Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点

Flink是一个分布式的流处理引擎，而流处理的其中一个特点就是7X24。那么，如何保障Flink作业的持续运行呢？Flink的内部会将应用状态(state)存储到本地内存或者嵌入式的kv数据库(RocksDB)中，由于采用的是分布式架构，Flink需要对本地生成的状态进行持久化存储，以避免因应用或者节点机器故障等原因导致数据的丢失，Flink是通过checkpoint(检查点)的方式将状态写入到远程的持久化存储，从而就可以实现不同语义的结果保障。通过本文，你可以了解到什么是Flink的状态，Flink的状态是怎么存储的，Flink可选择的状态后端(statebackend)有哪些，什么是全局一致性检查点，Flink内部如何通过检查点实现Exactly Once的结果保障。另外，本文内容较长，建议关注加收藏。

什么是状态

引子

关于什么是状态，我们先不做过多的分析。首先看一个代码案例，其中案例1是Spark的WordCount代码，案例2是Flink的WorkCount代码。

案例1：Spark WC

object WordCount {
  def main(args:Array[String]){
  val conf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName("NetworkWordCount")
  val ssc = new StreamingContext(conf, Seconds(5))
  val lines = ssc.socketTextStream("localhost", 9999)
  val words = lines.flatMap(_.split(" "))
  val pairs = words.map(word => (word, 1))
  val wordCounts = pairs.reduceByKey(_ + _)
  wordCounts.print()
  ssc.start()
  ssc.awaitTermination()
}
}

输入：

C:\WINDOWS\system32>nc -lp 9999
hello spark
hello spark

输出：

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第1张图片

案例2：Flink WC

public class WordCount {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        DataStreamSource streamSource = env.socketTextStream("localhost", 9999);
        SingleOutputStreamOperator> words = streamSource.flatMap(new FlatMapFunction>() {
            @Override
            public void flatMap(String value, Collector> out) throws Exception {
                String[] splits = value.split("\\s");
                for (String word : splits) {
                    out.collect(Tuple2.of(word, 1));
                }
            }
        });
        words.keyBy(0).sum(1).print();
        env.execute("WC");
    }
}

输入：

C:\WINDOWS\system32>nc -lp 9999
hello Flink
hello Flink

输出：

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第2张图片

从上面的两个例子可以看出，在使用Spark进行词频统计时，当前的统计结果不受历史统计结果的影响，只计算接收的当前数据的结果，这个就可以理解为无状态的计算。再来看一下Flink的例子，可以看出当第二次词频统计时，把第一次的结果值也统计在了一起，即Flink把上一次的计算结果保存在了状态里，第二次计算的时候会先拿到上一次的结果状态，然后结合新到来的数据再进行计算，这就可以理解成有状态的计算，如下图所示。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第3张图片

状态的类别

Flink提供了两种基本类型的状态：分别是 Keyed State 和Operator State。根据不同的状态管理方式，每种状态又有两种存在形式，分别为：managed(托管状态)和raw(原生状态)。具体如下表格所示。需要注意的是，由于Flink推荐使用managed state，所以下文主要讨论managed state，对于raw state，本文不会做过多的讨论。

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managed state & raw state区别

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Keyed State & Operator State

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Keyed State

Keyed State只能由作用在KeyedStream上面的函数使用，该状态与某个key进行绑定，即每一个key对应一个state。Keyed State按照key进行维护和访问的，Flink会为每一个Key都维护一个状态实例，该状态实例总是位于处理该key记录的算子任务上，因此同一个key的记录可以访问到一样的状态。如下图所示，可以通过在一条流上使用keyBy()方法来生成一个KeyedStream。Flink提供了很多种keyed state，具体如下：

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第7张图片

ValueState

用于保存类型为T的单个值。用户可以通过ValueState.value()来获取该状态值，通过ValueState.update()来更新该状态。使用ValueStateDescriptor来获取状态句柄。

