HDFS写文件过程分析
来源:互联网 发布:安卓点餐管理系统源码 编辑:程序博客网 时间:2024/06/05 20:12
HDFS写文件过程分析
HDFS是一个分布式文件系统,在HDFS上写文件的过程与我们平时使用的单机文件系统非常不同,从宏观上来看,在HDFS文件系统上创建并写一个文件,流程如下图(来自《Hadoop:The Definitive Guide》一书)所示:
具体过程描述如下:
- Client调用DistributedFileSystem对象的create方法,创建一个文件输出流(FSDataOutputStream)对象
- 通过DistributedFileSystem对象与Hadoop集群的NameNode进行一次RPC远程调用,在HDFS的Namespace中创建一个文件条目(Entry),该条目没有任何的Block
- 通过FSDataOutputStream对象,向DataNode写入数据,数据首先被写入FSDataOutputStream对象内部的Buffer中,然后数据被分割成一个个Packet数据包
- 以Packet最小单位,基于Socket连接发送到按特定算法选择的HDFS集群中一组DataNode(正常是3个,可能大于等于1)中的一个节点上,在这组DataNode组成的Pipeline上依次传输Packet
- 这组DataNode组成的Pipeline反方向上,发送ack,最终由Pipeline中第一个DataNode节点将Pipeline ack发送给Client
- 完成向文件写入数据,Client在文件输出流(FSDataOutputStream)对象上调用close方法,关闭流
- 调用DistributedFileSystem对象的complete方法,通知NameNode文件写入成功
下面代码使用Hadoop的API来实现向HDFS的文件写入数据,同样也包括创建一个文件和写数据两个主要过程,代码如下所示:
01
static
String[] contents =
new
String[] {
02
"aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa"
,
03
"bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb"
,
04
"cccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccc"
,
05
"dddddddddddddddddddddddddddddddd"
,
06
"eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee"
,
07
};
08
09
public
static
void
main(String[] args) {
10
String file =
"hdfs://h1:8020/data/test/test.log"
;
11
Path path =
new
Path(file);
12
Configuration conf =
new
Configuration();
13
FileSystem fs =
null
;
14
FSDataOutputStream output =
null
;
15
try
{
16
fs = path.getFileSystem(conf);
17
output = fs.create(path);
// 创建文件
18
for
(String line : contents) {
// 写入数据
19
output.write(line.getBytes(
"UTF-8"
));
20
output.flush();
21
}
22
}
catch
(IOException e) {
23
e.printStackTrace();
24
}
finally
{
25
try
{
26
output.close();
27
}
catch
(IOException e) {
28
e.printStackTrace();
29
}
30
}
31
}
结合上面的示例代码,我们先从fs.create(path);开始,可以看到FileSystem的实现DistributedFileSystem中给出了最终返回FSDataOutputStream对象的抽象逻辑,代码如下所示:
1
public
FSDataOutputStream create(Path f, FsPermission permission,
2
boolean
overwrite,
3
int
bufferSize,
short
replication,
long
blockSize,
4
Progressable progress)
throws
IOException {
5
6
statistics.incrementWriteOps(
1
);
7
return
new
FSDataOutputStream
8
(dfs.create(getPathName(f), permission, overwrite,
true
, replication, blockSize, progress, bufferSize), statistics);
9
}
上面,DFSClient dfs的create方法中创建了一个OutputStream对象,在DFSClient的create方法:
01
public
OutputStream create(String src,
02
FsPermission permission,
03
boolean
overwrite,
04
boolean
createParent,
05
short
replication,
06
long
blockSize,
07
Progressable progress,
08
int
buffersize
09
)
throws
IOException {
10
... ...
