Flink Metrics&REST API 介绍和原理解析

2022-05-07 12:40:10 浏览数 (1)

作者：吴云涛，腾讯 CSIG 高级工程师

一个监控系统对于每一个服务和应用基本上都是必不可少的。在 Flink 源码中监控相关功能主要在 flink-metrics 模块中，用于对 Flink 应用进行性能度量。Flink 监控模块使用的是当前比较流行的 metrics-core 库，来自 Coda Hale 的 dropwizard/metrics [1]。dropwizard/metrics 不仅仅在 Flink 项目中使用到，Kafka、Spark 等项目也是用的这个库。Metrics 包含监控的指标（Metric）以及指标如何导出（Reporter）。Metric 为多层树形结构，Metric Group Metric Name 构成了指标的唯一标识。Reporter 支持上报到 JMX、Influxdb、Prometheus 等时序数据库。Flink 监控模块具体的使用配置可以在 flink-core 模块的 org.apache.flink.configuration.MetricOptions 中找到。

指标类型

Flink 支持 Metrics 中的 Counters、 Gauges、 Histograms 和 Meters 四种类型指标。 

  • Counter Counter 计数器用于计数。可以使用 inc()/inc(long n) 或 dec()/dec(long n) 来减小或减小当前值。可以通过在 MetricGroup 上调用 counter(String name) 来创建和注册计数器。例如，Flink 算子的接收记录总数 (numRecordsIn) 和发送记录总数 (numRecordsOut) 就属于 Counter 类型。 
  • Gauge Gauge 计量器根据需要提供任何类型的值。使用 Gauge 可以通过在 MetricGroup 上调用 gauge(String name, Gauge gauge) 来注册 Gauge 计量器。例如，Status.JVM.Memory.Heap.Used 当前堆内存使用量就属于此类型。 
  • Histogram Histogram 直方图（柱状图）用来统计数据的分布。您可以通过在 MetricGroup 上调用 histogram(String name, Histogram histogram) 来注册 Histogram 直方图。用于统计一些数据的分布，比如分位数（Quantile）、均值、标准偏差（StdDev）、最大值、最小值等，其中最重要一个是统计算子的延迟。此项指标会记录数据处理的延迟信息，对任务监控起到很重要的作用。 
  • Meter Meter 计量器用来测量平均吞吐量或每个单位时间内出现的次数。可以使用 markEvent() 方法注册事件的发生。多个事件同时发生可以用 markEvent(long n) 方法注册。您可以通过在 MetricGroup 上调用 meter(String name, Meter Meter) 来注册一个计量器。例如，记录每秒接收记录数（numRecordsInPerSecond）、每秒输出记录数（numRecordsOutPerSecond）属于 Meter 类型。 

Scope 作用范围

Scope 包含用户域和系统域。Flink 的指标体系是按树形结构划分的，每个指标都用一个标识符来表示，标识符的会以“系统域.用户域.名称”的格式来命名。 

常见指标类型

常见系统指标类型包含 CPU、内存、线程、垃圾回收、类加载、网络状况、Shuffle 相关、集群、Job 、可用性相关、Checkpoint、IO、Connectors、系统资源等指标。 End-to-End latency 端到端链路时延指标，默认关闭。将 metrics.latency.interval 参数值设为大于 0 时开启此设置。该指标的实现是采用了一个叫 LatencyMarker 带有时间戳的 StreamElement 。Flink 会周期性地触发 LatencyMarker，从 StreamSource 标记初始时间戳后通过各个算子传递到下游，每到一个算子时就会算出本地时间戳与 Source 生成时间戳的差值，当到达最后一个算子或 Sink 时即可得到端到端链路的时延。这个指标对 Flink 集群的性能影响很大，建议只在调试阶段使用。 State access latency 状态访问延迟指标，默认关闭。将 state.backend.latency-track.keyed-state-enabled 设为 true 开启此设置。状态访问延迟指标能够追踪 keyed state 访问延迟和任何继承自 AbstractStateBackend 的 State。 

自定义 Metrics

那么如何根据上述指标类型来实现一个自定义的指标呢？我们需要在 Flink 应用中通过调用 getRuntimeContext().getMetricGroup() 从任何扩展实现 RichFunction 接口的 UDF 函数访问 Metric 系统。getMetricGroup 方法返回一个 MetricGroup 对象，我们在这个 MetricGroup 对象上创建和注册自定义指标。MetricRegistry 用于追踪所有注册了的 Metrics ，通过其实现类 MetricRegistryImpl 将 MetricGroup 和 MetricReporter 链接起来。 自定义 Metrics 示例： 