ListState

用于保存类型为T的元素列表，即key的状态值是一个列表。用户可以使用ListState.add()或者ListState.addAll()将新元素添加到列表中，通过ListState.get()访问状态元素，该方法会返回一个可遍历所有元素的Iterable对象，注意ListState不支持删除单个元素，但是用户可以使用update(List values)来更新整个列表。使用 ListStateDescriptor来获取状态句柄。

ReducingState

调用add()方法添加值时，会立即返回一个使用ReduceFunction聚合后的值，用户可以使用ReducingState.get()来获取该状态值。使用 ReducingStateDescriptor来获取状态句柄。

AggregatingState

与ReducingState类似，不同的是它使用的是AggregateFunction来聚合内部的值，AggregatingState.get()方法会计算最终的结果并将其返回。使用 AggregatingStateDescriptor来获取状态句柄

MapState

用于保存一组key、value的映射，类似于java的Map集合。用户可以通过get(UK key)方法获取key对应的状态，可以通过put(UK k,UV value)方法添加一个键值，可以通过remove(UK key)删除给定key的值，可以通过contains(UK key)判断是否存在对应的key。使用 MapStateDescriptor来获取状态句柄。

FoldingState

在Flink 1.4的版本中标记过时，在未来的版本中会被移除，使用AggregatingState进行代替。

值得注意的是，上面的状态原语都支持通过State.clear()方法来进行清除状态。另外，上述的状态原语仅用于与状态进行交互，真正的状态是存储在状态后端（后面会介绍状态后端）的，通过该状态原语相当于持有了状态的句柄(handle)。

keyed State使用案例

下面给出一个MapState的使用案例，关于ValueState的使用情况可以参考官网，具体如下：

public class MapStateExample {

    //统计每个用户每种行为的个数
    public static class UserBehaviorCnt extends RichFlatMapFunction, Tuple3> {

        //定义一个MapState句柄
        private transient MapState behaviorCntState;

        // 初始化状态
        @Override
        public void open(Configuration parameters) throws Exception {
            super.open(parameters);
            MapStateDescriptor userBehaviorMapStateDesc = new MapStateDescriptor<>(
                    "userBehavior",  // 状态描述符的名称
                    TypeInformation.of(new TypeHint() {}),  // MapState状态的key的数据类型
                    TypeInformation.of(new TypeHint() {})  // MapState状态的value的数据类型
            );
            behaviorCntState = getRuntimeContext().getMapState(userBehaviorMapStateDesc); // 获取状态
        }

        @Override
        public void flatMap(Tuple3 value, Collector> out) throws Exception {
            Integer behaviorCnt = 1;
            // 如果当前状态包括该行为，则+1
            if (behaviorCntState.contains(value.f1)) {
                behaviorCnt = behaviorCntState.get(value.f1) + 1;
            }
            // 更新状态
            behaviorCntState.put(value.f1, behaviorCnt);
            out.collect(Tuple3.of(value.f0, value.f1, behaviorCnt));
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        // 模拟数据源[userId,behavior,product]
        DataStreamSource> userBehaviors = env.fromElements(
                Tuple3.of(1L, "buy", "iphone"),
                Tuple3.of(1L, "cart", "huawei"),
                Tuple3.of(1L, "buy", "logi"),
                Tuple3.of(1L, "fav", "oppo"),
                Tuple3.of(2L, "buy", "huawei"),
                Tuple3.of(2L, "buy", "onemore"),
                Tuple3.of(2L, "fav", "iphone"));
        userBehaviors
                .keyBy(0)
                .flatMap(new UserBehaviorCnt())
                .print();
        env.execute("MapStateExample");
    }
}

结果输出：

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第8张图片

状态的生命周期管理(TTL)

对于任何类型Keyed State都可以设定状态的生命周期（TTL）,即状态的存活时间，以确保能够在规定时间内及时地清理状态数据。如果配置了状态的TTL，那么当状态过期时，存储的状态会被清除。状态生命周期功能可以通过StateTtlConfig配置，然后将StateTtlConfig配置传入StateDescriptor中的enableTimeToLive方法中即可。代码示例如下：

StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig
                 // 指定TTL时长为10S
                .newBuilder(Time.seconds(10))
                 // 只对创建和写入操作有效
                .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)
                 // 不返回过期的数据
                .setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired) 
                .build();

        // 初始化状态
        @Override
        public void open(Configuration parameters) throws Exception {
            super.open(parameters);
            MapStateDescriptor userBehaviorMapStateDesc = new MapStateDescriptor<>(
                    "userBehavior",  // 状态描述符的名称
                    TypeInformation.of(new TypeHint() {}),  // MapState状态的key的数据类型
                    TypeInformation.of(new TypeHint() {})  // MapState状态的value的数据类型

            );
            // 设置stateTtlConfig
            userBehaviorMapStateDesc.enableTimeToLive(ttlConfig);
            behaviorCntState = getRuntimeContext().getMapState(userBehaviorMapStateDesc); // 获取状态

        }

在StateTtlConfig创建时，newBuilder方法是必须要指定的，newBuilder中设定过期时间的参数。对于其他参数都是可选的或使用默认值。其中setUpdateType方法中传入的类型有三种：

public enum UpdateType {
        //禁用TTL,永远不会过期
        Disabled,
        // 创建和写入时更新TTL
        OnCreateAndWrite,
        // 与OnCreateAndWrite类似，但是在读操作时也会更新TTL
        OnReadAndWrite
    }

值得注意的是，过期的状态数据根据UpdateType参数进行配置，只有被写入或者读取的时间才会更新TTL，也就是说如果某个状态指标一直不被使用或者更新，则永远不会触发对该状态数据的清理操作，这种情况可能会导致系统中的状态数据越来越大。目前用户可以使用StateTtlConfig.cleanupFullSnapshot设定当触发State Snapshot的时候清理状态数据，但是改配置不适合用于RocksDB做增量Checkpointing的操作。

上面的StateTtlConfig创建时，可以指定setStateVisibility，用于状态的可见性配置，根据过期数据是否被清理来确定是否返回状态数据。

    /**
     * 是否返回过期的数据
     */
    public enum StateVisibility {
        //如果数据没有被清理，就可以返回
        ReturnExpiredIfNotCleanedUp,
        //永远不返回过期的数据,默认值
        NeverReturnExpired
    }

Operator State

Operator State的作用于是某个算子任务，这意味着所有在同一个并行任务之内的记录都能访问到相同的状态。算子状态不能通过其他任务访问，无论该任务是相同的算子。如下图所示。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第9张图片

Operator State是一种non-keyed state，与并行的操作算子实例相关联，例如在Kafka Connector中，每个Kafka消费端算子实例都对应到Kafka的一个分区中，维护Topic分区和Offsets偏移量作为算子的Operator State。在Flink中可以实现ListCheckpointed接口或者CheckpointedFunction 接口来实现一个Operator State。

首先，我们先看一下这两个接口的具体实现，然后再给出这两种接口的具体使用案例。先看一下ListCheckpointed接口的源码，如下：

public interface ListCheckpointed {
    
    /**
     * 获取某个算子实例的当前状态，该状态包括该算子实例之前被调用时的所有结果
     * 以列表的形式返回一个函数状态的快照
     * Flink触发生成检查点时调用该方法
     * @param checkpointId checkpoint的ID,是一个唯一的、单调递增的值
     * @param timestamp Job Manager触发checkpoint时的时间戳
     * @return  返回一个operator state list,如果为null时,返回空list
     * @throws Exception
     */
    List snapshotState(long checkpointId, long timestamp) throws Exception;
    /**
     * 初始化函数状态时调用，可能是在作业启动时或者故障恢复时
     * 根据提供的列表恢复函数状态
     * 注意：当实现该方法时，需要在RichFunction#open()方法之前调用该方法
     * @param state 被恢复算子实例的state列表 ，可能为空
     * @throws Exception
     */
    void restoreState(List state) throws Exception;
}