11
}
创建了一个DFSOutputStream对象,如下所示:
1
final
DFSOutputStream result =
new
DFSOutputStream(src, masked,
2
overwrite, createParent, replication, blockSize, progress, buffersize,
3
conf.getInt(
"io.bytes.per.checksum"
,
512
));
下面,我们从DFSOutputStream类开始,说明其内部实现原理。
DFSOutputStream内部原理
打开一个DFSOutputStream流,Client会写数据到流内部的一个缓冲区中,然后数据被分解成多个Packet,每个Packet大小为64k字节,每个Packet又由一组chunk和这组chunk对应的checksum数据组成,默认chunk大小为512字节,每个checksum是对512字节数据计算的校验和数据。
当Client写入的字节流数据达到一个Packet的长度,这个Packet会被构建出来,然后会被放到队列dataQueue中,接着DataStreamer线程会不断地从dataQueue队列中取出Packet,发送到复制Pipeline中的第一个DataNode上,并将该Packet从dataQueue队列中移到ackQueue队列中。ResponseProcessor线程接收从Datanode发送过来的ack,如果是一个成功的ack,表示复制Pipeline中的所有Datanode都已经接收到这个Packet,ResponseProcessor线程将packet从队列ackQueue中删除。
在发送过程中,如果发生错误,所有未完成的Packet都会从ackQueue队列中移除掉,然后重新创建一个新的Pipeline,排除掉出错的那些DataNode节点,接着DataStreamer线程继续从dataQueue队列中发送Packet。
下面是DFSOutputStream的结构及其原理,如图所示:
我们从下面3个方面来描述内部流程:
- 创建Packet
Client写数据时,会将字节流数据缓存到内部的缓冲区中,当长度满足一个Chunk大小(512B)时,便会创建一个Packet对象,然后向该Packet对象中写Chunk Checksum校验和数据,以及实际数据块Chunk Data,校验和数据是基于实际数据块计算得到的。每次满足一个Chunk大小时,都会向Packet中写上述数据内容,直到达到一个Packet对象大小(64K),就会将该Packet对象放入到dataQueue队列中,等待DataStreamer线程取出并发送到DataNode节点。
- 发送Packet
DataStreamer线程从dataQueue队列中取出Packet对象,放到ackQueue队列中,然后向DataNode节点发送这个Packet对象所对应的数据。
- 接收ack
发送一个Packet数据包以后,会有一个用来接收ack的ResponseProcessor线程,如果收到成功的ack,则表示一个Packet发送成功。如果成功,则ResponseProcessor线程会将ackQueue队列中对应的Packet删除。
DFSOutputStream初始化
首先看一下,DFSOutputStream的初始化过程,构造方法如下所示:
01
DFSOutputStream(String src, FsPermission masked,
boolean
overwrite,
02
boolean
createParent,
short
replication,
long
blockSize, Progressable progress,
03
int
buffersize,
int
bytesPerChecksum)
throws
IOException {
04
this
(src, blockSize, progress, bytesPerChecksum, replication);
05
06
computePacketChunkSize(writePacketSize, bytesPerChecksum);
// 默认 writePacketSize=64*1024(即64K),bytesPerChecksum=512(没512个字节计算一个校验和),
07
08
try
{
09
if
(createParent) {
// createParent为true表示,如果待创建的文件的父级目录不存在,则自动创建
10
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite, replication, blockSize);
11
}
else
{
12
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite,
false
, replication, blockSize);
13
}
14
}
catch
(RemoteException re) {
15
throw
re.unwrapRemoteException(AccessControlException.
class
,
16
FileAlreadyExistsException.
class
,
17
FileNotFoundException.
class
,
18
NSQuotaExceededException.
class
,
19
DSQuotaExceededException.
