需要到哪些数据节点上去获取数据。这个方法会在NameNode.getBlockLocations()中调用，进而调用FSNamesystem.同名的来进行实际的调用过程，FSNamesystem有三个重载方法，代码如下：

LocatedBlocks getBlockLocations(String clientMachine, String src,      long offset, long length) throws IOException {    LocatedBlocks blocks = getBlockLocations(src, offset, length, true, true,        true);    if (blocks != null) {//如果blocks不为空，那么就对数据块所在的数据节点进行排序      //sort the blocks      // In some deployment cases, cluster is with separation of task tracker       // and datanode which means client machines will not always be recognized       // as known data nodes, so here we should try to get node (but not       // datanode only) for locality based sort.      Node client = host2DataNodeMap.getDatanodeByHost(          clientMachine);      if (client == null) {        List<String> hosts = new ArrayList<String> (1);        hosts.add(clientMachine);        String rName = dnsToSwitchMapping.resolve(hosts).get(0);        if (rName != null)          client = new NodeBase(clientMachine, rName);      }         DFSUtil.StaleComparator comparator = null;      if (avoidStaleDataNodesForRead) {        comparator = new DFSUtil.StaleComparator(staleInterval);      }      // Note: the last block is also included and sorted      for (LocatedBlock b : blocks.getLocatedBlocks()) {        clusterMap.pseudoSortByDistance(client, b.getLocations());        if (avoidStaleDataNodesForRead) {          Arrays.sort(b.getLocations(), comparator);        }      }    }    return blocks;  }  /**   * Get block locations within the specified range.   * @see ClientProtocol#getBlockLocations(String, long, long)   */  public LocatedBlocks getBlockLocations(String src, long offset, long length      ) throws IOException {    return getBlockLocations(src, offset, length, false, true, true);  }  /**   * Get block locations within the specified range.   * @see ClientProtocol#getBlockLocations(String, long, long)   */  public LocatedBlocks getBlockLocations(String src, long offset, long length,      boolean doAccessTime, boolean needBlockToken, boolean checkSafeMode)      throws IOException {    if (isPermissionEnabled) {//读权限检查      FSPermissionChecker pc = getPermissionChecker();      checkPathAccess(pc, src, FsAction.READ);    }    if (offset < 0) {      throw new IOException("Negative offset is not supported. File: " + src );    }    if (length < 0) {      throw new IOException("Negative length is not supported. File: " + src );    }    final LocatedBlocks ret = getBlockLocationsInternal(src,         offset, length, Integer.MAX_VALUE, doAccessTime, needBlockToken);      if (auditLog.isInfoEnabled() && isExternalInvocation()) {      logAuditEvent(UserGroupInformation.getCurrentUser(),                    Server.getRemoteIp(),                    "open", src, null, null);    }    if (checkSafeMode && isInSafeMode()) {      for (LocatedBlock b : ret.getLocatedBlocks()) {        // if safemode & no block locations yet then throw safemodeException        if ((b.getLocations() == null) || (b.getLocations().length == 0)) {          throw new SafeModeException("Zero blocklocations for " + src,              safeMode);        }      }    }    return ret;  }

从上面的代码可以看出，前两个方法都是调用了第三个重载方法，第二个方法获取到数据块之后，还会根据客户端和获取到的节点列表进行”排序”，“排序”调用的方法是：

public void pseudoSortByDistance( Node reader, Node[] nodes ) {    int tempIndex = 0;    if (reader != null ) {      int localRackNode = -1;      //scan the array to find the local node & local rack node      for(int i=0; i<nodes.length; i++) {//遍历nodes，看reader是否在nodes中        if(tempIndex == 0 && reader == nodes[i]) { //local node          //swap the local node and the node at position 0            //第i个数据节点与客户端是一台机器          if( i != 0 ) {            swap(nodes, tempIndex, i);          }          tempIndex=1;          if(localRackNode != -1 ) {            if(localRackNode == 0) {//localRackNode==0表示在没有交换之前，第0个节点是                //与reader位于同一机架上的节点，现在交换了，那么第i个就是与reader在同一机架上的节点              localRackNode = i;            }            break;//第0个是reader节点，第i个是与reader在同一机架上的节点，那么剩下的节点就一定在这个机架上，跳出循环          }        } else if(localRackNode == -1 && isOnSameRack(reader, nodes[i])) {          //local rack，节点i和Reader在同一个机架上          localRackNode = i;          if(tempIndex != 0 ) break;//tempIndex ！= 0表示reader在nodes中        }      }      //如果reader在nodes中，那么tempIndex==1，否则tempIndex = 0，如果localRackNode ！= 1，那么localRackNode节点就      //是与reader位于同一机架上的节点，交换localRackNode到tempIndex，这样如果reader在nodes中，localRackNode与reader      //在同一个机架上，那么第0个就是reader节点，第1个就是localRackNode节点，如果reader不在nodes中，      //localRackNode与reader在同一个机架上，那么第0个就是localRackNode节点，否则就随机找一个      if(localRackNode != -1 && localRackNode != tempIndex ) {        swap(nodes, tempIndex, localRackNode);        tempIndex++;      }    }    //tempIndex == 0，则在nodes中既没有reader，也没有与reader在同一机架上的节点    if(tempIndex == 0 && nodes.length != 0) {      swap(nodes, 0, r.nextInt(nodes.length));    }  }

