【Flink】从零搭建实时数据分析系统

最近在学 Flink，做了一个实时数据分析的 Demo，流程如下所示：

• Data Mock：作为生产者模拟数据，负责从本地文件系统中读取数据并发往 Kafka；
• Zookeeper：Kafka 的依赖；
• KafKa：消息队列，可以用于发布和订阅消息；
• Flink：流式处理引擎，作为消费者订阅 Kafka 的消息；
• ElasticSearch：搜索引擎，也可以作为实时存储引擎；
• Kibana：可视化 ElasticSearch 中的数据。

除了看过两周 Flink 外，其他的框架都没有接触过，只是简单的拿来用一下，也并不是很了解，所以本篇教程如果有什么错误，欢迎指出。

1.准备

1.1 环境准备

首先是环境准备：

• Java 8
• Zookeeper：3.6.1；
• Kafka：2.6.0；
• Flink：1.11.1；
• ElasticSearch：7.8.1
• Kibana：7.8.1（注意 ES 要与 Kibana 的版本相同）

因为用的是 mac，所以所有环境都可以通过 brew 一键安装，不过还是建议用 Docker 来安装各种环境。

1.2 数据准备

数据用的是淘宝的用户行为数据，可以在阿里天池上下载到，附上下载地址：

代码语言：javascript复制

数据：https://tianchi.aliyun.com/dataset/dataDetail?dataId=649

数据集包含了 2017 年 11 月 25 日至 2017 年 12 月 3 日之间，约一百万随机用户的所有行为（行为包括点击、购买、加购、喜欢）。数据集的组织形式和 MovieLens-20M 类似，即数据集的每一行表示一条用户行为，由用户ID、商品ID、商品类目ID、行为类型和时间戳组成，并以逗号分隔。数据集中每一列的详细描述如下：

列名称	说明
用户ID	整数类型，序列化后的用户ID
商品ID	整数类型，序列化后的商品ID
商品类目ID	整数类型，序列化后的商品所属类目ID
行为类型	字符串，枚举类型，包括('pv', 'buy', 'cart', 'fav')
时间戳	行为发生的时间戳

关于数据集大小的一些说明如下：

维度	数量
用户数量	987,994
商品数量	4,162,024
商品类目数量	9,439
所有行为数量	100,150,807

2.实战

2.1 Kafka

2.1.1 简介

先简单介绍下 Kafka。

Kafka 是分布式发布-订阅消息的系统，最初由LinkedIn公司开发的，之后成为Apache项目的一部分，Kafka是一个「分布式，可划分的，冗余备份的持久性的日志服务」，它主要用于处理活跃的流式数据。

kafka的作用「类似于缓存」，即活跃的数据和离线处理系统之间的缓存。

下图为 Kafka 的架构图：

简单介绍一下：

• Producer：消息生产者，向 Kafka Broker 发送消息（Push）；
• Consumer：消费者，从 Kafka Broker 订阅消息（Pull）；
• Broker：缓存代理，Kafka 集群中的服务器称为 Broker，每个 Broker 可以容纳多个 Topic；
• Topic：图上没有显示，消息的订阅和发布需要 Topic，相当于給消息取个名字，好分门别类；
• Zookeeper：Kafka 通过 Zookeeper 来管理集群，所以启动 Kafka 之前需要先启动 Zookeeper。

Mac 通过 brew install kafka 可以自动安装 zookeeper 和 kafka。

并通过下面的命令分别启动 zookeeper 和 kafka：

代码语言：javascript复制

zookeeper-server-start /usr/local/etc/kafka/zookeeper.properties & kafka-server-start /usr/local/etc/kafka/server.properties

注意观察启动信息，不要出现错误。

如果要关闭可可以运行下面的命令：

代码语言：javascript复制

kafka-server-stop & zookeepker-sever-stop

注意：

• 不要关闭终端，关掉了服务也没了；
• 通过 ctrl c 只能关闭 kafka，而无法关闭 kafka。

2.1.2 代码

由于没有线上接口，所以我们需要模拟一个消息源作为 Kafka 的消息生产者。

首先常见一个 maven 项目，建议先统一配置写环境的版本：

代码语言：javascript复制

<properties>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
    <flink.version>1.11.1</flink.version>
    <java.version>1.8</java.version>
    <scala.binary.version>2.12</scala.binary.version>
    <kafka.version>2.6.0</kafka.version>
    <maven.compiler.source>${java.version}</maven.compiler.source>
    <maven.compiler.target>${java.version}</maven.compiler.target>
</properties>