class
);
20
}
21
streamer.start();
// 启动一个DataStreamer线程,用来将写入的字节流打包成packet,然后发送到对应的Datanode节点上
22
}
23
上面computePacketChunkSize方法计算了一个packet的相关参数,我们结合代码来查看,如下所示:
24
int
chunkSize = csize + checksum.getChecksumSize();
25
int
n = DataNode.PKT_HEADER_LEN + SIZE_OF_INTEGER;
26
chunksPerPacket = Math.max((psize - n + chunkSize-
1
)/chunkSize,
1
);
27
packetSize = n + chunkSize*chunksPerPacket;
我们用默认的参数值替换上面的参数,得到:
1
int
chunkSize =
512
+
4
;
2
int
n =
21
+
4
;
3
chunksPerPacket = Math.max((
64
*
1024
-
25
+
516
-
1
)/
516
,
1
);
// 127
4
packetSize =
25
+
516
*
127
;
上面对应的参数,说明如下表所示:
参数名称参数值参数含义chunkSize512+4=516每个chunk的字节数(数据+校验和)csize512每个chunk数据的字节数psize64*1024每个packet的最大字节数(不包含header)DataNode.PKT_HEADER_LEN21每个packet的header的字节数chunksPerPacket127组成每个packet的chunk的个数packetSize25+516*127=65557每个packet的字节数(一个header+一组chunk)在计算好一个packet相关的参数以后,调用create方法与Namenode进行RPC请求,请求创建文件:
1
if
(createParent) {
// createParent为true表示,如果待创建的文件的父级目录不存在,则自动创建
2
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite, replication, blockSize);
3
}
else
{
4
namenode.create(src, masked, clientName, overwrite,
false
, replication, blockSize);
5
}
远程调用上面方法,会在FSNamesystem中创建对应的文件路径,并初始化与该创建的文件相关的一些信息,如租约(向Datanode节点写数据的凭据)。文件在FSNamesystem中创建成功,就要初始化并启动一个DataStreamer线程,用来向Datanode写数据,后面我们详细说明具体处理逻辑。
Packet结构与定义
Client向HDFS写数据,数据会被组装成Packet,然后发送到Datanode节点。Packet分为两类,一类是实际数据包,另一类是heatbeat包。一个Packet数据包的组成结构,如图所示:
上图中,一个Packet是由Header和Data两部分组成,其中Header部分包含了一个Packet的概要属性信息,如下表所示:
Data部分是一个Packet的实际数据部分,主要包括一个4字节校验和(Checksum)与一个Chunk部分,Chunk部分最大为512字节。
在构建一个Packet的过程中,首先将字节流数据写入一个buffer缓冲区中,也就是从偏移量为25的位置(checksumStart)开始写Packet数据的Chunk Checksum部分,从偏移量为533的位置(dataStart)开始写Packet数据的Chunk Data部分,直到一个Packet创建完成为止。如果一个Packet的大小未能达到最大长度,也就是上图对应的缓冲区中,Chunk Checksum与Chunk Data之间还保留了一段未被写过的缓冲区位置,这种情况说明,已经在写一个文件的最后一个Block的最后一个Packet。在发送这个Packet之前,会检查Chunksum与Chunk Data之间的缓冲区是否为空白缓冲区(gap),如果有则将Chunk Data部分向前移动,使得Chunk Data 1与Chunk Checksum N相邻,然后才会被发送到DataNode节点。
我们看一下Packet对应的Packet类定义,定义了如下一些字段:
01
ByteBuffer buffer;
// only one of buf and buffer is non-null
02
byte
[] buf;
03
long
seqno;
// sequencenumber of buffer in block
04
long
offsetInBlock;
// 该packet在block中的偏移量
05
boolean
lastPacketInBlock;
// is this the last packet in block?
