1.1 初步认识Apache Flink

流处理技术的演变

在开源世界里，Apache Storm项目是流处理的先锋。Storm最早由Nathan Marz和创业公司BackType的一个团队开发，后来才被Apache基金会接纳。Storm提供了低延迟的流处理，但是它为实时性付出了一些代价：很难实现高吞吐，并且其正确性没能达到通常所需的水平，换句话说，它并不能保证exactly-once，即便是它能够保证的正确性级别，其开销也相当大。

在低延迟和高吞吐的流处理系统中维持良好的容错性是非常困难的，但是为了得到有保障的准确状态，人们想到了一种替代方法：将连续时间中的流数据分割成一系列微小的批量作业。如果分割得足够小（即所谓的微批处理作业），计算就几乎可以实现真正的流处理。因为存在延迟，所以不可能做到完全实时，但是每个简单的应用程序都可以实现仅有几秒甚至几亚秒的延迟。这就是在Spark批处理引擎上运行的Spark Streaming所使用的方法。

更重要的是，使用微批处理方法，可以实现exactly-once语义，从而保障状态的一致性。如果一个微批处理失败了，它可以重新运行，这比连续的流处理方法更容易。Storm Trident是对Storm的延伸，它的底层流处理引擎就是基于微批处理方法来进行计算的，从而实现了exactly-once语义，但是在延迟性方面付出了很大的代价。

对于Storm Trident以及Spark Streaming等微批处理策略，只能根据批量作业时间的倍数进行分割，无法根据实际情况分割事件数据，并且，对于一些对延迟比较敏感的作业，往往需要开发者在写业务代码时花费大量精力来提升性能。这些灵活性和表现力方面的缺陷，使得这些微批处理策略开发速度变慢，运维成本变高。

于是，Flink出现了，这一技术框架可以避免上述弊端，并且拥有所需的诸多功能，还能按照连续事件高效地处理数据，Flink的部分特性如下图所示：

图 Flink的部分特性

初识Flink

Flink起源于Stratosphere项目，Stratosphere是在2010~2014年由3所地处柏林的大学和欧洲的一些其他的大学共同进行的研究项目，2014年4月Stratosphere的代码被复制并捐赠给了Apache软件基金会，参加这个孵化项目的初始成员是Stratosphere系统的核心开发人员，2014年12月，Flink一跃成为Apache软件基金会的顶级项目。

在德语中，Flink一词表示快速和灵巧，项目采用一只松鼠的彩色图案作为logo，这不仅是因为松鼠具有快速和灵巧的特点，还因为柏林的松鼠有一种迷人的红棕色，而Flink的松鼠logo拥有可爱的尾巴，尾巴的颜色与Apache软件基金会的logo颜色相呼应，也就是说，这是一只Apache风格的松鼠。

图 Flink Logo

Flink主页在其顶部展示了该项目的理念：“Apache Flink是为分布式、高性能、随时可用以及准确的流处理应用程序打造的开源流处理框架”。

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有状态计算。Flink被设计在所有常见的集群环境中运行，以内存执行速度和任意规模来执行计算。

批处理与流处理

批处理的特点是有界、持久、大量，批处理非常适合需要访问全套记录才能完成的计算工作，一般用于离线统计。流处理的特点是无界、实时，流处理方式无需针对整个数据集执行操作，而是对通过系统传输的每个数据项执行操作，一般用于实时统计。

在Spark生态体系中，对于批处理和流处理采用了不同的技术框架，批处理由SparkSQL实现，流处理由Spark Streaming实现，这也是大部分框架采用的策略，使用独立的处理器实现批处理和流处理，而Flink可以同时实现批处理和流处理。

Flink是如何同时实现批处理与流处理的呢？答案是，Flink将批处理（即处理有限的静态数据）视作一种特殊的流处理。

Flink的核心计算架构是下图中的Flink Runtime执行引擎，它是一个分布式系统，能够接受数据流程序并在一台或多台机器上以容错方式执行。

Flink Runtime执行引擎可以作为YARN（Yet Another Resource Negotiator）的应用程序在集群上运行，也可以在Mesos集群上运行，还可以在单机上运行（这对于调试Flink应用程序来说非常有用）。

图 Flink计算架构

上图为Flink技术栈的核心组成部分，值得一提的是，Flink分别提供了面向流式处理的接口（DataStream API）和面向批处理的接口（DataSet API）。因此，Flink既可以完成流处理，也可以完成批处理。Flink支持的拓展库涉及机器学习（FlinkML）、复杂事件处理（CEP）、以及图计算（Gelly），还有分别针对流处理和批处理的Table API。

能被Flink Runtime执行引擎接受的程序很强大，但是这样的程序有着冗长的代码，编写起来也很费力，基于这个原因，Flink提供了封装在Runtime执行引擎之上的API，以帮助用户方便地生成流式计算程序。Flink 提供了用于流处理的DataStream API和用于批处理的DataSet API。值得注意的是，尽管Flink Runtime执行引擎是基于流处理的，但是DataSet API先于DataStream API被开发出来，这是因为工业界对无限流处理的需求在Flink诞生之初并不大。

DataStream API可以流畅地分析无限数据流，并且可以用Java或者Scala来实现。开发人员需要基于一个叫DataStream的数据结构来开发，这个数据结构用于表示永不停止的分布式数据流。

Flink的分布式特点体现在它能够在成百上千台机器上运行，它将大型的计算任务分成许多小的部分，每个机器执行一部分。Flink能够自动地确保发生机器故障或者其他错误时计算能够持续进行，或者在修复bug或进行版本升级后有计划地再执行一次。这种能力使得开发人员不需要担心运行失败。Flink本质上使用容错性数据流，这使得开发人员可以分析持续生成且永远不结束的数据（即流处理）。