Flink流计算编程--状态与检查点

1、Exactly_once简介

Exactly_once语义是Flink的特性之一，那么Flink到底提供了什么层次的Excactly_once？有人说是是每个算子保证只处理一次，有人说是每条数据保证只处理一次。其实理解这个语义并不难，直接在官方文档中就可以看出：

从图中可以看出：Exactly_once是为有状态的计算准备的！

换句话说，没有状态的算子操作（operator），Flink无法也无需保证其只被处理Exactly_once!为什么无需呢？因为即使失败的情况下，无状态的operator（map、filter等）只需要数据重新计算一遍即可。例如:

dataStream.filter(_.isInNYC)

当机器、节点等失败时，只需从最近的一份快照开始，利用可重发的数据源重发一次数据即可，当数据经过filter算子时，全部重新算一次即可，根本不需要区分哪个数据被计算过，哪个数据没有被计算过，因为没有状态的算子只有输入和输出，没有状态可以保存。

2、Flink的恢复机制

Flink的失败恢复依赖于“检查点机制+可部分重发的数据源”。

2.1、检查点机制：检查点定期触发，产生快照，快照中记录了（1）当前检查点开始时数据源（例如Kafka）中消息的offset，（2）记录了所有有状态的operator当前的状态信息（例如sum中的数值）。

2.2、可部分重发的数据源：Flink选择最近完成的检查点K。然后系统重放整个分布式的数据流，然后给予每个operator他们在检查点k快照中的状态。数据源被设置为从位置Sk开始重新读取流。例如在Apache Kafka中，那意味着告诉消费者从偏移量Sk开始重新消费。

容错特性：

3、检查点与保存点

3.1、检查点

Flink的检查点机制实现了标准的Chandy-Lamport算法，并用来实现分布式快照。在分布式快照当中，有一个核心的元素：Barrier。

屏障作为数据流的一部分随着记录被注入到数据流中。屏障永远不会赶超通常的流记录，它会严格遵循顺序。屏障将数据流中的记录隔离成一系列的记录集合，并将一些集合中的数据加入到当前的快照中，而另一些数据加入到下一个快照中。每一个屏障携带着快照的ID，快照记录着ID并且将其放在快照数据的前面。屏障不会中断流处理，因此非常轻量级。来自不同快照的多个屏障可能同时出现在流中，这意味着多个快照可能并发地发生。

单流的barrier：

多流的barrier：

不止一个输入流的的operator需要在快照屏障上对齐(align)输入流。

在stream source中，流屏障被注入到并发数据流中。快照n被注入屏障的点（简称为Sn），是在source stream中的数据已被纳入该快照后的位置。例如，在Apache Kafka中，该位置将会是partition中最后一条记录的offset。这个Sn的位置将被报告给检查点协调器（Flink JobManager）。

屏障接下来会流向下游。当一个中间的operator从所有它的输入流中接收到一个来自快照n的屏障，它自身发射一个针对快照n的屏障到所有它的输出流。一旦一个sink operator（流DAG的终点）从它所有的输入流中接收到屏障n，它将会像检查点协调器应答快照n。在所有的sink应答该快照后，它才被认为是完成了。

程序中如何设置检查点？

val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()

// start a checkpoint every 1000 ms env.enableCheckpointing(1000) // advanced options: // set mode to exactly-once (this is the default) env.getCheckpointConfig.setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE) // checkpoints have to complete within one minute, or are discarded env.getCheckpointConfig.setCheckpointTimeout(60000) // allow only one checkpoint to be in progress at the same time env.getCheckpointConfig.setMaxConcurrentCheckpoints(1)

3.2、保存点

保存点本质上就是一次检查点，但它与检查点的不同在于：
（1）手动触发
（2）不会过期，除非用户明确的处理

先来看一张图：

保存点仅仅是一个指向检查点的指针；同时，其默认保存在JobManager的memory中，但为了高可用，建议保存到hdfs上。通入如下参数调整：

savepoints.state.backend: filesystem
savepoints.state.backend.fs.dir: hdfs:///flink/savepoints

保存点在什么时候使用？

（1）应用程序升级
（2）Flink版本升级
（3）系统升级或系统迁移
（4）程序的模拟仿真情况
（5）A/B测试

如何手动触发及恢复保存点？

CLI方式：

触发：

flink savepoint <JobID>

恢复：

flink run -s   ...