“排序”的规则是如果reader节点在nodes节点列表中，那么将reader放在nodes的第0个位置，如果在nodes中有与reader在同一机架上的节点localRackNode，那么就将localRackNode节点放在reader后面（如果reader不在nodes中，可以将reader视作在nodes的第-1个位置），如果也不存在与reader在同一机架上的节点，那么就在nodes中随机选择一个节点放在第0个位置。
在FSNamesystem.getBlockLocations()的第三个重载方法中，调用了FSNamesystem.getBlockLocationsInternal()方法来具体处理充NameNode节点的目录树中到文件所对应的数据块，这个方法代码如下：

private synchronized LocatedBlocks getBlockLocationsInternal(String src,                                                       long offset,                                                        long length,                                                       int nrBlocksToReturn,                                                       boolean doAccessTime,                                                        boolean needBlockToken)                                                       throws IOException {      //获取src路径上最后一个节点即文件节点    INodeFile inode = dir.getFileINode(src);    if(inode == null) {      return null;    }    if (doAccessTime && isAccessTimeSupported()) {        //修改最后访问时间      dir.setTimes(src, inode, -1, now(), false);    }    //返回文件的数据块    Block[] blocks = inode.getBlocks();    if (blocks == null) {      return null;    }    if (blocks.length == 0) {//节点为空      return inode.createLocatedBlocks(new ArrayList<LocatedBlock>(blocks.length));    }    //下面开始遍历所有该文件的所有数据块，直到到达offset所在的数据块    List<LocatedBlock> results;    results = new ArrayList<LocatedBlock>(blocks.length);    int curBlk = 0;    long curPos = 0, blkSize = 0;    //数据块的个数    int nrBlocks = (blocks[0].getNumBytes() == 0) ? 0 : blocks.length;    for (curBlk = 0; curBlk < nrBlocks; curBlk++) {      blkSize = blocks[curBlk].getNumBytes();      assert blkSize > 0 : "Block of size 0";      if (curPos + blkSize > offset) {//如果curPos + blkSize > offset则遍历到了offset所在的数据块        break;      }      curPos += blkSize;    }    //curBlk == nrBlocks说明offset超过了文件的长度    if (nrBlocks > 0 && curBlk == nrBlocks)   // offset >= end of file      return null;    //找到了offset所在的数据块    long endOff = offset + length;    //下面对于每一个curBlk和其后的每个数据块，先获取其副本，然后检查该副本是否已经损坏，如果是部分损坏，则过滤掉其余的损坏的副本    //将正常的副本加入到machineSet中，返回，如果所有的副本都损坏，则将所有的副本都加入这个数据块对应的machineSet中，再对    //machineSet构造LocatedBlock对象    do {      // get block locations，获取数据块所在的数据节点      int numNodes = blocksMap.numNodes(blocks[curBlk]);//有numNodes个数据节点保存这个数据块      int numCorruptNodes = countNodes(blocks[curBlk]).corruptReplicas();//损坏的副本数量      int numCorruptReplicas = corruptReplicas.numCorruptReplicas(blocks[curBlk]);       if (numCorruptNodes != numCorruptReplicas) {        LOG.warn("Inconsistent number of corrupt replicas for " +             blocks[curBlk] + "blockMap has " + numCorruptNodes +             " but corrupt replicas map has " + numCorruptReplicas);      }      DatanodeDescriptor[] machineSet = null;      boolean blockCorrupt = false;      if (inode.isUnderConstruction() && curBlk == blocks.length - 1          && blocksMap.numNodes(blocks[curBlk]) == 0) {//最后一个副本处于构建状态，不用检查是否有损坏的副本        // get unfinished block locations        INodeFileUnderConstruction cons = (INodeFileUnderConstruction)inode;        machineSet = cons.getTargets();        blockCorrupt = false;      } else {        blockCorrupt = (numCorruptNodes == numNodes);//数据块的所有副本是否都已经损坏        int numMachineSet = blockCorrupt ? numNodes :                             (numNodes - numCorruptNodes);//未损坏的副本数量        machineSet = new DatanodeDescriptor[numMachineSet];        if (numMachineSet > 0) {          numNodes = 0;          for(Iterator<DatanodeDescriptor> it =               blocksMap.nodeIterator(blocks[curBlk]); it.hasNext();) {//遍历所有副本            DatanodeDescriptor dn = it.next();            boolean replicaCorrupt = corruptReplicas.isReplicaCorrupt(blocks[curBlk], dn);            if (blockCorrupt || (!blockCorrupt && !replicaCorrupt))//数据块已经损坏或者部分副本损坏              machineSet[numNodes++] = dn;          }        }      }      LocatedBlock b = new LocatedBlock(blocks[curBlk], machineSet, curPos,          blockCorrupt);      if(isAccessTokenEnabled && needBlockToken) {        b.setBlockToken(accessTokenHandler.generateToken(b.getBlock(),             EnumSet.of(BlockTokenSecretManager.AccessMode.READ)));      }      results.add(b);       curPos += blocks[curBlk].getNumBytes();      curBlk++;    } while (curPos < endOff           && curBlk < blocks.length           && results.size() < nrBlocksToReturn);    return inode.createLocatedBlocks(results);  }