使用Operator ListState时，在进行扩缩容时，重分布的策略(状态恢复的模式)如下图所示：

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第10张图片

.png

上面的重分布策略为Even-split Redistribution，即每个算子实例中含有部分状态元素的List列表，整个状态数据是所有List列表的合集。当触发restore/redistribution动作时，通过将状态数据平均分配成与算子并行度相同数量的List列表，每个task实例中有一个List，其可以为空或者含有多个元素。

我们再来看一下CheckpointedFunction接口，源码如下：

public interface CheckpointedFunction {

    /**
     * 会在生成检查点之前调用
     * 该方法的目的是确保检查点开始之前所有状态对象都已经更新完毕
     * @param context 使用FunctionSnapshotContext作为参数
     *                从FunctionSnapshotContext可以获取checkpoint的元数据信息，
     *                比如checkpoint编号，JobManager在初始化checkpoint时的时间戳
     * @throws Exception
     */
    void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception;

    /**
     * 在创建checkpointedFunction的并行实例时被调用，
     * 在应用启动或者故障重启时触发该方法的调用
     * @param context 传入FunctionInitializationContext对象，
     *                   可以使用该对象访问OperatorStateStore和 KeyedStateStore对象，
     *                   这两个对象可以获取状态的句柄，即通过Flink runtime来注册函数状态并返回state对象
     *                   比如：ValueState、ListState等
     * @throws Exception
     */
    void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception;
}

CheckpointedFunction接口是用于指定有状态函数的最底层的接口，该接口提供了用于注册和维护keyed state 与operator state的hook(即可以同时使用keyed state 和operator state)，另外也是唯一支持使用list union state。关于Union List State,使用的是Flink为Operator state提供的另一种重分布的策略：Union Redistribution，即每个算子实例中含有所有状态元素的List列表，当触发restore/redistribution动作时，每个算子都能够获取到完整的状态元素列表。具体如下图所示：

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第11张图片

ListCheckpointed

ListCheckpointed接口和CheckpointedFunction接口相比在灵活性上相对弱一些，只能支持List类型的状态，并且在数据恢复的时候仅支持even-redistribution策略。该接口不像Flink提供的Keyed State(比如Value State、ListState)那样直接在状态后端(state backend)注册，需要将operator state实现为成员变量，然后通过接口提供的回调函数与状态后端进行交互。使用代码案例如下：

public class ListCheckpointedExample {
    private static class UserBehaviorCnt extends RichFlatMapFunction, Tuple2> implements ListCheckpointed {
        private Long userBuyBehaviorCnt = 0L;
        @Override
        public void flatMap(Tuple3 value, Collector> out) throws Exception {
            if(value.f1.equals("buy")){
                userBuyBehaviorCnt ++;
                out.collect(Tuple2.of("buy",userBuyBehaviorCnt));
            }
        }
        @Override
        public List snapshotState(long checkpointId, long timestamp) throws Exception {
            //返回单个元素的List集合，该集合元素是用户购买行为的数量
            return Collections.singletonList(userBuyBehaviorCnt);
        }
        @Override
        public void restoreState(List state) throws Exception {
            // 在进行扩缩容之后，进行状态恢复，需要把其他subtask的状态加在一起
            for (Long cnt : state) {
                userBuyBehaviorCnt += 1;
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        // 模拟数据源[userId,behavior,product]
        DataStreamSource> userBehaviors = env.fromElements(
                Tuple3.of(1L, "buy", "iphone"),
                Tuple3.of(1L, "cart", "huawei"),
                Tuple3.of(1L, "buy", "logi"),
                Tuple3.of(1L, "fav", "oppo"),
                Tuple3.of(2L, "buy", "huawei"),
                Tuple3.of(2L, "buy", "onemore"),
                Tuple3.of(2L, "fav", "iphone"));

        userBehaviors
                .flatMap(new UserBehaviorCnt())
                .print();

