Flink
Flink 核心特点
批流一体
所有的数据都天然带有时间的概念，必然发生在某一个时间点。把事件按照时间顺序排列起来，就形成了一个事件流，也叫作数据流。「无界数据」是持续产生的数据，所以必须持续地处理无界数据流。「有界数据」，就是在一个确定的时间范围内的数据流，有开始有结束，一旦确定了就不会再改变。
可靠的容错能力
- 集群级容错
- 集群管理器集成（Hadoop YARN、Mesos或Kubernetes）
- 高可用性设置（HA模式基于ApacheZooKeeper）
- 应用级容错（ Checkpoint）
- 一致性（其本身支持Exactly-Once 语义）
- 轻量级（检查点的执行异步和增量检查点）
- 高吞吐、低延迟
运行时架构
运行时架构图
- Flink 客户端
- 提交Flink作业到Flink集群
- Stream Graph 和 Job Graph构建
- JobManager
- 资源申请
- 任务调度
- 应用容错
- TaskManager
- 接收JobManager 分发的子任务，管理子任务
- 任务处理（消费数据、处理数据）
Flink 应用
数据流
DataStream 体系
- DataStream(每个DataStream都有一个Transformation对象)
- DataStreamSource（DataStream的起点）
- DataStreamSink（DataStream的输出）
- KeyedStream（表示根据指定的Key记性分组的数据流）
- WindowdeStream & AllWindowedStream（根据key分组且基于WindowAssigner切分窗口的数据流）
- JoinedStreams & CoGroupedStreams
- JoinedStreams底层使用CoGroupedStreams来实现
- CoGrouped侧重的是Group，对数据进行分组，是对同一个key上的两组集合进行操作
- Join侧重的是数据对，对同一个key的每一对元素进行操作
- ConnectedStreams（表示两个数据流的组合）
- BroadcastStream & BroadcastConnectedStream（DataStream的广播行为）
- IterativeStream（包含IterativeStream的Dataflow是一个有向有环图）
- AsyncDataStream（在DataStream上使用异步函数的能力）
处理数据API
处理数据API
核心抽象
环境对象
数据流元素
- StreamRecord（数据流中的一条记录｜事件）
- 数据的值本身
- 时间戳（可选）
- LatencyMarker（用来近似评估延迟）
- 周期性的在数据源算子中创造出来的时间戳
- 算子编号
- 数据源所在的Task编号
- Watemark（是一个时间戳，用来告诉算子所有时间早于等于Watermark的事件或记录都已经到达，不会再有比Watermark更早的记录，算子可以根据Watermark触发窗口的计算、清理资源等）
- StreamStatus（用来通知Task是否会继续接收到上游的记录或者Watermark）
- 空闲状态（IDLE）。
- 活动状态（ACTIVE）。
Flink 异步IO
原理
顺序输出模式（先收到的数据元素先输出，后续数据元素的异步函数调用无论是否先完成，都需要等待）
无序输出模式（先处理完的数据元素先输出，不保证消息顺序）
数据分区
- ForwardPartitioner（用于在同一个OperatorChain中上下游算子之间的数据转发，实际上数据是直接传递给下游的）
- ShufflePartitioner（随机将元素进行分区，可以确保下游的Task能够均匀地获得数据）
- ReblancePartitioner（以Round-robin的方式为每个元素分配分区，确保下游的Task可以均匀地获得数据，避免数据倾斜）
- RescalingPartitioner（用Round-robin选择下游的一个Task进行数据分区，如上游有2个Source，下游有6个Map，那么每个Source会分配3个固定的下游Map，不会向未分配给自己的分区写入数据）
- BroadcastPartitioner（将该记录广播给所有分区）
- KeyGroupStreamPartitioner（KeyedStream根据KeyGroup索引编号进行分区，该分区器不是提供给用户来用的）
窗口
实现原理
- WindowAssigner（用来决定某个元素被分配到哪个/哪些窗口中去）
- WindowTrigger（决定一个窗口何时能够呗计算或清除，每一个窗口都拥有一个属于自己的Trigger）
- WindowEvictor（窗口数据的过滤器，可在Window Function 执行前或后，从Window中过滤元素）