这个方法比较长，首先是执行INodeFile inode = dir.getFileINode(src);这行代码获取src路径上的文件节点，FSDirectory.getFileINode()方法根据文件路径，查找找到路径分隔符的最后一个元素，如果这个元素代表的文件存在，则返回该文件的对象，如果不存在，就为返回null。需要说明的是在HDFS的目录树中，根目录是一个空字符串即””，使用rootDir表示那么路径rootDir/home/hadoop这个路径的真实值为”/home/hadoop”。
并且在INode类中，文件/目录名遍历name是一个字节数组，如果name.length为0，则是根节点。FSDirectory.getFileINode(String src)方法会通过rootDir.getNode(src);获取src的的文件节点对象即src文件所对应的INode对象，这个过程中会调用INode.getPathComponents(String path)方法会返回路径path上每个以/分隔的字符串的字节数组，即得到路径中的每个目录和文件名的字节数组，为什么要获取到路径目录和文件的字节数组？因为INode.name是二进制格式，INodeDirectory.getExistingPathINodes()方法会使用二分查找，看目录或文件是否存在，具体代码比较简单。
如果通过FSDirectory.getFileINode(String src)返回的INode对象为null，那么直接返回null值，否则，根据参数doAccessTime来确定是否有修改文件的最后访问时间。
继续向下执行getBlockLocationsInternal方法，接下来根据以上获取到的INode对象获取到这个文件对应的数据块信息，如果数据块为null，则返回null，如果数据块数组长度为0，那么创建一个LocatedBlocks对象，这个对象中对应的数据块数组元素个数为0，稍后会继续分析如何根据数据块数组来创建LocatedBlocks对象。
如果该文件对应的数据块数组元素个数大于0，那么就遍历所有该文件的所有数据块，直到到达参数offset所在的数据块，其中offset是文件中数据的偏移，它一定在某个数据块中。具体的方法是：设置一个指针curPos表示当前的偏移，每次访问一个数据块，就看curPos与数据块的大小的和是否大于offset，如果小于就让curPos的值加上数据块的大小，如果大于就停止遍历，这样就找到了offset所在的数据块。
接下来就根据剩余的数据块副本来构造DataNode数据节点列表，对于每个数据块，检查其损坏副本的数量，首先对同一个数据块检查blockMap中的损坏副本与corruptReplicas中记录的损坏副本是否相同，如果不同就记录log信息。numCorruptNodes和numCorruptReplicas虽然都代表损坏副本的额数量，但是求这两个值的方式不同,numCorruptNodes是先根据数据块从blocksMap中取出这个数据块对应的DataNode节点，再看这个这个数据块对应的DataNode节点是否在corruptReplicas(这个遍历保存了已经损坏的数据块副本)中，numCorruptNodes表示这个数据块对应的DataNode节点有多少在corruptReplicas中，而numCorruptReplicas则是根据数据块来检查在corruptReplicas中有多少对应的节点，有可能这两个值不一致。
对于每一个数据块，找到这个数据块所有的正常副本，然后构造一个LocatedBlock对象，这个对象保存了对应的数据块的所有正常副本所在的DataNode节点，以及这个数据块在文件中的偏移等信息。如果一个数据块的所有副本都损坏，则将这个数据块的所有副本都返回给客户端，但是LocatedBlock中的corrupt属性记录为true，它表示这个数据块的所有副本都损坏了。此外如果当前数据块是文件的最后一个数据块，并且这个数据块还于构建状态，不用检查是否有损坏的副本，直接将它的所有副本返回给客户端。
执行以上的过程就完成了数据块从NameNode获取文件副本的过程。

从数据节点获取数据块内容

客户端获取到数据块以及其所在的DataNode节点信息后，就可以联系DataNode节点来读文件数据了。HDFS提供了DataXceiverServer类和DataXceiver类来处理客户端的读请求，其中DataXceiverServer类用于接收客户端的Socket连接请求，然后创建一个DataXceiver线程来接收客户端的读数据请求，这个DataXceiver线程接受到客户端的读数据请求后，就可以将数据发送给客户端了。这个过程是一个基本Java的Socket通信，与Java提供的NIO不同，这种通信方式每个客户端读请求在DataNode中都对应一个单独的线程。
客户端读数据是基于TCP数据流，使用了Java的基本套接字的功能。在HDFS启动DataNode时，执行DataNode.startDataNode()方法过程中创建了一个java.net.ServerSocket对象，然后构造一个DataXceiverServer线程专门用于accept客户端。DataXceiverServer线程启动后就阻塞在accpt方法中，等待着客户端的连接请求，只要有客户端连接过来，就会完成accept方法，然后创建一个DataXceiver线程用于处理客户端的读数据请求，accept客户端的这部分代码实现在DataXceiverServer.run()方法中，代码比较简单。
客户端的连接被接收后DataNode节点就建立了一个DataXceiver线程，在DataXceiver线程的run方法中处理客户端的读数据请求，方法代码如下：