06
int
numChunks;
// number of chunks currently in packet
07
int
maxChunks;
// 一个packet中包含的chunk的个数
08
int
dataStart;
09
int
dataPos;
10
int
checksumStart;
11
int
checksumPos;
Packet类有一个默认的没有参数的构造方法,它是用来做heatbeat的,如下所示:
01
Packet() {
02
this
.lastPacketInBlock =
false
;
03
this
.numChunks =
0
;
04
this
.offsetInBlock =
0
;
05
this
.seqno = HEART_BEAT_SEQNO;
// 值为-1
06
07
buffer =
null
;
08
int
packetSize = DataNode.PKT_HEADER_LEN + SIZE_OF_INTEGER;
// 21+4=25
09
buf =
new
byte
[packetSize];
10
11
checksumStart = dataStart = packetSize;
12
checksumPos = checksumStart;
13
dataPos = dataStart;
14
maxChunks =
0
;
15
}
通过代码可以看到,一个heatbeat的内容,实际上只有一个长度为25字节的header数据。通过this.seqno = HEART_BEAT_SEQNO;的值可以判断一个packet是否是heatbeat包,如果seqno为-1表示这是一个heatbeat包。
Client发送Packet数据
可以DFSClient类中看到,发送一个Packet之前,首先需要向选定的DataNode发送一个Header数据包,表明要向DataNode写数据,该Header的数据结构,如图所示:
上图显示的是Client发送Packet到第一个DataNode节点的Header数据结构,主要包括待发送的Packet所在的Block(先向NameNode分配Block ID等信息)的相关信息、Pipeline中另外2个DataNode的信息、访问令牌(Access Token)和校验和信息,Header中各个字段及其类型,详见下表:
Header数据包发送成功,Client会收到一个成功响应码(DataTransferProtocol.OP_STATUS_SUCCESS = 0),接着将Packet数据发送到Pipeline中第一个DataNode上,如下所示:
1
Packet one =
null
;
2
one = dataQueue.getFirst();
// regular data packet
3
ByteBuffer buf = one.getBuffer();
4
// write out data to remote datanode
5
blockStream.write(buf.array(), buf.position(), buf.remaining());
6
7
if
(one.lastPacketInBlock) {
// 如果是Block中的最后一个Packet,还要写入一个0标识该Block已经写入完成
8
blockStream.writeInt(
0
);
// indicate end-of-block
9
}
否则,如果失败,则会与NameNode进行RPC调用,删除该Block,并把该Pipeline中第一个DataNode加入到excludedNodes列表中,代码如下所示:
01
if
(!success) {
02
LOG.info(
"Abandoning "
+ block);
03
namenode.abandonBlock(block, src, clientName);
04
05
if
(errorIndex < nodes.length) {
06
LOG.info(
"Excluding datanode "
+ nodes[errorIndex]);
07
excludedNodes.add(nodes[errorIndex]);
08
}
09
10
// Connection failed. Let's wait a little bit and retry
11
retry =
true
;
12
}
DataNode端服务组件
数据最终会发送到DataNode节点上,在一个DataNode上,数据在各个组件之间流动,流程如下图所示:
DataNode服务中创建一个后台线程DataXceiverServer,它是一个SocketServer,用来接收来自Client(或者DataNode Pipeline中的非最后一个DataNode节点)的写数据请求,然后在DataXceiverServer中将连接过来的Socket直接派发给一个独立的后台线程DataXceiver进行处理。所以,Client写数据时连接一个DataNode Pipeline的结构,实际流程如图所示:
每个DataNode服务中的DataXceiver后台线程接收到来自前一个节点(Client/DataNode)的Socket连接,首先读取Header数据:
01
Block block =
new
Block(in.readLong(), dataXceiverServer.estimateBlockSize, in.readLong());
02
LOG.info(
"Receiving "
+ block +
" src: "
+ remoteAddress +
" dest: "
+ localAddress);
03
int
pipelineSize = in.readInt();
// num of datanodes in entire pipeline
04
boolean
isRecovery = in.readBoolean();
// is this part of recovery?
05
String client = Text.readString(in);
// working on behalf of this client
06
boolean
hasSrcDataNode = in.readBoolean();
// is src node info present
07
if
(hasSrcDataNode) {
08
srcDataNode =
new
DatanodeInfo();
09
srcDataNode.readFields(in);
10
}
11
int
numTargets = in.readInt();
12
if
(numTargets <
0
) {
13
throw
new
IOException(
"Mislabelled incoming datastream."
