Flink定义

Apache Flink is a framework and distributed processing engine for stateful computations over unbounded and bounded data streams.

Apache Flink 是一个框架和分布式处理引擎，用于对无界和有界数据流进行状态计算。

Flink相关概念

批处理是有界数据流处理的范例。在这种模式下，你可以选择在计算结果输出之前输入整个数据集，这也就意味着你可以对整个数据集的数据进行排序、统计或汇总计算后再输出结果。

流处理正相反，其涉及无界数据流。至少理论上来说，它的数据输入永远不会结束，因此程序必须持续不断地对到达的数据进行处理。

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Flink架构

在Flink中执行应用程序主要涉及三个实体：Client，JobManager和TaskManagers。

Client

client不是运行时和程序执行的一部分，而是用于准备数据流并将其发送给 JobManager。之后，客户端可以断开连接（分离模式），或保持连接来接收进程报告（附加模式）

JobManager

• 控制一个应用程序执行的主进程，也就是说，每个应用程序都会被一个不同的JobManager 所控制执行。

• JobManager 会先接收到要执行的应用程序，这个应用程序会包括：作业图（JobGraph）、逻辑数据流图（logical dataflow graph）和打包了所有的类、库和其它资源的JAR包。

• JobManager 会把JobGraph转换成一个物理层面的数据流图，这个图被叫做“执行图”（ExecutionGraph），包含了所有可以并发执行的任务。

• JobManager 会向资源管理器（ResourceManager）请求执行任务必要的资源，也就是任务管理器（TaskManager）上的插槽（slot）。一旦它获取到了足够的资源，就会将执行图分发到真正运行它们的TaskManager上。而在运行过程中，JobManager会负责所有需要中央协调的操作，比如说检查点（checkpoints）的协调。

ResourceManager

• 主要负责管理任务管理器（TaskManager）的插槽（slot），TaskManger 插槽是Flink中定义的处理资源单元。

• Flink为不同的环境和资源管理工具提供了不同资源管理器，比如YARN、Mesos、K8s，以及standalone部署。

• 当JobManager申请插槽资源时，ResourceManager会将有空闲插槽的TaskManager分配给JobManager。如果ResourceManager没有足够的插槽来满足JobManager的请求，它还可以向资源提供平台发起会话，以提供启动TaskManager进程的容器。

Dispatcher

• 可以跨作业运行，它为应用提交提供了REST接口。

• 当一个应用被提交执行时，分发器就会启动并将应用移交给一个JobManager。

• Dispatcher也会启动一个Web UI，用来方便地展示和监控作业执行的信息。

• Dispatcher在架构中可能并不是必需的，这取决于应用提交运行的方式。

JobMaster

JobMaster负责管理单个JobGraph的执行。Flink 集群中可以同时运行多个作业，每个作业都有自己的 JobMaster。

TaskManager

• Flink中的工作进程。通常在Flink中会有多个TaskManager运行，每一个TaskManager都包含了一定数量的插槽（slots）。插槽的数量限制了TaskManager能够执行的任务数量。

• 启动之后，TaskManager会向资源管理器注册它的插槽；收到资源管理器的指令后，TaskManager就会将一个或者多个插槽提供给JobManager调用。JobManager就可以向插槽分配任务（tasks）来执行了。

• 在执行过程中，一个TaskManager可以跟其它运行同一应用程序的TaskManager交换数据。

时间语义

Flink 明确支持以下三种时间语义:

• 事件时间(event time)： 事件产生的时间，记录的是设备生产(或者存储)事件的时间

• 摄取时间(ingestion time)： Flink 读取事件时记录的时间

• 处理时间(processing time)： Flink pipeline 中具体算子处理事件的时间

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在 Flink 的流式处理中，绝大部分的业务都会使用 eventTime。

我们知道，流处理从事件产生，到流经 source，再到 operator，中间是有一个过程和时间的，虽然大部分情况下，流到 operator 的数据都是按照事件产生的时间顺序来的，但是也不排除由于网络、分布式等原因，导致乱序的产生，所谓乱序，就是指 Flink 接收到的事件的先后顺序不是严格按照事件的 Event Time 顺序排列的。

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window

出现乱序数据，首先想到的是要排序，但是流式数据中不能等待所有数据都到达再进行排序，而是要将数据流切分为数据集，并对数据集进行排序，由此引入窗口的概念。 窗口是一种切割无限数据为有限块进行处理的手段，是无限数据流处理的核心。