        env.execute("ListCheckpointedExample");
    }
}

CheckpointedFunction

CheckpointedFunction接口提供了更加丰富的操作，比如支持Union list state，可以访问keyedState，关于重分布策略，如果使用Even-split Redistribution策略，则通过context. getListState(descriptor)获取Operator State；如果使用UnionRedistribution策略，则通过context. getUnionList State(descriptor)来获取。使用案例如下：

public class CheckpointFunctionExample {
    private static class UserBehaviorCnt implements CheckpointedFunction, FlatMapFunction, Tuple3> {
        // 统计每个operator实例的用户行为数量的本地变量
        private Long opUserBehaviorCnt = 0L;
        // 每个key的state,存储key对应的相关状态
        private ValueState keyedCntState;
        // 定义operator state，存储算子的状态
        private ListState opCntState;

        @Override
        public void flatMap(Tuple3 value, Collector> out) throws Exception {
            if (value.f1.equals("buy")) {
                // 更新算子状态本地变量值
                opUserBehaviorCnt += 1;
                Long keyedCount = keyedCntState.value();
                // 更新keyedstate的状态 ,判断状态是否为null，否则空指针异常
                keyedCntState.update(keyedCount == null ? 1L : keyedCount + 1 );
                // 结果输出
                out.collect(Tuple3.of(value.f0, keyedCntState.value(), opUserBehaviorCnt));
            }
        }
        @Override
        public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
            // 使用opUserBehaviorCnt本地变量更新operator state
            opCntState.clear();
            opCntState.add(opUserBehaviorCnt);
        }

        @Override
        public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {

            // 通过KeyedStateStore,定义keyedState的StateDescriptor描述符
            ValueStateDescriptor valueStateDescriptor = new ValueStateDescriptor("keyedCnt", TypeInformation.of(new TypeHint() {
            }));

            // 通过OperatorStateStore,定义OperatorState的StateDescriptor描述符
            ListStateDescriptor opStateDescriptor = new ListStateDescriptor("opCnt", TypeInformation.of(new TypeHint() {
            }));
            // 初始化keyed state状态值
            keyedCntState = context.getKeyedStateStore().getState(valueStateDescriptor);
            // 初始化operator state状态
            opCntState = context.getOperatorStateStore().getListState(opStateDescriptor);
            // 初始化本地变量operator state
            for (Long state : opCntState.get()) {
                opUserBehaviorCnt += state;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        // 模拟数据源[userId,behavior,product]
        DataStreamSource> userBehaviors = env.fromElements(
                Tuple3.of(1L, "buy", "iphone"),
                Tuple3.of(1L, "cart", "huawei"),
                Tuple3.of(1L, "buy", "logi"),
                Tuple3.of(1L, "fav", "oppo"),
                Tuple3.of(2L, "buy", "huawei"),
                Tuple3.of(2L, "buy", "onemore"),
                Tuple3.of(2L, "fav", "iphone"));

        userBehaviors
                .keyBy(0)
                .flatMap(new UserBehaviorCnt())
                .print();
        env.execute("CheckpointFunctionExample");
    }
}

什么是状态后端

上面使用的状态都需要存储到状态后端(StateBackend)，然后在checkpoint触发时，将状态持久化到外部存储系统。Flink提供了三种类型的状态后端，分别是基于内存的状态后端(MemoryStateBackend、基于文件系统的状态后端(FsStateBackend)以及基于RockDB作为存储介质的RocksDB StateBackend。这三种类型的StateBackend都能够有效地存储Flink流式计算过程中产生的状态数据，在默认情况下Flink使用的是MemoryStateBackend，区别见下表。下面分别对每种状态后端的特点进行说明。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第12张图片