public void run() {    DataInputStream in=null;     try {        //创建输入流      in = new DataInputStream(          new BufferedInputStream(NetUtils.getInputStream(s),                                   SMALL_BUFFER_SIZE));      //进行版本检查      short version = in.readShort();      if ( version != DataTransferProtocol.DATA_TRANSFER_VERSION ) {        throw new IOException( "Version Mismatch" );      }      boolean local = s.getInetAddress().equals(s.getLocalAddress());//socket连接的远程地址是否是本地机器的地址，即是否连接到了本地机器      byte op = in.readByte();//读入请求码      // Make sure the xciver count is not exceeded，DataNode中读写请求的数量，即DataXceiver线程的数量有个阈值      int curXceiverCount = datanode.getXceiverCount();      if (curXceiverCount > dataXceiverServer.maxXceiverCount) {//该请求是否超出数据节点的支撑能力，以确保数据节点的服务质量        throw new IOException("xceiverCount " + curXceiverCount                              + " exceeds the limit of concurrent xcievers "                              + dataXceiverServer.maxXceiverCount);      }      long startTime = DataNode.now();      switch ( op ) {      case DataTransferProtocol.OP_READ_BLOCK://客户端读数据        readBlock( in );        datanode.myMetrics.addReadBlockOp(DataNode.now() - startTime);        if (local)          datanode.myMetrics.incrReadsFromLocalClient();        else          datanode.myMetrics.incrReadsFromRemoteClient();        break;      case DataTransferProtocol.OP_WRITE_BLOCK://客户端写数据        writeBlock( in );        datanode.myMetrics.addWriteBlockOp(DataNode.now() - startTime);        if (local)          datanode.myMetrics.incrWritesFromLocalClient();        else          datanode.myMetrics.incrWritesFromRemoteClient();        break;      case DataTransferProtocol.OP_REPLACE_BLOCK: // for balancing purpose; send to a destination，数据块替换        replaceBlock(in);        datanode.myMetrics.addReplaceBlockOp(DataNode.now() - startTime);        break;      case DataTransferProtocol.OP_COPY_BLOCK://数据块拷贝            // for balancing purpose; send to a proxy source        copyBlock(in);        datanode.myMetrics.addCopyBlockOp(DataNode.now() - startTime);        break;      case DataTransferProtocol.OP_BLOCK_CHECKSUM: //get the checksum of a block，读数据块的校验信息        getBlockChecksum(in);        datanode.myMetrics.addBlockChecksumOp(DataNode.now() - startTime);        break;      default:        throw new IOException("Unknown opcode " + op + " in data stream");      }    } catch (Throwable t) {      LOG.error(datanode.dnRegistration + ":DataXceiver",t);    } finally {      LOG.debug(datanode.dnRegistration + ":Number of active connections is: "                               + datanode.getXceiverCount());      IOUtils.closeStream(in);      IOUtils.closeSocket(s);      dataXceiverServer.childSockets.remove(s);    }  }

DataXceiver线程除了用于处理客户端的读数据请求，还处理客户端写数据请求，DataNode节点之间的数据块替换，数据块拷贝和读数据块校验信息等功能，暂时只分析客户端读数据请求的部分，在上面的DataXceiver.run()方法中，首先根据参数创建一个输入流，用于读取客户端发送过来的请求数据，然后读取一个short类型的版本信息，检查客户端的数据传输接口值是否和DataNode节点一致，再读取请求操作码op，DataXceiver线程会根据客端的操作请求码op来进行不同的操作（switch语句），DataTransferProtocol.OP_READ_BLOCK操作码代表读操作，如果是这个操作码，就执行DataXceiver.readBlock()方法，这个方法代码如下：

