Flink面试手册 - 核心概念和基础篇

根据官网的介绍，Flink 的特性包含：

支持高吞吐、低延迟、高性能的流处理
支持有状态计算的 Exactly-once 语义
支持带有事件时间的窗口 （Window） 操作
支持基于轻量级分布式快照（Snapshot）实现的容错
支持高度灵活的窗口 （Window） 操作，支持基于 time、count、session 以及 data-driven 的窗口操作
支持具有 Backpressure 功能的持续流模型
支持迭代计算
一个运行时同时支持 Batch on Streaming 处理和 Streaming 处理
Flink 在 JVM 内部实现了自己的内存管理
支持程序自动优化：避免特定情况下 Shuffle、排序等昂贵操作，中间结果有必要进行缓存

一、 简单介绍一下 Flink

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。并且 Flink 提供了数据分布、容错机制以及资源管理等核心功能。

Flink提供了诸多高抽象层的API以便用户编写分布式任务：

• DataSet API， 对静态数据进行批处理操作，将静态数据抽象成分布式的数据集，用户可以方便地使用Flink提供的各种操作符对分布式数据集进行处理，支持Java、Scala和Python。

• DataStream API，对数据流进行流处理操作，将流式的数据抽象成分布式的数据流，用户可以方便地对分布式数据流进行各种操作，支持Java和Scala。

• Table API，对结构化数据进行查询操作，将结构化数据抽象成关系表，并通过类SQL的DSL对关系表进行各种查询操作，支持Java和Scala。

此外，Flink 还针对特定的应用领域提供了领域库，例如：
Flink ML，Flink 的机器学习库，提供了机器学习Pipelines API并实现了多种机器学习算法。
Gelly，Flink 的图计算库，提供了图计算的相关API及多种图计算算法实现。

二、 Flink 相比传统的 Spark Streaming 有什么区别?

这个问题是一个非常宏观的问题，因为两个框架的不同点非常之多。但是在面试时有非常重要的一点一定要回答出来：Flink 是标准的实时处理引擎，基于事件驱动。而 Spark Streaming 是微批（Micro-Batch）的模型。

下面我们就分几个方面介绍两个框架的主要区别：

1. 架构模型

Spark Streaming 在运行时的主要角色包括：Master、Worker、Driver、Executor，Flink 在运行时主要包含：Jobmanager、Taskmanager和Slot。

2. 任务调度

Spark Streaming 连续不断的生成微小的数据批次，构建有向无环图DAG，Spark Streaming 会依次创建 DStreamGraph、JobGenerator、JobScheduler。

Flink 根据用户提交的代码生成 StreamGraph，经过优化生成 JobGraph，然后提交给 JobManager进行处理，JobManager 会根据 JobGraph 生成 ExecutionGraph，ExecutionGraph 是 Flink 调度最核心的数据结构，JobManager 根据 ExecutionGraph 对 Job 进行调度。

3. 时间机制

Spark Streaming 支持的时间机制有限，只支持处理时间。
Flink 支持了流处理程序在时间上的三个定义：处理时间、事件时间、注入时间。同时也支持 watermark机制来处理滞后数据。

4. 容错机制

对于 Spark Streaming 任务，我们可以设置 checkpoint，然后假如发生故障并重启，我们可以从上次 checkpoint 之处恢复，但是这个行为只能使得数据不丢失，可能会重复处理，不能做到恰好一次处理语义。