- CountEvictor：计数过滤器。在Window中保留指定数量的元素，并从窗口头部开始丢弃其余元素
- DeltaEvictor：阈值过滤器。丢弃超过阈值的数据记录
- TimeEvictor：时间过滤器。保留最新一段时间内的元素
Watermark （水印）
作用
用于处理乱序事件，而正确地处理乱序事件，通常用Watermark机制结合窗口来实现
DataStream Watermark 生成
- Source Function 中生成Watermark
- DataStream API 中生成Watermark
- AssingerWithPeriodicWatermarks （周期性的生成Watermark策略，不会针对每个事件都生成）
- AssingerWithPunctuatedWatermarks （对每个事件都尝试进行Watermark的生成，如果生成的结果是null 或Watermark小于之前的，则不会发往下游）
内存管理
自主内存管理
原因
- JVM内存管理的不足
- 有效数据密度低
- 垃圾回收（大数据场景下需要消耗大量的内存，更容易触发Full GC ）
- OOM 问题影响稳定性
- 缓存未命中问题（Java对象在堆上存储时并不是连续的）
- 自主内存管理
- 堆上内存的使用、监控、调试简单，堆外内存出现问题后的诊断则较为复杂
- Flink有时需要分配短生命周期的MemorySegment，在堆外内存上分配比在堆上内存开销更高。
- 在Flink的测试中，部分操作在堆外内存上会比堆上内存慢
- 大内存（上百GB）JVM的启动需要很长时间，Full GC可以达到分钟级。使用堆外内存，可以将大量的数据保存在堆外，极大地减小堆内存，避免GC和内存溢出的问题。
- 高效的IO操作。堆外内存在写磁盘或网络传输时是zero-copy，而堆上内存则至少需要1次内存复制。
- 堆外内存是进程间共享的。也就是说，即使JVM进程崩溃也不会丢失数据。这可以用来做故障恢复（Flink暂时没有利用这项功能，不过未来很可能会去做）
- 堆外内存的优势
- 堆外内存的不足
内存模型
内存模型图
MemorySegment（内存段）
一个MemorySegment对应着一个32KB大小的内存块。这块内存既可以是堆上内存（Java的byte数组），也可以是堆外内存（基于Netty的DirectByteBuffer）
图解
结构
- BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET（二进制字节数组的起始索引）
- LITTLE_ENDIAN（判断是否为Little Endian模式的字节存储顺序，若不是，就是Big Endian模式）
- Big Endian：低地址存放最高有效字节（MSB）
- Little Endian：低地址存放最低有效字节（LSB）X86机器
- HeapMemory（如果MemeorySegment使用堆上内存，则表示一个堆上的字节数组（byte［］），如果MemorySegment使用堆外内存，则为null）
- address（字节数组对应的相对地址）
- addressLimit（标识地址结束位置）
- size（内存段的字节数）
实现
- HybirdMemorySegment：用来分配堆上和堆外内存和堆上内存，Flink 在实际使用中只使用了改方式。原因是当有多个实现时，JIT无法直接在编译时自动识别优化
- HeapMemorySegment：用来分配堆上内存，实际没有实现
MemroyManager（内存管理器）
实际申请的是堆外内存，通过RocksDB的Block Cache和WriterBufferManager参数来限制，RocksDB使用的内存量
State（状态）
状态管理需要考虑的因素：
- 状态数据的存储和访问
- 状态数据的备份和恢复
- 状态数据的划分和动态扩容
- 状态数据的清理
分类
状态存储
- MemoryStateBackend：纯内存，适用于验证、测试，不推荐生产环境
- FsStateBackend：内存 文件，适用于长周期大规模的数据
- RocksDBStateBackend：RocksDB，适用于长周期大规模的数据
重分布
- ListState：并行度在改变的时候，会将并发上的每个List都取出，然后把这些List合并到一个新的List,根据元素的个数均匀分配给新的Task
- UnionListState:把划分的方式交给用户去做，当改变并发的时候，会将原来的List拼接起来，然后不做划分，直接交给用户
- BroadcastState:变并发的时候，把这些数据分发到新的Task即可
- KeyState：Key-Group数量取决于最大并行度（MaxParallism）