private void readBlock(DataInputStream in) throws IOException {    long blockId = in.readLong();  //要读取的数据块标识，数据节点通过它定位数据块            Block block = new Block( blockId, 0 , in.readLong());//这个in.readLong()方法读取数据版本号    long startOffset = in.readLong();//要读取数据位于数据块中的位置    long length = in.readLong();//客户端要读取的数据长度    String clientName = Text.readString(in);//发起读请求的客户端名字    Token<BlockTokenIdentifier> accessToken = new Token<BlockTokenIdentifier>();    accessToken.readFields(in);//安全相关    OutputStream baseStream = NetUtils.getOutputStream(s,         datanode.socketWriteTimeout);//Socket对应的输出流    DataOutputStream out = new DataOutputStream(                 new BufferedOutputStream(baseStream, SMALL_BUFFER_SIZE));    if (datanode.isBlockTokenEnabled) {      try {        datanode.blockTokenSecretManager.checkAccess(accessToken, null, block,            BlockTokenSecretManager.AccessMode.READ);      } catch (InvalidToken e) {        try {          out.writeShort(DataTransferProtocol.OP_STATUS_ERROR_ACCESS_TOKEN);          out.flush();          throw new IOException("Access token verification failed, for client "              + remoteAddress + " for OP_READ_BLOCK for " + block);        } finally {          IOUtils.closeStream(out);        }      }    }    // send the block    BlockSender blockSender = null;    final String clientTraceFmt =      clientName.length() > 0 && ClientTraceLog.isInfoEnabled()        ? String.format(DN_CLIENTTRACE_FORMAT, localAddress, remoteAddress,            "%d", "HDFS_READ", clientName, "%d",             datanode.dnRegistration.getStorageID(), block, "%d")        : datanode.dnRegistration + " Served " + block + " to " +            s.getInetAddress();    try {      try {        blockSender = new BlockSender(block, startOffset, length,            true, true, false, datanode, clientTraceFmt);      } catch(IOException e) {//BlockSender的构造方法会进行一系列的检查，这些检查通过后，才会成功创建对象，否则通过异常返回给客户端        out.writeShort(DataTransferProtocol.OP_STATUS_ERROR);        throw e;      }      out.writeShort(DataTransferProtocol.OP_STATUS_SUCCESS); // send op status，操作成功状态      long read = blockSender.sendBlock(out, baseStream, null); // send data,发送数据      if (blockSender.isBlockReadFully()) {//客户端是否校验成功，这是一个客户端可选的响应        // See if client verification succeeded.         // This is an optional response from client.        try {          if (in.readShort() == DataTransferProtocol.OP_STATUS_CHECKSUM_OK  &&               datanode.blockScanner != null) {//客户端已经进行了数据块的校验，数据节点就可以省略重复的工作，减轻系统负载            datanode.blockScanner.verifiedByClient(block);          }        } catch (IOException ignored) {}      }      datanode.myMetrics.incrBytesRead((int) read);      datanode.myMetrics.incrBlocksRead();    } catch ( SocketException ignored ) {      // Its ok for remote side to close the connection anytime.      datanode.myMetrics.incrBlocksRead();    } catch ( IOException ioe ) {      /* What exactly should we do here?       * Earlier version shutdown() datanode if there is disk error.       */      LOG.warn(datanode.dnRegistration +  ":Got exception while serving " +           block + " to " + s.getInetAddress() + ":\n" +           StringUtils.stringifyException(ioe) );      throw ioe;    } finally {      IOUtils.closeStream(out);      IOUtils.closeStream(blockSender);    }  }

这个方法先读取数据块标识和数据版本号，创建一个数据块对象(Block对象)，然后依次读取数据位于数据块中的位置(startOffset)，要读取的数据长度(length)，发起读请求的客户端名字(clientName)，安全标识(accessToken)，再创建到客户端的输出流。
接下来就构造一个BlockSender对象用于向客户端发送数据，响应客户端的读数据请求，BlockSender的构造方法会进行一系列的检查，这些检查通过后，才会成功创建对象，否则通过异常返回给客户端。如果调用BlockSender构造方法没有抛出异常，则BlockSender对象创建成功，那么就向客户端写出一个DataTransferProtocol.OP_STATUS_SUCCESS标识，接着调用BlockSender.sendBlock()方法发送数据。
如果客户端接收数据后校验成功，客户端会向DataNode节点发送一个DataTransferProtocol.OP_STATUS_CHECKSUM_OK标识，DataNode节点可以通过这个标识通知数据块扫描器，让扫描器标识该数据块扫描成功，也可以看作客户端替这个DataNode节点的数据块扫描器检查了这个数据块，那么数据块扫描器就不用重复检查了，这样设计，数据节点就可以省略重复的工作，减轻系统负载。
上面分析到了构造BlockSender对象时会进行一系列检查，那么这些检查是怎么进行的呢？下面就来看看BlockSender对象的处理过程，其构造方法如下：