Flink 则使用两阶段提交协议来解决这个问题。

三、 Flink 的组件栈有哪些？

根据 Flink 官网描述，Flink 是一个分层架构的系统，每一层所包含的组件都提供了特定的抽象，用来服务于上层组件。

自下而上，每一层分别代表：
Deploy 层：该层主要涉及了Flink的部署模式，在上图中我们可以看出，Flink 支持包括local、Standalone、Cluster、Cloud等多种部署模式。
Runtime 层：Runtime层提供了支持 Flink 计算的核心实现，比如：支持分布式 Stream 处理、JobGraph到ExecutionGraph的映射、调度等等，为上层API层提供基础服务。
API层：API 层主要实现了面向流（Stream）处理和批（Batch）处理API，其中面向流处理对应DataStream API，面向批处理对应DataSet API，后续版本，Flink有计划将DataStream和DataSet API进行统一。
Libraries层：该层称为Flink应用框架层，根据API层的划分，在API层之上构建的满足特定应用的实现计算框架，也分别对应于面向流处理和面向批处理两类。面向流处理支持：CEP（复杂事件处理）、基于SQL-like的操作（基于Table的关系操作）；面向批处理支持：FlinkML（机器学习库）、Gelly（图处理）。

四、Flink 的运行必须依赖 Hadoop组件吗？

Flink可以完全独立于Hadoop，在不依赖Hadoop组件下运行。
但是做为大数据的基础设施，Hadoop体系是任何大数据框架都绕不过去的。Flink可以集成众多Hadooop 组件，例如Yarn、Hbase、HDFS等等。例如，Flink可以和Yarn集成做资源调度，也可以读写HDFS，或者利用HDFS做检查点。

五、你们的Flink集群规模多大？

大家注意，这个问题看起来是问你实际应用中的Flink集群规模，其实还隐藏着另一个问题：Flink可以支持多少节点的集群规模？

在回答这个问题时候，可以将自己生产环节中的集群规模、节点、内存情况说明，同时说明部署模式（一般是Flink on Yarn），除此之外，用户也可以同时在小集群（少于5个节点）和拥有 TB 级别状态的上千个节点上运行 Flink 任务。

六、Flink的基础编程模型了解吗？

通过上图我们可以得知，Flink 程序的基本构建是数据输入来自一个 Source，Source 代表数据的输入端，经过 Transformation 进行转换，然后在一个或者多个Sink接收器中结束。数据流（stream）就是一组永远不会停止的数据记录流，而转换（transformation）是将一个或多个流作为输入，并生成一个或多个输出流的操作。执行时，Flink程序映射到 streaming dataflows，由流（streams）和转换操作（transformation operators）组成。

七、Flink集群有哪些角色？各自有什么作用？

Flink 程序在运行时主要有 TaskManager，JobManager，Client三种角色。
其中JobManager扮演着集群中的管理者Master的角色，它是整个集群的协调者，负责接收Flink Job，协调检查点，Failover 故障恢复等，同时管理Flink集群中从节点TaskManager。

TaskManager是实际负责执行计算的Worker，在其上执行Flink Job的一组Task，每个TaskManager负责管理其所在节点上的资源信息，如内存、磁盘、网络，在启动的时候将资源的状态向JobManager汇报。

Client是Flink程序提交的客户端，当用户提交一个Flink程序时，会首先创建一个Client，该Client首先会对用户提交的Flink程序进行预处理，并提交到Flink集群中处理，所以Client需要从用户提交的Flink程序配置中获取JobManager的地址，并建立到JobManager的连接，将Flink Job提交给JobManager。

八、说说 Flink 资源管理中 Task Slot 的概念

在Flink架构角色中我们提到，TaskManager是实际负责执行计算的Worker，TaskManager 是一个 JVM 进程，并会以独立的线程来执行一个task或多个subtask。为了控制一个 TaskManager 能接受多少个 task，Flink 提出了 Task Slot 的概念。

简单的说，TaskManager会将自己节点上管理的资源分为不同的Slot：固定大小的资源子集。
这样就避免了不同Job的Task互相竞争内存资源，但是需要主要的是，Slot只会做内存的隔离。没有做CPU的隔离。

九、说说 Flink 的常用算子？

Flink 最常用的常用算子包括：
Map：DataStream → DataStream，输入一个参数产生一个参数，map的功能是对输入的参数进行转换操作。
Filter：过滤掉指定条件的数据。
KeyBy：按照指定的key进行分组。
Reduce：用来进行结果汇总合并。
Window：窗口函数，根据某些特性将每个key的数据进行分组（例如：在5s内到达的数据）