首先导入依赖：

代码语言：javascript复制

<dependency>
    <groupId>org.apache.kafka</groupId>
    <artifactId>kafka_${scala.binary.version}</artifactId>
    <version>${kafka.version}</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.apache.kafka</groupId>
    <artifactId>kafka-clients</artifactId>
    <version>${kafka.version}</version>
</dependency>

然后创建一个 Kafka 生产者对象：

代码语言：javascript复制

String kafkaTopic = "user_behavior";
// 使用本地和默认端口
String brokers = "localhost:9092";

Properties kafkaProps = new Properties();
kafkaProps.put("bootstrap.servers", brokers);
kafkaProps.put("key.serializer", ByteArraySerializer.class.getCanonicalName());
kafkaProps.put("value.serializer", ByteArraySerializer.class.getCanonicalName());

KafkaProducer producer = new KafkaProducer(kafkaProps);

最后我们需要读入用户行为数据，并发送到 kafka 中：

代码语言：javascript复制

String file_path = "src/main/resources/user_behavior.log";
InputStream inputStream = new FileInputStream(new File(file_path));
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));
while (reader.ready()) {
    String line = reader.readLine();
    System.out.println(line);
    // 发送数据
    producer.send(new ProducerRecord(kafkaTopic, line.getBytes()));
}
reader.close();
inputStream.close();

以上便完成了消息的发送，当然为了控制速度和断点恢复，我们还可以增加一些其他的操作。

IDEA 打印出来的效果如下：

代码语言：javascript复制

907262,1081754,149192,pv,1511719039
62462,3472936,3607361,pv,1511719039
576622,4768884,4173315,pv,1511719039
308186,749954,3361496,pv,1511719039
396723,2738192,1464116,pv,1511719039
1262,1107525,1859277,pv,1511719039
49696,2387323,1879194,pv,1511719039

我们可以在终端中通过以下命令查看 Kafka 是否有消息产生：

代码语言：javascript复制

kafka-console-consumer --bootstrap-server localhost:9092 --topic user_behavior --from-beginning

2.2 Flink

2.2.1 简介

Flink 是一个分布式大数据处理引擎，以数据并行和管道方式执行任意流数据程序，并且支持批处理和流处理程序。Flink 提供高吞吐量、低延迟的流数据引擎，并且支持事件时间处理和状态管理。

其架构我们就不看了，看一些更容易理解的内容，比如说如何写代码：

其实很简单，主要分为四块：

• Environment：定义环境，比如说流处理还是批处理，图上没画；
• Source；数据源接入；
• Transformation：数据转换处理等操作；
• Sink：（下沉）也意味着数据存储。

Mac 通过 brew install apache-flink 可以一键安装 flink。

2.2.2 代码

我们来尝试一下。

首先导入必要的依赖：

代码语言：javascript复制

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-clients_${scala.binary.version}</artifactId>
    <version>${flink.version}</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-java</artifactId>
    <version>${flink.version}</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-streaming-java_${scala.binary.version}</artifactId>
    <version>${flink.version}</version>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-connector-kafka_${scala.binary.version}</artifactId>
    <version>${flink.version}</version>
</dependency>

然后定义个流处理环境，并设置事件时间：

代码语言：javascript复制

// Environment
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);

简单提一下事件时间，顾名思义：这个事件发生的时间，对应处理时间：事件被处理时的时间。我们在简介里提到 Flink 支持事件时间处理指的就是这个。

接着我们需要订阅 Kafka 的消息作为数据流的来源。

代码语言：javascript复制

// Source
Properties properties = new Properties();
properties.setProperty("bootstrap.servers", "localhost:9092");
properties.setProperty("group.id", "test");
DataStreamSource<String> stream = env.addSource(new FlinkKafkaConsumer<>("user_behavior",
        new SimpleStringSchema(), properties));

user_behavior 是我们刚刚发布消息时指定的 topic。

为了更好的处理消息，我先把消息转换成一个名为 Behavior 的对象。

定义 Behavior 类：

代码语言：javascript复制

public class Behavior{
    private String user_id;
    private String item_id;
    private String category_id;
    private String behavior;
    private long timestamp;
}

构造方法、get、set 方法可以自己添加，为了节省篇幅就不写上去了。

然后我们将订阅的信息流转换成 Behavior 对象：

代码语言：javascript复制

SingleOutputStreamOperator<Behavior> behaviorStream = stream
        .map((MapFunction<String, Behavior>) s -> {String[] split = s.split(",");
        Long ts = Long.parseLong(split[4]) * 1000;
        Behavior behavior = new Behavior(split[0], split[1], split[2], split[3], ts);
        return behavior;
        }).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                .<Behavior>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                .withTimestampAssigner((SerializableTimestampAssigner<Behavior>)
                        (behavior, l) -> behavior.getTimestamp())
        );

