浅谈Flink基于RocksDB的增量检查点机制

Flink之所以能够做到高效而准确的有状态流式处理，核心是依赖于检查点（checkpoint）机制。当流式程序运行出现异常时，能够从最近的一个检查点恢复，从而最大限度地保证数据不丢失也不重复。

Flink检查点本质上是通过异步屏障快照（asychronous barrier snapshot, ABS）算法产生的全局状态快照，一般是存储在分布式文件系统（如HDFS）上。但是，如果状态空间超大（比如key非常多或者窗口区间很长），检查点数据可能会达到GB甚至TB级别，每次做checkpoint都会非常耗时。由于状态数据在检查点之间的变化往往没有那么明显，增量检查点可以很好地解决这个问题。顾名思义，增量检查点只包含本次checkpoint与上次checkpoint状态之间的差异，而不是所有状态，变得更加轻量级了。

目前Flink有3种状态后端，即内存（MemoryStateBackend）、文件系统（FsStateBackend）和RocksDB（RocksDBStateBackend），只有RocksDB状态后端支持增量检查点。该功能默认关闭，要打开它可以在flink-conf.yaml中配置：

state.backend: rocksdb
state.backend.incremental: true

或者在代码中配置：

RocksDBStateBackend rocksDBStateBackend = new RocksDBStateBackend("hdfs://path/to/flink-checkpoints", true);
env.setStateBackend(rocksDBStateBackend);

为什么只有RocksDB状态后端支持增量检查点呢？这是由RocksDB本身的特性决定的。RocksDB是一个基于日志结构合并树（LSM树）的键值式存储引擎，我们能明确地感觉到，它与HBase肯定有诸多相似之处。如果看官不了解LSM树的话，可以通过这篇文章来做个简单的了解。

在RocksDB中，扮演HBase MemStore角色的写缓存叫做memtable。memtable写满之后也会flush到磁盘，形成与HFile类似的东西，叫做sstable（是“有序序列表”即sorted sequence table的缩写）。RocksDB也存在compaction线程，在后台合并已经写入的sstable，原有的sstable会包含所有的键值对，合并前的sstable在此后会被删除。

由于Flink检查点生成的时间必须确定，因此不能等待RocksDB的memtable自动flush到磁盘，而是由Flink主动调用RocksDB提供的API强制刷写。有了上面的铺垫，下面通过例子来解释增量检查点的过程。

From https://flink.apache.org/features/2018/01/30/incremental-checkpointing.html

上图示出一个有状态的算子的4个检查点，其ID为2，并且state.checkpoints.num-retained参数设为2，表示保留2个检查点。表格中的4列分别表示RocksDB中的sstable文件，sstable文件与存储系统中文件路径的映射，sstable文件的引用计数，以及保留的检查点的范围。

下面按部就班地解释一下：

1. 检查点CP 1完成后，产生了两个sstable文件，即sstable-(1)与sstable-(2)。这两个文件会写到持久化存储（如HDFS），并将它们的引用计数记为1。
2. 检查点CP 2完成后，新增了两个sstable文件，即sstable-(3)与sstable-(4)，这两个文件的引用计数记为1。并且由于我们要保留2个检查点，所以上一步CP 1产生的两个文件也要算在CP 2内，故sstable-(1)与sstable-(2)的引用计数会加1，变成2。
3. 检查点CP 3完成后，RocksDB的compaction线程将sstable-(1)、sstable-(2)、sstable-(3)三个文件合并成了一个文件sstable-(1,2,3)。CP 2产生的sstable-(4)得以保留，引用计数变为2，并且又产生了新的sstable-(5)文件。注意此时CP 1已经过期，所以sstable-(1)、sstable-(2)两个文件不会再被引用，引用计数减1。
4. 检查点CP 4完成后，RocksDB的compaction线程将sstable-(4)、sstable-(5)以及新生成的sstable-(6)三个文件合并成了sstable-(4,5,6)，并对sstable-(1,2,3)、sstable-(4,5,6)引用加1。由于CP 2也过期了，所以sstable-([1~4])四个文件的引用计数同时减1，这就造成sstable-(1)、sstable-(2)、sstable-(3)的引用计数变为0，Flink就从存储系统中删除掉这三个文件。

通过上面的分析，我们可以看出Flink增量检查点机制的巧妙之处：

• 通过跟踪sstable的新增和删除，可以记录状态数据的变化；
• 通过引用计数的方式，上一个检查点中已经存在的文件可以直接被引用，不被引用的文件可以及时删除；
• 可以保证当前有效的检查点都不引用已经删除的文件，从而保留state.checkpoints.num-retained参数指定的状态历史。

增量检查点解决了大状态checkpointing的问题，但是在从检查点恢复现场时会带来潜在的overhead。这是显然的：当程序出问题后，TaskManager需要从多个检查点中加载状态数据，并且这些数据中还可能会包含将被删除的状态。还有一点，就算磁盘空间紧张，旧检查点的文件也不能随便删除，因为新检查点仍然会引用它们，如果贸然删除，程序就无法恢复现场了。可见，优秀的技术方案往往也不是十全十美，往往都是要考虑tradeoff的。

明天还要继续搬砖，民那晚安。