十、说说你知道的Flink分区策略？

什么要搞懂什么是分区策略。
分区策略是用来决定数据如何发送至下游。目前 Flink 支持了8中分区策略的实现。

上图是整个Flink实现的分区策略继承图：

GlobalPartitioner
数据会被分发到下游算子的第一个实例中进行处理。

ShufflePartitioner
数据会被随机分发到下游算子的每一个实例中进行处理。

RebalancePartitioner
数据会被循环发送到下游的每一个实例中进行处理。

RescalePartitioner
这种分区器会根据上下游算子的并行度，循环的方式输出到下游算子的每个实例。
这里有点难以理解，假设上游并行度为2，编号为A和B。下游并行度为4，编号为1，2，3，4。
那么A则把数据循环发送给1和2，B则把数据循环发送给3和4。
假设上游并行度为4，编号为A，B，C，D。下游并行度为2，编号为1，2。那么A和B则把数据发送给1，C和D则把数据发送给2。

BroadcastPartitioner
广播分区会将上游数据输出到下游算子的每个实例中。适合于大数据集和小数据集做Jion的场景。

ForwardPartitioner
ForwardPartitioner 用于将记录输出到下游本地的算子实例。它要求上下游算子并行度一样。
简单的说，ForwardPartitioner用来做数据的控制台打印。

KeyGroupStreamPartitioner
Hash分区器。会将数据按 Key 的 Hash 值输出到下游算子实例中。

CustomPartitionerWrapper
用户自定义分区器。需要用户自己实现Partitioner接口，来定义自己的分区逻辑。
例如：

static class CustomPartitioner implements Partitioner {      @Override
      public int partition(String key, int numPartitions) {
          switch (key){
              case "1":
                  return 1;
              case "2":
                  return 2;
              case "3":
                  return 3;
              default:
                  return 4;
          }
      }
  }

十一、Flink的并行度了解吗？Flink的并行度设置是怎样的？

Flink中的任务被分为多个并行任务来执行，其中每个并行的实例处理一部分数据。这些并行实例的数量被称为并行度。

我们在实际生产环境中可以从四个不同层面设置并行度：

• 操作算子层面(Operator Level)

• 执行环境层面(Execution Environment Level)

• 客户端层面(Client Level)

• 系统层面(System Level)

需要注意的优先级：算子层面>环境层面>客户端层面>系统层面。

十二、Flink的Slot和parallelism有什么区别?

官网上十分经典的图：

slot是指taskmanager的并发执行能力，假设我们将 taskmanager.numberOfTaskSlots 配置为3
那么每一个 taskmanager 中分配3个 TaskSlot, 3个 taskmanager 一共有9个TaskSlot。

parallelism是指taskmanager实际使用的并发能力。假设我们把 parallelism.default 设置为1，那么9个 TaskSlot 只能用1个，有8个空闲。

十三、Flink有没有重启策略？说说有哪几种？

Flink 实现了多种重启策略。

• 固定延迟重启策略（Fixed Delay Restart Strategy）

• 故障率重启策略（Failure Rate Restart Strategy）

• 没有重启策略（No Restart Strategy）

• Fallback重启策略（Fallback Restart Strategy）

十四、用过Flink中的分布式缓存吗？如何使用？ 

Flink实现的分布式缓存和Hadoop有异曲同工之妙。目的是在本地读取文件，并把他放在 taskmanager 节点中，防止task重复拉取。

val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
// register a file from HDFS
env.registerCachedFile("hdfs:///path/to/your/file", "hdfsFile")


// register a local executable file (script, executable, ...)
env.registerCachedFile("file:///path/to/exec/file", "localExecFile", true)