状态后端的类别

MemoryStateBackend

MemoryStateBackend将状态数据全部存储在JVM堆内存中，包括用户在使用DataStream API中创建的Key/Value State，窗口中缓存的状态数据，以及触发器等数据。MemoryStateBackend具有非常快速和高效的特点，但也具有非常多的限制，最主要的就是内存的容量限制，一旦存储的状态数据过多就会导致系统内存溢出等问题，从而影响整个应用的正常运行。同时如果机器出现问题，整个主机内存中的状态数据都会丢失，进而无法恢复任务中的状态数据。因此从数据安全的角度建议用户尽可能地避免在生产环境中使用MemoryStateBackend。Flink将MemoryStateBackend作为默认状态后端。

MemoryStateBackend比较适合用于测试环境中，并用于本地调试和验证，不建议在生产环境中使用。但如果应用状态数据量不是很大，例如使用了大量的非状态计算算子，也可以在生产环境中使MemoryStateBackend.

FsStateBackend

FsStateBackend是基于文件系统的一种状态后端，这里的文件系统可以是本地文件系统，也可以是HDFS分布式文件系统。创建FsStateBackend的构造函数如下：

FsStateBackend(Path checkpointDataUri, boolean asynchronousSnapshots)

其中path如果为本地路径，其格式为“file:///data/flink/checkpoints”，如果path为HDFS路径，其格式为“hdfs://nameservice/flink/checkpoints”。FsStateBackend中第二个Boolean类型的参数指定是否以同步的方式进行状态数据记录，默认采用异步的方式将状态数据同步到文件系统中，异步方式能够尽可能避免在Checkpoint的过程中影响流式计算任务。如果用户想采用同步的方式进行状态数据的检查点数据，则将第二个参数指定为True即可。

相比于MemoryStateBackend, FsStateBackend更适合任务状态非常大的情况，例如应用中含有时间范围非常长的窗口计算，或Key/value State状态数据量非常大的场景，这时系统内存不足以支撑状态数据的存储。同时FsStateBackend最大的好处是相对比较稳定，在checkpoint时，将状态持久化到像HDFS分布式文件系统中，能最大程度保证状态数据的安全性。

RocksDBStateBackend

与前面的状态后端不同，RocksDBStateBackend需要单独引入相关的依赖包。RocksDB 是一个 key/value 的内存存储系统，类似于HBase，是一种内存磁盘混合的 LSM DB。当写数据时会先写进write buffer(类似于HBase的memstore)，然后在flush到磁盘文件，当读取数据时会现在block cache(类似于HBase的block cache)，所以速度会很快。

RocksDBStateBackend在性能上要比FsStateBackend高一些，主要是因为借助于RocksDB存储了最新热数据，然后通过异步的方式再同步到文件系统中，但RocksDBStateBackend和MemoryStateBackend相比性能就会较弱一些。

需要注意 RocksDB 不支持同步的 Checkpoint，构造方法中没有同步快照这个选项。不过 RocksDB 支持增量的 Checkpoint，也是目前唯一增量 Checkpoint 的 Backend，意味着并不需要把所有 sst 文件上传到 Checkpoint 目录，仅需要上传新生成的 sst 文件即可。它的 Checkpoint 存储在外部文件系统（本地或HDFS），其容量限制只要单个 TaskManager 上 State 总量不超过它的内存+磁盘，单 Key最大 2G，总大小不超过配置的文件系统容量即可。对于超大状态的作业，例如天级窗口聚合等场景下可以使会用该状态后端。

配置状态后端

Flink默认使用的状态后端是MemoryStateBackend，所以不需要显示配置。对于其他的状态后端，都需要进行显性配置。在Flink中包含了两种级别的StateBackend配置：一种是在程序中进行配置，该配置只对当前应用有效；另外一种是通过 flink-conf.yaml进行全局配置，一旦配置就会对整个Flink集群上的所有应用有效。

应用级别配置

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints"));

如果使用RocksDBStateBackend则需要单独引入rockdb依赖库,如下：


    org.apache.flink
    flink-statebackend-rocksdb_2.11
    1.10.0
    provided

使用方式与FsStateBackend类似，如下：

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStateBackend(new RocksDBStateBackend("hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints"));