4、状态简介

Flink流处理中的算子操作，是可以有状态的，这也是区别于其他流计算引擎的显著标志之一。

Flink提供了Exactly_once特性，是依赖于带有barrier的分布式快照+可部分重发的数据源功能实现的。而分布式快照中，就保存了operator的状态信息。

4.1、如何定义快照？
（1）使用window操作，基于EventTime、ProcessingTime、基于Count的窗口以及自定义的窗口。
（2）使用检查点接口，可以注册任何类型的java/scala对象。
（3）使用key/value状态接口，通过key来分区使用state。

4.2、重点说说如何使用基于key/value状态接口来定义state

既然是基于key/value的状态接口，那么这些状态只能用于keyedStream之上。keyedStream上的operator操作可以包含window或者map等算子操作。

key/value下可用的状态接口：
（1）ValueState ： 状态保存的是一个值，可以通过update(T)来更新，T.value（）获取。
（2）ListState ： 状态保存的是一个列表，通过add(T)添加数据，Iterable.get获取。
（3）ReducingState ： 状态保存的是一个经过聚合之后的值的列表，通过add(T)添加数据，通过指定的聚合方法获取。

通过创建一个StateDescriptor，可以得到一个包含特定名称的状态句柄，可以分别创建ValueStateDescriptor、 ListStateDescriptor或ReducingStateDescriptor状态句柄。

注意：状态是通过RuntimeContext来访问的，因此只能在RichFunction中访问状态。这就要求UDF时要继承Rich函数，例如RichMapFunction、RichFlatMapFunction等。

无状态的流与有状态的流的对比：

4.3、状态保存在哪里

状态终端用来对状态进行持久化存储，Flink支持多个状态终端：

（1）MemoryStateBackend
（2）FsStateBackend
（3）RocksDBStateBackend（第三方开发者实现）

五、带状态的operator例子

这里以flink-training上的例子作为样例：

keyBy之后是一个keyedStream，然后进行flatMap操作，转换为dataStream。定义状态就是在flatMap中实现。

.keyBy("rideId")
// compute the average speed of a ride
.flatMap(new SpeedComputer)

继承RichFlatMapFunction而非FlatMapFunction，此例中state是一个基于key/value接口的ValueState方法。而RichFlatMapFunction又继承了AbstractRichFunction，其中要覆写open方法；同时覆写RichFlatMapFunction中的flatMap方法。

class SpeedComputer extends RichFlatMapFunction[TaxiRide, (Long, Float)] {

    var state: ValueState[TaxiRide] = null

    override def open(config: Configuration): Unit = {
      state = getRuntimeContext.getState(new ValueStateDescriptor("ride", classOf[TaxiRide], null))
    }

    override def flatMap(ride: TaxiRide, out: Collector[(Long, Float)]): Unit = {

      if(state.value() == null) {
        // first ride
        state.update(ride)
      }
      else {
        // second ride
        val startEvent = if (ride.isStart) ride else state.value()
        val endEvent = if (ride.isStart) state.value() else ride

        val timeDiff = endEvent.time.getMillis - startEvent.time.getMillis
        val speed = if (timeDiff != 0) {
          (endEvent.travelDistance / timeDiff) * 60 * 60 * 1000
        } else {
          -1
        }
        // emit average speed
        out.collect( (startEvent.rideId, speed) )

        // clear state to free memory
        state.update(null)
      }
    }
  }

通过这个例子，可以知道如何在operator中实现state。

六、总结

最后说一下我对Flink中有状态的算子在恢复时是如何进行的：

假设场景Job：1个Source（Kafka）+1个不带state的operator+1个带state的operator+1个sink。
如果失败，则Flink选择最近的一份检查点开始恢复，检查点中记录了这次检查点开始时数据源（kafka）中对应的topic的offset，从offset开始重新发送数据，当数据流到1个不带operator的算子时，数据全部应用在这个算子上；接着数据流向1个带有operator的算子，由于快照中记录着这个operator的状态的值，因此，数据重新计算时只从记录着状态的值的地方开始计算，而不会从头开始计算，例如key0=2，那么只从key0=2开始计算。随后进行sink。由于失败时可能有些数据已经sink了，那么根据幂等性原则，即使中间输出的结果存在异常，但是重发之后再次sink是正确的，最终的结果还是正确的。

由于sink一般都是外围系统，因此sink的设计一般都没有状态，但是如果保证幂等性，最终的结果也没问题。

对Flink的快照以及状态的理解也许有不准确的地方，欢迎大家指出！

参考
https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-master/apis/streaming/state.html
https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-master/apis/streaming/state_backends.html
https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-master/apis/streaming/savepoints.html
http://flink.apache.org/features.html
http://blog.csdn.net/yanghua_kobe/article/details/51714388
http://data-artisans.com/how-apache-flink-enables-new-streaming-applications/#more-608
https://yq.aliyun.com/articles/57828?spm=5176.100239.blogcont57826.5.noEJP1
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2MjE0MDUzNg==&mid=2652914398&idx=1&sn=9a72035a1ea208b096299684fe637dda&scene=1&srcid=0711fENhBenSH5wu7aOyWHPL&from=groupmessage&isappinstalled=0#wechat_redirect%20%E6%9D%8E%E5%91%88%E7%A5%A5