BlockSender(Block block, long startOffset, long length,              boolean corruptChecksumOk, boolean chunkOffsetOK,              boolean verifyChecksum, DataNode datanode, String clientTraceFmt)      throws IOException {    try {      this.block = block;//要发送的数据块      this.chunkOffsetOK = chunkOffsetOK;      this.corruptChecksumOk = corruptChecksumOk;      this.verifyChecksum = verifyChecksum;      this.blockLength = datanode.data.getVisibleLength(block);      this.transferToAllowed = datanode.transferToAllowed;      this.clientTraceFmt = clientTraceFmt;      this.readaheadLength = datanode.getReadaheadLength();      this.readaheadPool = datanode.readaheadPool;      this.shouldDropCacheBehindRead = datanode.shouldDropCacheBehindReads();      if ( !corruptChecksumOk || datanode.data.metaFileExists(block) ) {        checksumIn = new DataInputStream(                new BufferedInputStream(datanode.data.getMetaDataInputStream(block),                                        BUFFER_SIZE));        // read and handle the common header here. For now just a version       BlockMetadataHeader header = BlockMetadataHeader.readHeader(checksumIn);       short version = header.getVersion();        if (version != FSDataset.METADATA_VERSION) {          LOG.warn("Wrong version (" + version + ") for metadata file for "              + block + " ignoring ...");        }        checksum = header.getChecksum();      } else {        LOG.warn("Could not find metadata file for " + block);        // This only decides the buffer size. Use BUFFER_SIZE?        checksum = DataChecksum.newDataChecksum(DataChecksum.CHECKSUM_NULL,            16 * 1024);      }      /* If bytesPerChecksum is very large, then the metadata file       * is mostly corrupted. For now just truncate bytesPerchecksum to       * blockLength.       */              bytesPerChecksum = checksum.getBytesPerChecksum();      if (bytesPerChecksum > 10*1024*1024 && bytesPerChecksum > blockLength){        checksum = DataChecksum.newDataChecksum(checksum.getChecksumType(),                                   Math.max((int)blockLength, 10*1024*1024));        bytesPerChecksum = checksum.getBytesPerChecksum();              }      checksumSize = checksum.getChecksumSize();      if (length < 0) {        length = blockLength;      }      endOffset = blockLength;      if (startOffset < 0 || startOffset > endOffset          || (length + startOffset) > endOffset) {        String msg = " Offset " + startOffset + " and length " + length        + " don't match " + block + " ( blockLen " + endOffset + " )";        LOG.warn(datanode.dnRegistration + ":sendBlock() : " + msg);        throw new IOException(msg);      }      //应答数据在数据块中的开始位置      offset = (startOffset - (startOffset % bytesPerChecksum));      if (length >= 0) {        // Make sure endOffset points to end of a checksumed chunk.        long tmpLen = startOffset + length;        if (tmpLen % bytesPerChecksum != 0) {            //用户读取数据的结束位置          tmpLen += (bytesPerChecksum - tmpLen % bytesPerChecksum);        }        if (tmpLen < endOffset) {          endOffset = tmpLen;        }      }      // seek to the right offsets，设置读校验信息文件的位置信息      if (offset > 0) {        long checksumSkip = (offset / bytesPerChecksum) * checksumSize;        // note blockInStream is  seeked when created below        if (checksumSkip > 0) {          // Should we use seek() for checksum file as well?，跳过不需要的部分          IOUtils.skipFully(checksumIn, checksumSkip);        }      }      seqno = 0;      //打开数据块的文件输入流      blockIn = datanode.data.getBlockInputStream(block, offset); // seek to offset      if (blockIn instanceof FileInputStream) {        blockInFd = ((FileInputStream) blockIn).getFD();      } else {        blockInFd = null;      }      memoizedBlock = new MemoizedBlock(blockIn, blockLength, datanode.data, block);    } catch (IOException ioe) {      IOUtils.closeStream(this);      IOUtils.closeStream(blockIn);      throw ioe;    }  }

在这个方法中，首先根据构造函数的参数为BlockSender的部分成员变量赋值，其中block为要发送的数据块对象，startOffset为要读取数据位于数据块中的位置，length为要读取的数据长度，corruptChecksumOk为true那么就表示不需要发送这个数据块文件对应的校验文件的数据，否则就必须要发送数据块文件的校验文件信息。
如果corruptChecksumOk为false，且数据块文件对应的校验文件存在，那么就创建这个校验文件输入流checksumIn，然后读入这个文件的头部信息，即文件中校验数据之前的数据，并且读入的元数据版本号与FSDataset.METADATA_VERSION比较。
方法中客户端要读取的偏移起点用startOffset标识，结束点用endOffset表示，由于校验块大小是一定的(默认为512字节)，若startOffset在一个校验块内，那么这样传输客户端就会校验出错，即如果DataNode节点从startOffset处开始发送，那么客户端收到的数据校验后就与校验数据不一致(校验数据无法拆分)，所以就必须从startOffset所在的那个校验块的起点开始发送数据，同理，endOffset如果在一个校验块内，那么就要截至到这个校验的结束，如下图所示

图中有三个校验块，阴影部分为要读取的数据部分，所以这部分的起始和结尾出刚好落在了第一个数据块和第3个数据块中。

根据上面的分析，DataNode节点发送的数据起点是计算得到的offset值，结束点是计算得到的endOffset值，然后就创建数据块文件的输入数据流blockIn，这样就成功创建了BlockSender对象。
创建完BlockSender对象，就可以通过这个对象向客户端发送数据了，具体过程实现在BlockSender.sendBlock()方法中，代码如下：