这块稍微有些复杂，详细介绍一下。

仔细看一下可以发现这其实由两个操作组成：map 和 assignTimestampsAndWatermarks。

先来看 map 操作：

代码语言：javascript复制

.map((MapFunction<String, Behavior>) s -> {String[] split = s.split(",");
Long ts = Long.parseLong(split[4]) * 1000;
Behavior behavior = new Behavior(split[0], split[1], split[2], split[3], ts);
return behavior;
})

这其实是一个 lambda 表达式，把输入进来的 String s，根据逗号先 split 成数组，把时间戳所在的位置 *1000，之所以乘上 1000 是为了将时间戳从秒改成毫秒。最后通过 Behavior 的构造函数构造一个对象，并返回。

再来看一下 assignTimestampsAndWatermarks 操作。

代码语言：javascript复制

.assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                .<Behavior>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                .withTimestampAssigner((SerializableTimestampAssigner<Behavior>)
                        (behavior, ts) -> behavior.getTimestamp())
        )

这部分主要是为该数据流分配一个事件时间和水位线，事件时间以及介绍过了很好理解，而水位线大致可以理解为：流处理过程中可能会有乱序，所以设置一个水位线相当于可以接受的最大的延迟时间，在这个时间内，我们可以进行顺序输出。forBoundedOutOfOrderness 是固定延迟的水位线，并设置了 3 秒的延迟。

接着我们可以做些统计数据：

代码语言：javascript复制

behaviorStream.windowAll(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
        .process(new BehaviorCountWinFunc())
     .print();

behaviorStream 主要执行了操作：windowAll、process 和 print。

windowAll 即开窗操作，并使用基于事件时间的滑动 SlidingEventTimeWindows，配上参数可以理解为每 5 秒统计一下过去 10 秒的窗口；

process 是对窗口进行的一些操作，我定一个 BehaviorCountWinFunc 类并继承 ProcessAllWindowFunction，主要用于统计窗口内的用户行为。

代码语言：javascript复制

public class BehaviorCountWinFunc extends ProcessAllWindowFunction<Behavior, Object [], TimeWindow> {
    @Override
    public void process(Context ctx, Iterable<Behavior> iterable,
                        Collector<Object []> out) {
        int buy = 0;
        int fav = 0;
        int cart = 0;
        int pv = 0;
        for (Behavior be : iterable) {
            switch (be.getBehavior()) {
                case "buy":
                      buy;
                    break;
                case "fav":
                      fav;
                    break;
                case "cart":
                      cart;
                    break;
                case "pv":
                      pv;
                default:
                    break;
            }
        }
        Object statis[] = {buy, fav, cart, pv, ctx.window().getEnd()};
        System.out.println(statis.toString());
        out.collect(statis);
    }
}

值得注意的是，我在返回的结果中，除了统计量外还放入了窗口的最后时间。因为之前设置了事件时间，所以该窗口的最后的时间即为窗口内最后一个事件的时间。

print 就是终端打印，也可以理解为另一种 sink。

我们看一下效果：

代码语言：javascript复制

{Pv=116, Buy=1, Fav=3, Time=1511726210000, Cart=4}
{Pv=113, Buy=0, Fav=2, Time=1511726230000, Cart=5}
{Pv=124, Buy=3, Fav=4, Time=1511726240000, Cart=3}
{Pv=132, Buy=2, Fav=3, Time=1511726220000, Cart=5}
{Pv=120, Buy=2, Fav=3, Time=1511726235000, Cart=3}
{Pv=127, Buy=1, Fav=1, Time=1511726225000, Cart=6}
{Pv=121, Buy=1, Fav=6, Time=1511726205000, Cart=7}
{Pv=126, Buy=2, Fav=3, Time=1511726215000, Cart=4}

至此，实时处理数据流的操作就结束了。

2.3 ElasticSearch

我们再来看看 Elasticsearch。

2.3.1 简介

Elasticsearch 是一个搜索引擎，除此之外，它可以作为一个分布式的实时文件存储系统。

这里用 ES 作为 Flink 的 sink 的地方，主要是为了使用 Kibana 进行数据可视化，当然你也可以使用 ClickHouse Tabxi。（注意 Flink 连接 ClinkHouse 目前还没有一个很好的依赖。）