作业提交
资源管理
关系图
Slot选择策略
- LocationPreferenceSlotSelectionStrategy（位置优先的选择策略）
- DefaultLocationPreferenceSlotSelectionStrategy（默认策略），该策略不考虑资源的均衡分配，会从满足条件的可用Slot集合选择第1个
- EvenlySpreadOutLocationPreferenceSlotSelectionStrategy（均衡策略），该策略考虑资源的均衡分配，会从满足条件的可用Slot集合中选择剩余资源最多的Slot，尽量让各个TaskManager均衡地承担计算压力
- PreviousAllocationSlotSelectionStrategy（已分配Slot优先的选择策略），如果当前没有空闲的已分配Slot，则仍然会使用位置优先的策略来分配和申请Slot
调度
- SchedulerNG （调度器）
- 作用
- 实现
- DefaultScheduler（使用ScchedulerStrategy来实现）
- LegacyScheduler（实际使用了原来的ExecutionGraph的调度逻辑）
- 作业的生命周期管理（开始调度、挂起、取消）
- 作业执行资源的申请、分配、释放
- 作业状态的管理（发布过程中的状态变化、作业异常时的FailOver
- 作业的信息提供，对外提供作业的详细信息
- SchedulingStrategy（调度策略）
- 实现
- EagerSchelingStrategy（该调度策略用来执行流计算作业的调度）
- LazyFromSourceSchedulingStrategy（该调度策略用来执行批处理作业的调度）
- startScheduling：调度入口，触发调度器的调度行为
- restartTasks：重启执行失败的Task，一般是Task执行异常导致的
- onExecutionStateChange：当Execution的状态发生改变时
- onPartitionConsumable：当IntermediateResultParitititon中的数据可以消费时
- ScheduleMode（调度模式）
- Eager调度（该模式适用于流计算。一次性申请需要所有的资源，如果资源不足，则作业启动失败。）
- Lazy_From_Sources分阶段调度（适用于批处理。从Source Task开始分阶段调度，申请资源的时候，一次性申请本阶段所需要的所有资源。上游Task执行完毕后开始调度执行下游的Task，读取上游的数据，执行本阶段的计算任务，执行完毕之后，调度后一个阶段的Task，依次进行调度，直到作业执行完成）
- Lazy_From_Sources_With_Batch_Slot_Request分阶段Slot重用调度（适用于批处理。与分阶段调度基本一样，区别在于该模式下使用批处理资源申请模式，可以在资源不足的情况下执行作业，但是需要确保在本阶段的作业执行中没有Shuffle行为）
关键组件
JobMaster
- 调度执行和管理（将JobGraph转化为ExecutionGraph，调度Task的执行，并处理Task的异常）
- InputSplit 分配
- 结果分区跟踪
- 作业执行异常
- 作业Slot资源管理
- 检查点与保存点
- 监控运维相关
- 心跳管理
Task
结构
作业调度失败
失败异常分类
- NonRecoverableError：不可恢复的错误。此类错误意味着即便是重启也无法恢复作业到正常状态，一旦发生此类错误，则作业执行失败，直接退出作业执行
- PartitionDataMissingError：分区数据不可访问错误。下游Task无法读取上游Task产生的数据，需要重启上游的Task
- EnvironmentError：环境的错误。这种错误需要在调度策略上进行改进，如使用黑名单机制，排除有问题的机器、服务，避免将失败的Task重新调度到这些机器上。
- RecoverableError：可恢复的错误
容错
容错保证语义
- At-Most-Once（最多一次）
- At-Leat-Once（最少一次）
- Exactly-Once（引擎内严格一次）
- End-to-End Exaacly-Once （端到端严格一次）
保存点恢复
- 算子顺序的改变，如果对应的UID没变，则可以恢复，如果对应的UID变了则恢复失败。
- 作业中添加了新的算子，如果是无状态算子，没有影响，可以正常恢复，如果是有状态的算子，跟无状态的算子一样处理。
- 从作业中删除了一个有状态的算子，默认需要恢复保存点中所记录的所有算子的状态，如果删除了一个有状态的算子，从保存点恢复的时候被删除的OperatorID找不到，所以会报错，可以通过在命令中添加-allowNonRestoredState （short: -n）跳过无法恢复的算子。