long sendBlock(DataOutputStream out, OutputStream baseStream,                  DataTransferThrottler throttler) throws IOException {    if( out == null ) {      throw new IOException( "out stream is null" );    }    this.throttler = throttler;    initialOffset = offset;    long totalRead = 0;    OutputStream streamForSendChunks = out;    lastCacheDropOffset = initialOffset;      // Advise that this file descriptor will be accessed sequentially.    //调用Linux的posix_fadvise函数来声明blockInfd的访问方式    if (isLongRead() && blockInFd != null) {//如果要读取的数据长度超过一定值，并且文件描述符不为空，那么就设置对文件的访问方式      NativeIO.posixFadviseIfPossible(blockInFd, 0, 0,          NativeIO.POSIX_FADV_SEQUENTIAL);    }    // Trigger readahead of beginning of file if configured.    manageOsCache();    final long startTime = ClientTraceLog.isInfoEnabled() ? System.nanoTime() : 0;     //发送应答头部信息，包含数据校验类型，校验块大小，偏移量，其中对于客户端请求，偏移量是必选参数    try {      try {        checksum.writeHeader(out);//发送数据校验类型，校验块大小        if ( chunkOffsetOK ) {          out.writeLong( offset );//发送偏移量        }        out.flush();      } catch (IOException e) { //socket error        throw ioeToSocketException(e);      }      //根据缓冲区大小配置，计算一次能够发送多少校验块的数据，并分配工作缓冲区      int maxChunksPerPacket;      int pktSize = DataNode.PKT_HEADER_LEN + SIZE_OF_INTEGER;      if (transferToAllowed && !verifyChecksum &&           baseStream instanceof SocketOutputStream &&           blockIn instanceof FileInputStream) {//零拷贝传输方式        FileChannel fileChannel = ((FileInputStream)blockIn).getChannel();        // blockInPosition also indicates sendChunks() uses transferTo.        blockInPosition = fileChannel.position();        streamForSendChunks = baseStream;        // assure a mininum buffer size.        maxChunksPerPacket = (Math.max(BUFFER_SIZE,                                       MIN_BUFFER_WITH_TRANSFERTO)                              + bytesPerChecksum - 1)/bytesPerChecksum;//一次发送几个校验块        // packet buffer has to be able to do a normal transfer in the case        // of recomputing checksum，缓冲区需要能够执行一次普通传输        pktSize += (bytesPerChecksum + checksumSize) * maxChunksPerPacket;      } else {//传统的传输方式        maxChunksPerPacket = Math.max(1,                 (BUFFER_SIZE + bytesPerChecksum - 1)/bytesPerChecksum);        pktSize += (bytesPerChecksum + checksumSize) * maxChunksPerPacket;      }      ByteBuffer pktBuf = ByteBuffer.allocate(pktSize);      //循环发送数据块中的校验块      while (endOffset > offset) {        manageOsCache();        long len = sendChunks(pktBuf, maxChunksPerPacket,                               streamForSendChunks);        offset += len;        totalRead += len + ((len + bytesPerChecksum - 1)/bytesPerChecksum*                            checksumSize);        seqno++;      }      try {        out.writeInt(0); // mark the end of block                out.flush();      } catch (IOException e) { //socket error        throw ioeToSocketException(e);      }    }    catch (RuntimeException e) {      LOG.error("unexpected exception sending block", e);      throw new IOException("unexpected runtime exception", e);    }     finally {      if (clientTraceFmt != null) {        final long endTime = System.nanoTime();        ClientTraceLog.info(String.format(clientTraceFmt, totalRead, initialOffset, endTime - startTime));      }      close();    }    blockReadFully = (initialOffset == 0 && offset >= blockLength);    return totalRead;  }

在这个方法有两个输出流对象参数，一个是DataOutputStream类型的out对象，一个是OutputStream类型的baseStream对象，在DataXceiver.readBlock()方法中可以看到，其实out对象就是对baseStream对象的封装，baseStream主要用于向客户端发送数据的“零拷贝”过程中(稍后分析)。
sendBlock方法首先进行一些发送数据前的预处理，比如通过本地方法调用来调用Linux的posix_fadvise函数来声明blockInfd的访问方式为顺序访问，调用manageOsCache()方法设置操作系统缓存等。然后对客户端读请求发送应答头部信息，包含数据校验类型，校验块大小，偏移量，其中对于客户端请求，偏移量是必选参数。为什么说偏移量是必选的？因为BlockSender不但被用于支持客户端读数据，也用于数据块复制中。数据块复制由于是对整个数据块进行的操作，也就不需要提供数据块内的偏移量，但是对于客户端来说，偏移量是一个必须的参数。
输出完响应头部信息后，就可以开始向客户端输出数据块数据了。输出数据有两种方式，一种是传统的传输方式，即先从数据块文件中读入文件数据，然后通过Socket输出流输出，这种方式容易理解，但是效率比较低。另外一种方式是Linux/Unix中的“零拷贝”输出，关于“零拷贝输出”可以参考通过零拷贝实现有效数据传输，不论是传统的输出方式，还是“零拷贝”输出都是循环调用BlockSender.sendChunks()方法进行输出的，因为一个数据块大小可能比较大，DataNode节点会分多次分别将这个数据块的数据发送完成，每次发送都发送一个数据包，这个数据包有包长度，在数据块中的偏移，序列号等信息。Block.sendChunks()方法的代码如下：