集群级别配置

具体的配置项在flink-conf.yaml文件中，如下代码所示，参数state.backend指明StateBackend类型，state.checkpoints.dir配置具体的状态存储路径，代码中使用filesystem作为StateBackend，然后指定相应的HDFS文件路径作为state的checkpoint文件夹。

# 使用filesystem存储
state.backend: filesystem
# checkpoint存储路径
state.checkpoints.dir: hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints

如果想用RocksDBStateBackend配置集群级别的状态后端，可以使用下面的配置：

# 操作RocksDBStateBackend的线程数量，默认值为1
state.backend.rocksdb.checkpoint.transfer.thread.num: 1
# 指定RocksDB存储状态数据的本地文件路径
state.backend.rocksdb.localdir: /var/rockdb/checkpoints
# 用于指定定时器服务的工厂类实现类，默认为“HEAP”，也可以指定为“RocksDB”
state.backend.rocksdb.timer-service.factory: HEAP

什么是Checkpoint(检查点)

上面讲解了Flink的状态以及状态后端，状态是存储在状态后端。为了保证state容错，Flink提供了处理故障的措施，这种措施称之为checkpoint(一致性检查点)。checkpoint是Flink实现容错的核心功能，主要是周期性地触发checkpoint，将state生成快照持久化到外部存储系统(比如HDFS)。这样一来，如果Flink程序出现故障，那么就可以从上一次checkpoint中进行状态恢复，从而提供容错保障。另外，通过checkpoint机制，Flink可以实现Exactly-once语义(Flink内部的Exactly-once,关于端到端的exactly_once,Flink是通过两阶段提交协议实现的)。下面将会详细分析Flink的checkpoint机制。

检查点的生成

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第13张图片

如上图，输入流是用户行为数据，包括购买(buy)和加入购物车(cart)两种，每种行为数据都有一个偏移量，统计每种行为的个数。

第一步：JobManager checkpoint coordinator 触发checkpoint。

第二步：假设当消费到[cart，3]这条数据时，触发了checkpoint。那么此时数据源会把消费的偏移量3写入持久化存储。

第三步：当写入结束后，source会将state handle(状态存储路径)反馈给JobManager的checkpoint coordinator。

第四步：接着算子count buy与count cart也会进行同样的步骤

第五步：等所有的算子都完成了上述步骤之后，即当 Checkpoint coordinator 收集齐所有 task 的 state handle，就认为这一次的 Checkpoint 全局完成了，向持久化存储中再备份一个 Checkpoint meta 文件，那么整个checkpoint也就完成了，如果中间有一个不成功，那么本次checkpoin就宣告失败。

检查点的恢复

通过上面的分析，或许你已经对Flink的checkpoint有了初步的认识。那么接下来，我们看一下是如何从检查点恢复的。

任务失败

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第14张图片

重启作业

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第15张图片

恢复检查点

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第16张图片

继续处理数据

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第17张图片

上述过程具体总结如下：

第一步：重启作业
第二步：从上一次检查点恢复状态数据
第三步：继续处理新的数据

Flink内部Exactly-Once实现

Flink提供了精确一次的处理语义，精确一次的处理语义可以理解为：数据可能会重复计算，但是结果状态只有一个。Flink通过Checkpoint机制实现了精确一次的处理语义，Flink在触发Checkpoint时会向Source端插入checkpoint barrier，checkpoint barriers是从source端插入的，并且会向下游算子进行传递。checkpoint barriers携带一个checkpoint ID，用于标识属于哪一个checkpoint，checkpoint barriers将流逻辑是哪个分为了两部分。对于双流的情况，通过barrier对齐的方式实现精确一次的处理语义。