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StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();DataStream dataStream = env.fromElements(1, 2, 3, 4);dataStream.map(new RichMapFunction<Integer, String>() { Counter mycounter;
 @Override public void open(Configuration parameters) {   mycounter = getRuntimeContext()    .getMetricGroup()    .addGroup("MyMetricGroup")    .counter("myCounter");}
 @Override public String map(Integer num) throws Exception {   mycounter.inc(); // 累计映射后的值   return num.toString();}});dataStream.print("String data-");env.execute();

Metrics 上报机制

Flink 的指标上报有两种方式：内置 Reporter 主动推送和 REST API 被动拉取。Flink 的 WebUI 中采用的是 REST API 的方式获取指标，我们可以通过 flink-rumtime 模块的 WebMonitorEndpoint 类可以查看到具体上报了哪些指标种类。 

Metric Reporter 上报指标

Metric Reporter [1] 通过一个单线程的线程池定时调用 Scheduled 接口的实现类的 report 函数完成定时上报数据，默认每 10 秒上报一次。flink-metrics 模块中通过实现 MetricReporter 接口实现了对 Datadog、Graphite、Influxdb、JMX、Prometheus、Slf4j 日志、StatsD（网络守护进程）等日志模块和监控系统的支持。 以 Prometheus 为例，简单说明一下 Flink 是如何以主动推送方式上报监控指标的。 

如需支持自定义 Reporter，例如 KafkaReporter，我们需要实现 MetricReporter、Scheduled接口并重写 report 方法即可。MetricRegistry 是在 flink-rumtime 模块 ClusterEntrypoint 类 initializeServices 方法中完成了对 Reporters 的注册。 

REST API 接口上报指标  

REST API 则是通过提供 RESTful 接口返回集群、作业、算子等状态。使用 Netty 和 Netty Router 库来处理 REST 请求和转换 URL。 例如，用 Postman 等 REST 工具来获得 JobManager 的通用指标。

代码语言：javascript复制
GET /jobmanager/metrics
# Response[{"id":"taskSlotsAvailable"},{"id":"taskSlotsTotal"},{"id":"Status.JVM.Memory.Mapped.MemoryUsed"},{"id":"Status.JVM.CPU.Time"},......{"id":"Status.JVM.Memory.Heap.Used"},{"id":"Status.JVM.Memory.Heap.Max"},{"id":"Status.JVM.ClassLoader.ClassesUnloaded"}]

REST 支持的常见接口可参考下表，更多接口请参考 Flink 官方文档 REST API 调用 [3]。   

常见 REST 接口

接口说明

/jobmanager/metrics

Jobmanger 汇总指标

/taskmanagers/<taskmanagerid>/metrics

单个 TaskManager 相关指标

/jobs/<jobid>/metrics

单个 Job 相关指标

/jobs/<jobid>/vertices/<vertexid>/subtasks/<subtaskindex>

单个 subtask 相关指标

/taskmanagers/metrics

TaskManager 汇总指标

/jobs/metrics

Job 汇总指标

更多 Rest API 请参考 REST API 接口说明 [4]。

总结  

Flink 支持的四种指标类型里，在累计计数时使用 Counter，一般当我们需要统计函数的调用频率（TPS）会用到 Meters，统计函数的执行耗时会用到 Histograms 直方图，统计 Java Heap 使用量等瞬时值或统计吞吐时用到 Gauge。当定位应用性能问题时，一般我们会先从业务维度上出发来判断问题的瓶颈。比如并行度是否合理、是否有背压、是否数据倾斜等；其次才是根据 Checkpoint 对齐（等待）、垃圾回收、State 存储等耗时来进一步分析；最后，再从系统指标中分析 CPU、网络 IO、磁盘 IO 等使用情况。腾讯云 流计算 Oceanus [5] 平台是基于 Apache Flink 构建的企业级实时大数据分析平台，已经完整地支持了上述指标的配置，也支持自定义 Prometheus 的监控指标上报，还能够完成告警的实时提醒功能。如何实现实时告警，可参考文章 实时监控：基于流计算 Oceanus（Flink) 实现系统和应用级实时监控 [6]。腾讯云流计算 Oceanus 还提供了 1 元购 Flink 集群 [7]活动，欢迎大家购买体验。

参考阅读

[1] dropwizard/metrics：https://github.com/dropwizard/metrics

[2]  Metric Reporter：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.14/docs/deployment/metric_reporters/

[3] REST API 调用：https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.14/zh/docs/ops/rest_api/

[4] REST API 接口说明: https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.14/docs/ops/metrics/#rest-api-integration

[5] 流计算 Oceanus：https://cloud.tencent.com/product/oceanus

[6] 实时监控：基于流计算 Oceanus（Flink) 实现系统和应用级实时监控：https://cloud.tencent.com/developer/article/1875693

[7] 流计算 Oceanus 1 元购：https://cloud.tencent.com/act/pro/1y1m

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