由于只是将 ES 做为一个存储工具，所以对 ES 的了解止步于此，感兴趣的可以自行学习。

ES 在 Mac 上安装非常简单：brew install elasticsearch。

在终端上输入 elasticsearch 便可运行。

2.3.2 代码

Flink 的 sink 代码如下：

代码语言：javascript复制

// ES 配置 
List<HttpHost> httpHosts = new ArrayList<>();
httpHosts.add(new HttpHost("127.0.0.1", 9200, "http"));

// 构建一个 ElasticsearchSink 的 bulider
ElasticsearchSink.Builder<Object[]> esSinkTenSec = new ElasticsearchSink.Builder<>(
    httpHosts, new BehaviorCountSinkFunc("statis-user-behavior-10s"));
esSinkTenSec.setBulkFlushMaxActions(1);

behaviorStream.windowAll(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
        .process(new BehaviorCountWinFunc())
        .addSink(esSinkTenSec.build());

首先是 ES 的基本配置：本机和默认端口。

然后构建一个 ElasticsearchSink.Builder，里面有一个我写的类——BehaviorCountSinkFunc，用于定义 sink 到 ES 的数据。

来看一下：

代码语言：javascript复制

public class BehaviorCountSinkFunc implements ElasticsearchSinkFunction<Object []> {

    private String indexName = "";

    public BehaviorCountSinkFunc(String indexName) {
        this.indexName = indexName;
    }

    public IndexRequest createIndexRequest(Object [] element) {
        Map<String, Object> json = new HashMap<>();
        json.put("Buy", element[0]);
        json.put("Fav", element[1]);
        json.put("Cart", element[2]);
        json.put("Pv", element[3]);
        json.put("Time", element[4]);
        System.out.println(indexName   " 发送数据："   json.toString());
        return Requests.indexRequest().index(indexName).source(json);
    }
    
    @Override
    public void process(Object[] element, RuntimeContext ctx, RequestIndexer indexer) {
        indexer.add(createIndexRequest(element));
    }
}

通过构造方法传入一个 indexName，这个 indexName 的功能类似与 Kafka 中的 Topic。类中重写了 process 方法，其将 Object[] element 传給 createIndexRequest 方法，并获得 IndexRequest。比较简单，看下代码应该就能理解。

然后 setBulkFlushMaxActions：

代码语言：javascript复制

esSinkTenSec.setBulkFlushMaxActions(1);

这个可以理解为最大缓冲。

最后利用 addSink(esSinkTenSec.build()) 来替换 print。

因为打印了，所以可以看一下效果：

代码语言：javascript复制

statis-user-behavior-10s 发送数据：{Pv=144, Buy=4, Fav=2, Time=1511731045000, Cart=8}
statis-user-behavior-10s 发送数据：{Pv=144, Buy=1, Fav=6, Time=1511731030000, Cart=13}
statis-user-behavior-10s 发送数据：{Pv=121, Buy=1, Fav=3, Time=1511731035000, Cart=14}
statis-user-behavior-10s 发送数据：{Pv=124, Buy=2, Fav=4, Time=1511731040000, Cart=11}

我们可以通过访问：http://localhost:9200/_cat/indices?v 来查看现有的 topic：

2.4 Kibana

Kibana 是一个开源的分析和可视化平台，设计用于和 Elasticsearch 一起工作。你用 Kibana 来搜索，查看，并和存储在 Elasticsearch 索引中的数据进行交互。也可以轻松的执行高级数据分析，并且以各种图标、表格和地图的形式可视化数据。

Mac 安装依旧简单：brew install kabana，并通过 kibana 进行启动。

通过访问 http://localhost:5601/ 可以访问到 kibana 的界面：

我们可以通过 Management -> Index patterns -> Create Index patterns 创建与 ES 中的 index 相关联的数据。

我们可以通过 discover 查看、检索数据：

当然，也可以进行可视化：

至此便全部讲解完毕来。

3.总结

本文介绍了如何使用 Kafka、Flink、ES、Kibana 搭建一个实时数据分析系统的 Demo，整个过程相对比较简单，但是想搭建一个完整的系统还是很花时间和精力的，特别是在 Kibana 上还遇到了一个很头疼至今未解决的 Bug = =。

当然，本文还是以学习 Flink 为主，其他的都是辅助工具，未来还会为该系统添加更多功能。如果系统做的不错的话会考虑开放源码，如果有感兴趣的同学也欢迎一起学习一起讨论。

4.参考

1. 《Demo：基于 Flink SQL 构建流式应用》
2. 《User Behavior Data from Taobao for Recommendation》
3. 《Kafka介绍之概念》

flink 大数据 es apache http

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