关于什么是checkpoint barrier，可以看一下CheckpointBarrier类的源码描述，如下：

/**
 * Checkpoint barriers用来在数据流中实现checkpoint对齐的.
 * Checkpoint barrier由JobManager的checkpoint coordinator插入到Source中,
 * Source会把barrier广播发送到下游算子,当一个算子接收到了其中一个输入流的Checkpoint barrier时,
 * 它就会知道已经处理完了本次checkpoint与上次checkpoint之间的数据.
 * 
 * 一旦某个算子接收到了所有输入流的checkpoint barrier时，
 * 意味着该算子的已经处理完了截止到当前checkpoint的数据，
 * 可以触发checkpoint，并将barrier向下游传递
 * 
 * 根据用户选择的处理语义，在checkpoint完成之前会缓存后一次checkpoint的数据，
 * 直到本次checkpoint完成(exactly once)
 * 
 * checkpoint barrier的id是严格单调递增的
 *
 */
    public class CheckpointBarrier extends RuntimeEvent {...}

可以看出checkpoint barrier主要功能是实现checkpoint对齐的，从而可以实现Exactly-Once处理语义。

下面将会对checkpoint过程进行分解，具体如下：

图1，包括两个流，每个任务都会消费一条用户行为数据(包括购买(buy)和加购(cart))，数字代表该数据的偏移量，count buy任务统计购买行为的个数，coun cart统计加购行为的个数。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第18张图片

图2，触发checkpoint，JobManager会向每个数据源发送一个新的checkpoint编号，以此来启动检查点生成流程。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第19张图片

图3，当Source任务收到消息后，会停止发出数据，然后利用状态后端触发生成本地状态检查点，并把该checkpoint barrier以及checkpoint id广播至所有传出的数据流分区。状态后端会在checkpoint完成之后通知任务，随后任务会向Job Manager发送确认消息。在将checkpoint barrier发出之后，Source任务恢复正常工作。

图4，Source任务发出的checkpoint barrier会发送到与之相连的下游算子任务，当任务收到一个新的checkpoint barrier时，会继续等待其他输入分区的checkpoint barrier到来，这个过程称之为barrier 对齐，checkpoint barrier到来之前会把到来的数据线缓存起来。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第21张图片

图5，任务收齐了全部输入分区的checkpoint barrier之后，会通知状态后端开始生成checkpoint，同时会把checkpoint barrier广播至下游算子。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第22张图片

图6，任务在发出checkpoint barrier之后，开始处理因barrier对齐产生的缓存数据，在缓存的数据处理完之后，就会继续处理输入流数据。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第23张图片

图7，最终checkpoint barrier会被传送到sink端，sink任务接收到checkpoint barrier之后，会向其他算子任务一样，将自身的状态写入checkpoint，之后向Job Manager发送确认消息。Job Manager接收到所有任务返回的确认消息之后，就会将此次检查点标记为完成。

Flink内部Exactly Once三板斧:状态、状态后端与检查点_第24张图片

使用案例

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

// checkpoint的时间间隔，如果状态比较大，可以适当调大该值
env.enableCheckpointing(1000);
// 配置处理语义，默认是exactly-once
env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
// 两个checkpoint之间的最小时间间隔，防止因checkpoint时间过长，导致checkpoint积压
env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(500);
// checkpoint执行的上限时间，如果超过该阈值，则会中断checkpoint
env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(60000);
// 最大并行执行的检查点数量，默认为1，可以指定多个，从而同时出发多个checkpoint，提升效率
env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(1);
// 设定周期性外部检查点，将状态数据持久化到外部系统中，
// 使用该方式不会在任务正常停止的过程中清理掉检查点数据
env.getCheckpointConfig().enableExternalizedCheckpoints(ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);
// allow job recovery fallback to checkpoint when there is a more recent savepoint
env.getCheckpointConfig().setPreferCheckpointForRecovery(true);

总结

本文首先从Flink的状态入手，通过Spark的WordCount和Flink的Work Count进行说明什么是状态。接着对状态的分类以及状态的使用进行了详细说明。然后对Flink提供的三种状态后端进行讨论，并给出了状态后端的使用说明。最后，以图解加文字的形式详细解释了Flink的checkpoint机制，并给出了使用Checkpoint时的程序配置。