);
14
}
15
DatanodeInfo targets[] =
new
DatanodeInfo[numTargets];
16
for
(
int
i =
0
; i < targets.length; i++) {
17
DatanodeInfo tmp =
new
DatanodeInfo();
18
tmp.readFields(in);
19
targets[i] = tmp;
20
}
21
Token<BlockTokenIdentifier> accessToken =
new
Token<BlockTokenIdentifier>();
22
accessToken.readFields(in);
上面代码中,读取Header的数据,与前一个Client/DataNode写入Header字段的顺序相对应,不再累述。在完成读取Header数据后,当前DataNode会首先将Header数据再发送到Pipeline中下一个DataNode结点,当然该DataNode肯定不是Pipeline中最后一个DataNode节点。接着,该DataNode会接收来自前一个Client/DataNode节点发送的Packet数据,接收Packet数据的逻辑实际上在BlockReceiver中完成,包括将来自前一个Client/DataNode节点发送的Packet数据写入本地磁盘。在BlockReceiver中,首先会将接收到的Packet数据发送写入到Pipeline中下一个DataNode节点,然后再将接收到的数据写入到本地磁盘的Block文件中。
DataNode持久化Packet数据
在DataNode节点的BlockReceiver中进行Packet数据的持久化,一个Packet是一个Block中一个数据分组,我们首先看一下,一个Block在持久化到磁盘上的物理存储结构,如下图所示:
每个Block文件(如上图中blk_1084013198文件)都对应一个meta文件(如上图中blk_1084013198_10273532.meta文件),Block文件是一个一个Chunk的二进制数据(每个Chunk的大小是512字节),而meta文件是与每一个Chunk对应的Checksum数据,是序列化形式存储。
写文件过程中Client/DataNode与NameNode进行RPC调用
Client在HDFS文件系统中写文件过程中,会发生多次与NameNode节点进行RPC调用来完成写数据相关操作,主要是在如下时机进行RPC调用:
- 写文件开始时创建文件:Client调用create在NameNode节点的Namespace中创建一个标识该文件的条目
- 在Client连接Pipeline中第一个DataNode节点之前,Client调用addBlock分配一个Block(blkId+DataNode列表+租约)
- 如果与Pipeline中第一个DataNode节点连接失败,Client调用abandonBlock放弃一个已经分配的Block
- 一个Block已经写入到DataNode节点磁盘,Client调用fsync让NameNode持久化Block的位置信息数据
- 文件写完以后,Client调用complete方法通知NameNode写入文件成功
- DataNode节点接收到并成功持久化一个Block的数据后,DataNode调用blockReceived方法通知NameNode已经接收到Block
具体RPC调用的详细过程,可以参考源码。
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评论(19): “HDFS写文件过程分析”
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我想知道怎么使用MapReduce批量上传文件!!都是小文件!
可以压缩打包成一个大文件上传,如果压缩文件是splittable的,对MapReduce计算很有优势的。
非常受教!不过楼主我两个问题想请教一下:1)看过很多资料都说各个数据节点都是pipeline的,但是假设副本数为3,数据节点为10,那样的话并不是每一个节点都存有同一个块的数据的对吧?如果是这样的话按照这种水龙头一样的ack确认是怎样的布局的呢?或者说各个数据节点真的是一个接连着一个的么?2)一个文件传到集群的时候,是首先文件的全部数据块传到某一个设为primary的数据节点,然后再决定把副本发送给另外哪些节点的么?
期待您的回答!
ps:读了您的几篇文章,非常有帮助!希望楼主坚持写下去!
明白下面几点,你就应该知道是怎么回事了:
1、数据在HDFS上存储的基本单位是Block,默认大小64M;
2、数据在Client和DataNode之间传输数据的基本单位是Packet,默认最大为65557B;
3、数据传输Pipeline,宏观上看是Block Pipeline,但是微观上其实是Packet Pipeline。
谢谢楼主,我觉得您的回答解决了我第一个问题,也就是针对每一个block,namenode给出了可以写入的几个datanode的列表,这几个datanode形成传输pipeline,以packet为单位传输数据,是么?
但是第二个问题我还有点疑问,我对您的回答的理解是,在传输数据的时候是对每个块都选择一个作为primary的数据节点,而不是对一个文件来选择一个作为primary的数据节点,是么?