Flink 有一些内置的窗口分配器，如下所示：

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可以对窗口内收集到的数据做聚合或者其他处理操作，主要非为两大类：

• 增量聚合函数（incremental aggregation functions）：每条数据到来就进行计算，保持一个简单的状态。

• 全窗口函数（full window functions）：先把窗口所有数据收集起来，等到计算的时候会遍历所有数据。

Flink提供了丰富的window API：

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Watermark

窗口操作虽然可以解决乱序问题，但是依然存在迟到数据的现象，由此引入Watermark。

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当一个窗口戳到了关闭时间，不应该立刻触发窗口计算，而是等待一段时间，等迟到的数据来了再关闭窗口。数据流中的 Watermark 用于表示 timestamp 小于 Watermark 的数据都已经到达了，因此，window 的执行也是由 Watermark 触发的。

watermarks 给了开发人员一种选择，使开发者做流处理时可以控制延迟和结果正确性之间的权衡。

• 如果watermark设置的延迟太大，收到结果的速度可能就会很慢，解决办法是在水位线到达之前输出一个近似结果（增量聚合）。

• 如果watermark到达得太小，则可能收到错误结果，不过 Flink 可以通过侧输出流、允许的延迟(allowed lateness)的间隔解决这个问题。

State Backends

由于有效的状态访问对于处理数据的低延迟至关重要，因此每个并行任务都会在本地维护其状态，以确保快速的状态访问。每传入一条数据，有状态的算子任务都会读取和更新状态。状态的存储、访问以及维护，由一个可插入的组件决定，这个组件就叫做状态后端（state backend） 。如果发生故障，Flink 可以恢复应用程序的完整状态并继续处理。

状态后端主要负责两件事：本地的状态管理，以及将检查点（checkpoint）状态写入远程存储。

名称	状态存储位置	checkpoint存储位置	快照	特点
RocksDBStateBackend	RocksDB	RocksDB	全量 / 增量	支持大于内存大小的状态经验法则：比基于堆的后端慢10倍
FsStateBackend	TM JVM Heap	分布式文件系统	全量	快速，需要大的堆内存受限制于 GC 同时拥有内存级的本地访问速度，和更好的容错保证
MemoryStateBackend	TM JVM Heap	JM JVM Heap	全量	适用于小状态（本地）的测试和实验 快速、低延迟，但不稳定

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算子状态的作用范围限定为算子任务，由同一并行任务所处理的所有数据都可以访问到相同的状态，如聚合每分钟的事件时，可将一分钟内数据的增量聚合结果作为状态保存。

Checkpoint

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Checkpoint是由 Flink 自动执行的快照，Flink 故障恢复机制的核心就是应用状态的一致性检查点。有状态流应用的一致检查点，其实就是所有任务的状态，在某个时间点的一份拷贝（一份快照），这个时间点，应该是所有任务都恰好处理完一个相同的输入数据的时候。

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在执行流应用程序期间，Flink 会定期保存状态的一致检查点。如果发生故障， Flink 将会使用最近的检查点来一致恢复应用程序的状态，并重新启动处理流程

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遇到故障之后，第一步就是重启应用

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第二步是从 checkpoint 中读取状态，将状态重置。从检查点重新启动应用程序后，其内部状态与检查点完成时的状态完全相同

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第三步：开始消费并处理检查点到发生故障之间的所有数据，这种检查点的保存和恢复机制可以为应用程序状态提供“精确一次”（exactly-once）的一致性，因为所有算子都会保存检查点并恢复其所有状态，这样一来所有的输入流就都会被重置到检查点完成时的位置。

Savepoint

一个 Savepoint，就是一个应用服务状态的一致性快照，因此其与checkpoint组件的很相似，但是与checkpoint相比，Savepoint 需要手动触发启动，而且当流应用服务停止时，它并不会自动删除。Savepoint 常被应用于启动一个已含有状态的流服务，并初始化其（备份时）状态。

Savepoint 有以下特点：

• 便于升级应用服务版本: Savepoint 常在应用版本升级时使用，当前应用的新版本更新升级时，可以根据上一个版本程序记录的 Savepoint 内的服务状态信息来重启服务。它也可能会使用更早的 Savepoint 还原点来重启服务，以便于修复由于有缺陷的程序版本导致的不正确的程序运行结果。