  private int sendChunks(ByteBuffer pkt, int maxChunks, OutputStream out)                          throws IOException {    // Sends multiple chunks in one packet with a single write().    int len = (int) Math.min(endOffset - offset,        (((long) bytesPerChecksum) * ((long) maxChunks)));    // truncate len so that any partial chunks will be sent as a final packet.    // this is not necessary for correctness, but partial chunks are     // ones that may be recomputed and sent via buffer copy, so try to minimize    // those bytes    if (len > bytesPerChecksum && len % bytesPerChecksum != 0) {      len -= len % bytesPerChecksum;    }    if (len == 0) {      return 0;    }    int numChunks = (len + bytesPerChecksum - 1)/bytesPerChecksum;    int packetLen = len + numChunks*checksumSize + 4;    pkt.clear();    // write packet header，应答包头部    pkt.putInt(packetLen);//包长度    pkt.putLong(offset);//偏移量    pkt.putLong(seqno);//序列号    pkt.put((byte)((offset + len >= endOffset) ? 1 : 0));//最后应答包标识，该数据包是否是应答的最后一个数据包               //why no ByteBuf.putBoolean()?    pkt.putInt(len);//数据长度    int checksumOff = pkt.position();    int checksumLen = numChunks * checksumSize;//校验信息的长度    byte[] buf = pkt.array();//获取字节缓冲区对应的字节数组    if (checksumSize > 0 && checksumIn != null) {      try {        checksumIn.readFully(buf, checksumOff, checksumLen);//将校验信息发送写到发送缓冲区中      } catch (IOException e) {        LOG.warn(" Could not read or failed to veirfy checksum for data" +                 " at offset " + offset + " for block " + block + " got : "                 + StringUtils.stringifyException(e));        IOUtils.closeStream(checksumIn);        checksumIn = null;        if (corruptChecksumOk) {          if (checksumOff < checksumLen) {            // Just fill the array with zeros.            Arrays.fill(buf, checksumOff, checksumLen, (byte) 0);          }        } else {          throw e;        }      }    }    int dataOff = checksumOff + checksumLen;//数据部分的偏移    if (blockInPosition < 0) {//blockInPosition < 0表示不能进行“零拷贝”传输      //normal transfer，进行传统的传输，即先将数据从文件读入内存缓冲区，再将数据通过Socket发送给客户端      IOUtils.readFully(blockIn, buf, dataOff, len);      if (verifyChecksum) {        int dOff = dataOff;        int cOff = checksumOff;        int dLeft = len;        for (int i=0; i<numChunks; i++) {          checksum.reset();          int dLen = Math.min(dLeft, bytesPerChecksum);          checksum.update(buf, dOff, dLen);          if (!checksum.compare(buf, cOff)) {            throw new ChecksumException("Checksum failed at " +                                         (offset + len - dLeft), len);          }          dLeft -= dLen;          dOff += dLen;          cOff += checksumSize;        }      }      // only recompute checksum if we can't trust the meta data due to       // concurrent writes      if (memoizedBlock.hasBlockChanged(len)) {//如果数据发生了变化        ChecksumUtil.updateChunkChecksum(          buf, checksumOff, dataOff, len, checksum        );      }      try {        out.write(buf, 0, dataOff + len);      } catch (IOException e) {        throw ioeToSocketException(e);      }    } else {      try {        //use transferTo(). Checks on out and blockIn are already done.           //使用transferTo()方法需要获得Socket的输出流和输入文件通道        SocketOutputStream sockOut = (SocketOutputStream) out;        FileChannel fileChannel = ((FileInputStream) blockIn).getChannel();        if (memoizedBlock.hasBlockChanged(len)) {//有竞争存在            //文件发生变化，假定出现读写竞争          fileChannel.position(blockInPosition);          IOUtils.readFileChannelFully(            fileChannel,            buf,            dataOff,            len          );          //计算校验和          ChecksumUtil.updateChunkChecksum(            buf, checksumOff, dataOff, len, checksum          );                    sockOut.write(buf, 0, dataOff + len);        } else {          //first write the packet，写数据和包校验信息          sockOut.write(buf, 0, dataOff);          // no need to flush. since we know out is not a buffered stream.零拷贝发送数据          sockOut.transferToFully(fileChannel, blockInPosition, len);        }        blockInPosition += len;      } catch (IOException e) {      /* exception while writing to the client (well, with transferTo(),       * it could also be while reading from the local file).       */        throw ioeToSocketException(e);      }    }    if (throttler != null) { // rebalancing so throttle      throttler.throttle(packetLen);//调用节流器对象的throttle()方法    }    return len;  }

该方法有三个参数，ByteBuffer类型的pkt参数为发送缓冲区，不论是传统输出方式还是“零拷贝”输出方式，都需要发送包信息，在使用传统发送方式时，pkt中有包信息和数据信息，在“零拷贝”方式中，pkt则包含包信息。第二个参数是maxChunks，表示要发送几个校验块，第三个参数是输出流对象。
BlockSender.sendChunks()方法逻辑比较清晰，在发送缓冲区中写入包头部信息，然后是校验信息，最后通过blockInPosition变量来区分是通过传统输出方式发送还是“零拷贝”方式发送，blockInPosition变量默认是-1，在BlockSender.sendBlock()方法中可能会通过blockInPosition = fileChannel.position();这行代码改变，因为这行代码是在判断通过”零拷贝“方式发送后执行的，如果blockInPosition为-1，那么小于零，说明在BlockSender.sendBlock()方法中并未改变，如果值改变了，那么一定是一个非负值，因为FileChannel.position()方法的返回值是一个非负值，这个返回值代表FileChannel中的变量position的位置（请参考Java NIO中的部分）。

总结

当客户端进行数据读取时，先访问NameNode，通过调用ClientProtocol.getBlockLocations()方法来获取到要读取文件的数据块所在的DataNode节点，然后客户端联系DataNode节点来读取文件的数据块，整个过程比较复杂的就是对DataNode节点的数据请求。

Reference

通过零拷贝实现有效数据传输:http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-zerocopy/
一般文件I/O用法建议:http://www.cnblogs.com/ggzwtj/archive/2011/10/11/2207726.html
《Hadoop技术内幕：深入理解Hadoop Common和HDFS架构设计与实现原理》