肯定是以Block为单位,选择DataNode列表去存储数据。
在向HDFS写文件的时候,对于每一个Block(DFSClient会计算什么时候够一个Block大小),DFSClient都需要向NameNode进行一次RCP通信,申请分配(allocate)Block,而NameNode会返回一个可用的DataNode列表,DFSClient将该Block写入到这个DataNode列表中节点上。
建议读读源码。
你好,看了几篇hadoop写的文章之后, 看看我的理解是否有些偏差。
1. Client在向hadoop写数据, 把数据封装成packet放入到dataQueue队列中,通过DataStreamer线程进行发送,假设副本为3
数据发送到DataNode-1中,然后由DataNode-1将数据传递到DataNode-2,DataNode-3。等待响应线程处理,再次逆流而上
DataNode-3响应 -> DataNode-2,最终DataNode-1响应回去客户端。
上边其实就是备份一些操作,假设10就往10个节点写。当每次写完一个blockSize大小的时候就会清除(这里有段代码控制,有点忘记了)。
在写数据的时候,其实是往本地写。
嗯,大体逻辑差不多是这样的。后面你说“清除”,应该是每写一个block之前会向NameNode发送RPC请求申请分配block,写完之后如果还有数据,再次申请下一个block。
请问“基于Socket连接发送到按特定算法选择的HDFS集群中一组DataNode”这个具体实现在哪一部分代码里?
RPC调用NameNode的addBlock方法时,使用BlockPlacementPolicy(默认实现BlockPlacementPolicyDefault)来选择(方法chooseTarget)待分配的block放置在哪些节点上,可以查看源码。
楼主你好,请教几个问题。
1:如果默认block是64m,但文件很小比如10m。那么存储这个文件的block是只有10m,还是可以继续用别的小文件填满64m?
2:如果1是只有10m,是不是如果我的文件都小于blocksize,那么实际的block大小就都小于blocksize,这个值就是一个block允许的最大值?
3:如果1可以继续填满,能简单阐述下原理吗?
4:如果我的文件远小于64m,那么会对磁盘寻址效率有怎样影响?或者说对集群效率有怎样负面影响?除了namenode维护的block列表多了以外~
问题问的比较肤浅~
麻烦楼主方便的时候解答下~
多谢~
一个文件小于blocksize,那就一个文件一个block,不会追加。
进行MR计算的时候,每个split要启动一个Map,如果小文件太多,启动Map的开销可能比实际计算这个split的开销还要大。
感谢耐心解答~
追加个问题~
hdfs的一个block的数据在磁盘上是连续存储的吗?
如果不是,连续存储的单位是os的block吗?
是连续的,你可以看一下磁盘存储目录下面类似blk_1082986999这样名字的文件,这就是一个block的数据
您好,想请教您一个问题:block的地址能否获取,就是能用用IO流处理额那种地址。我实验了split.getpath 和 getlocation都不是我想要的地址。谢谢!
你试试FileSystem的getFileBlockLocations方法。
谢谢回复。getFileBlockLocations方法好像只能查到文件所有的block处在那个哪个datanode上。我想如果能在程序里得到当前block的ID,加上我自定义的hadoop/data/ 目录,就能组成一个路径。怎么得到当前的blockId呢,我不太会写啊,谢谢您~
我经验好像是会生成在配置文件中配置的路径下,比如/tmp/../blockId,就是实际上这个路径是你自己配置好了的,但是这个blockID应该不是那么容易得到的吧,或者说不一定是你想要的那个块的
赞博主~
再请教博主一个问题,我在往hdfs里写文件的时候发现这样一个现象:
当写文件的程序运行完成的时候,系统监控里依然能看到在写磁盘的操作,再过一会才会停止。此时程序已经执行完成,在hdfs里也能看到写入的文件,但写磁盘的操作仍在进行中。
这个现象总是出现的。
我猜测是虽然程序已经执行完成,在hdfs里也能看到写入的文件,但是还是有block的备份未被写完。
不知我的猜测是否成立呢