• 方便集群服务移植: 通过使用 Savepoint，流服务应用可以自由的在不同集群中迁移部署。

• 方便Flink版本升级: 通过使用 Savepoint，可以使应用服务在升级Flink时，更加安全便捷。

• 增加应用并行服务的扩展性: Savepoint 也常在增加或减少应用服务集群的并行度时使用。

• 便于A/B测试及假设分析场景对比结果: 通过把同一应用在使用不同版本的应用程序，基于同一个 Savepoint 还原点启动服务时，可以测试对比2个或多个版本程序的性能及服务质量。

• 暂停和恢复服务: 一个应用服务可以在新建一个 Savepoint 后再停止服务，以便于后面任何时间点再根据这个实时刷新的 Savepoint 还原点进行恢复服务。

• 归档服务: Savepoint 还提供还原点的归档服务，以便于用户能够指定时间点的 Savepoint 的服务数据进行重置应用服务的状态，进行恢复服务。

状态一致性

• AT-MOST-ONCE（最多一次）

• AT-LEAST-ONCE（至少一次）

• EXACTLY-ONCE（精确一次）

Flink内部的状态一致性

Flink 使用了一种轻量级快照机制 —— 检查点（checkpoint）来保证 exactly-once 语义

端到端的状态一致性

流处理应用除了流处理器以外还包含了数据源（例如 Kafka）和输出到持久化系统。端到端的一致性保证，意味着结果的正确性贯穿了整个流处理应用的始终；每一个组件都保证了它自己的一致性。整个端到端的一致性级别取决于所有组件中一致性最弱的组件。

• 内部保证 —— checkpoint

• source 端 —— 可重设数据的读取位置（kafka可以设置读取的offset）

• sink 端 —— 从故障恢复时，数据不会重复写入外部系统

为实现目标端数据不重复下写入有以下实现方式：

• 幂等写入：（仅在目标端表有主键的情况下适用）

• 事务写入：构建的事务对应着 checkpoint，等到 checkpoint 真正完成的时候，才把所有对应的结果写入 sink 系统中。

事务写入的两种实现方式：

• 预写日志 （GenericWriteAheadSink）

• 两阶段提交（TwoPhaseCommitSinkFunction ）

预写日志：

• 把结果数据先当成状态保存，然后在收到 checkpoint 完成的通知时，一次性写入 sink 系统。

• 简单易于实现，由于数据提前在状态后端中做了缓存，所以无论什么sink 系统，都能用这种方式一批搞定。

缺点：微批处理，不能保证一批数据全部成功。

两阶段提交：

• 对于每个 checkpoint，sink 任务会启动一个事务，并将接下来所有接收的数据添加到事务里。

• 然后将这些数据写入外部 sink 系统，但不提交它们 —— 这时只是“预提交”。

• 当它收到 checkpoint 完成的通知时，它才正式提交事务，实现结果的真正写入。

2PC 对外部 sink 系统的要求

• 外部 sink 系统必须提供事务支持，或者 sink 任务必须能够模拟外部系统上的事务。

• 在 checkpoint 的间隔期间里，必须能够开启一个事务并接受数据写入。

• 在收到 checkpoint 完成的通知之前，事务必须是“等待提交”的状态。 在故障恢复的情况下，这可能需要一些时间。如果这个时候sink系统关闭事务（例如超时了），那么未提交的数据就会丢失。

• sink 任务必须能够在进程失败后恢复事务。

• 提交事务必须是幂等操作。

部署

部署模式

• Application Mode

• Per-Job Mode

• Session Mode

Session and Per-Job Mode
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client load：此过程包括在本地下载应用程序的依赖项，执行用户代码以提取 Flink 的运行时可以理解的应用程序（即JobGraph），并将依赖项和JobGraph(s)传送到集群。

部署模式	client load执行位置	JM是否隔离	TM是否隔离	原生k8s集群是否支持
Application Mode	Client	是	是	是
Per-Job Mode	JM	是	是	否
Session Mode	JM	否	否	是

Flink对k8s集群的要求

• Kubernetes版本大于等于1.9。

• 可以访问列表，创建，删除容器和服务，可以通过进行配置~/.kube/config。您可以通过运行来验证权限kubectl auth can-i <list|create|edit|delete> pods。

• 启用Kubernetes DNS。

• RBAC：default service account具有创建，删除Pod的权限。

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