// define your program and execute
...
val input: DataSet[String] = ...
val result: DataSet[Integer] = input.map(new MyMapper())
...
env.execute()

十五、说说Flink中的广播变量，使用时需要注意什么？ 

我们知道Flink是并行的，计算过程可能不在一个 Slot 中进行，那么有一种情况即：当我们需要访问同一份数据。那么Flink中的广播变量就是为了解决这种情况。

我们可以把广播变量理解为是一个公共的共享变量，我们可以把一个dataset 数据集广播出去，然后不同的task在节点上都能够获取到，这个数据在每个节点上只会存在一份。

十六、说说Flink中的窗口？ 

来一张官网经典的图：

Flink 支持两种划分窗口的方式，按照time和count。如果根据时间划分窗口，那么它就是一个time-window 如果根据数据划分窗口，那么它就是一个count-window。

flink支持窗口的两个重要属性（size和interval）

如果size=interval,那么就会形成tumbling-window(无重叠数据)
如果size>interval,那么就会形成sliding-window(有重叠数据)
如果size< interval, 那么这种窗口将会丢失数据。比如每5秒钟，统计过去3秒的通过路口汽车的数据，将会漏掉2秒钟的数据。

通过组合可以得出四种基本窗口：

• time-tumbling-window 无重叠数据的时间窗口，设置方式举例：timeWindow(Time.seconds(5))

• time-sliding-window 有重叠数据的时间窗口，设置方式举例：timeWindow(Time.seconds(5), Time.seconds(3))

• count-tumbling-window无重叠数据的数量窗口，设置方式举例：countWindow(5)

• count-sliding-window 有重叠数据的数量窗口，设置方式举例：countWindow(5,3)

十七、说说Flink中的状态存储？ 

Flink在做计算的过程中经常需要存储中间状态，来避免数据丢失和状态恢复。选择的状态存储策略不同，会影响状态持久化如何和 checkpoint 交互。

Flink提供了三种状态存储方式：MemoryStateBackend、FsStateBackend、RocksDBStateBackend。

十八、Flink 中的时间有哪几类

Flink 中的时间和其他流式计算系统的时间一样分为三类：事件时间，摄入时间，处理时间三种。

如果以 EventTime 为基准来定义时间窗口将形成EventTimeWindow,要求消息本身就应该携带EventTime。
如果以 IngesingtTime 为基准来定义时间窗口将形成 IngestingTimeWindow,以 source 的systemTime为准。
如果以 ProcessingTime 基准来定义时间窗口将形成 ProcessingTimeWindow，以 operator 的systemTime 为准。

十九、Flink 中水印是什么概念，起到什么作用？ 

Watermark 是 Apache Flink 为了处理 EventTime 窗口计算提出的一种机制, 本质上是一种时间戳。
一般来讲Watermark经常和Window一起被用来处理乱序事件。

二十、Flink Table & SQL 熟悉吗？TableEnvironment这个类有什么作用 

TableEnvironment是Table API和SQL集成的核心概念。

这个类主要用来：

• 在内部catalog中注册表

• 注册外部catalog

• 执行SQL查询

• 注册用户定义（标量，表或聚合）函数

• 将DataStream或DataSet转换为表

• 持有对ExecutionEnvironment或StreamExecutionEnvironment的引用

二十、Flink SQL的实现原理是什么？是如何实现 SQL 解析的呢？ 

首先大家要知道 Flink 的SQL解析是基于Apache Calcite这个开源框架。

基于此，一次完整的SQL解析过程如下：

• 用户使用对外提供Stream SQL的语法开发业务应用

• 用calcite对StreamSQL进行语法检验，语法检验通过后，转换成calcite的逻辑树节点；最终形成calcite的逻辑计划

• 采用Flink自定义的优化规则和calcite火山模型、启发式模型共同对逻辑树进行优化，生成最优的Flink物理计划

• 对物理计划采用janino codegen生成代码，生成用低阶API DataStream 描述的流应用，提交到Flink平台执行