- 添加和删除无状态的算子，如果手动设置了UID，则可以恢复，保存点中不记录无状态的算子，如果是自动分配的UID，那么有状态算子的UID可能会变（Flink使用一个单调递增的计数器生成UID，DAG改版，计数器极有可能会变），很有可能恢复失败。
- 恢复的时候调整并行度，Flink1.2.0及以上版本,如果没有使用作废的API，则没问题；1.2.0以下版本需要首先升级到1.2.0才可以。
端到端严格一次
前提条件
- 数据源支持断点读取
- 外部存储支持回滚机制或者满足幂等性
图解
实现
TwoPhaseCommitSinkFunction
- beginTransaction，开启一个事务，在临时目录中创建一个临时文件，之后写入数据到该文件中。此过程为不同的事务创建隔离，避免数据混淆。
- preCommit。预提交阶段。将缓存数据块写出到创建的临时文件，然后关闭该文件，确保不再写入新数据到该文件，同时开启一个新事务，执行属于下一个检查点的写入操作。
- commit。在提交阶段，以原子操作的方式将上一阶段的文件写入真正的文件目录下。如果提交失败，Flink应用会重启，并调用TwoPhaseCommitSinkFunction#recoverAndCommit方法尝试恢复并重新提交事务。
- abort。一旦终止事务，删除临时文件。
Flink SQL
关系图
FLINK API
DataStrem JOIN
Window JOIN
代码语言：javascript复制stream.join(otherStream)
.where(<KeySelector>)
.equalTo(<KeySelector>)
.window(<WindowAssigner>)
.apply(<JoinFunction>)
Tumbling Window Join
代码语言：javascript复制DataStream<Integer> orangeStream = ...
DataStream<Integer> greenStream = ...
orangeStream.join(greenStream)
.where(<KeySelector>)
.equalTo(<KeySelector>)
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.milliseconds(2)))
.apply (new JoinFunction<Integer, Integer, String> (){
@Override
public String join(Integer first, Integer second) {
return first "," second;
}
});
Sliding Window Join
代码语言：javascript复制DataStream<Integer> orangeStream = ...
DataStream<Integer> greenStream = ...
orangeStream.join(greenStream)
.where(<KeySelector>)
.equalTo(<KeySelector>)
.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.milliseconds(2) /* size */, Time.milliseconds(1) /* slide */))
.apply (new JoinFunction<Integer, Integer, String> (){
@Override
public String join(Integer first, Integer second) {
return first "," second;
}
});
Session Window Join
代码语言：javascript复制DataStream<Integer> orangeStream = ...
DataStream<Integer> greenStream = ...
orangeStream.join(greenStream)
.where(<KeySelector>)
.equalTo(<KeySelector>)
.window(EventTimeSessionWindows.withGap(Time.milliseconds(1)))
.apply (new JoinFunction<Integer, Integer, String> (){
@Override
public String join(Integer first, Integer second) {
return first "," second;
}
});
