基于Kafka+Flink+Redis的电商大屏实时计算案例

前言
一年一度的双11又要到了，阿里的双11销量大屏可以说是一道特殊的风景线。实时大屏（real-time dashboard）正在被越来越多的企业采用，用来及时呈现关键的数据指标。并且在实际操作中，肯定也不会仅仅计算一两个维度。由于Flink的“真·流式计算”这一特点，它比Spark Streaming要更适合大屏应用。本文从笔者的实际工作经验抽象出简单的模型，并简要叙述计算流程（当然大部分都是源码）。

数据格式与接入
简化的子订单消息体如下。

{
"userId": 234567,
"orderId": 2902306918400,
"subOrderId": 2902306918401,
"siteId": 10219,
"siteName": "site_blabla",
"cityId": 101,
"cityName": "北京市",
"warehouseId": 636,
"merchandiseId": 187699,
"price": 299,
"quantity": 2,
"orderStatus": 1,
"isNewOrder": 0,
"timestamp": 1572963672217
}
由于订单可能会包含多种商品，故会被拆分成子订单来表示，每条JSON消息表示一个子订单。现在要按照自然日来统计以下指标，并以1秒的刷新频率呈现在大屏上：

每个站点（站点ID即siteId）的总订单数、子订单数、销量与GMV；
当前销量排名前N的商品（商品ID即merchandiseId）与它们的销量。
由于大屏的最大诉求是实时性，等待迟到数据显然不太现实，因此我们采用处理时间作为时间特征，并以1分钟的频率做checkpointing。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.ProcessingTime);
env.enableCheckpointing(60 * 1000, CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(30 * 1000);

然后订阅Kafka的订单消息作为数据源。

Properties consumerProps = ParameterUtil.getFromResourceFile("kafka.properties");
DataStream sourceStream = env
  .addSource(new FlinkKafkaConsumer011<>(
    ORDER_EXT_TOPIC_NAME,                        // topic
    new SimpleStringSchema(),                    // deserializer
    consumerProps                                // consumer properties
  ))
  .setParallelism(PARTITION_COUNT)
  .name("source_kafka_" + ORDER_EXT_TOPIC_NAME)
  .uid("source_kafka_" + ORDER_EXT_TOPIC_NAME);

给带状态的算子设定算子ID（通过调用uid()方法）是个好习惯，能够保证Flink应用从保存点重启时能够正确恢复状态现场。为了尽量稳妥，Flink官方也建议为每个算子都显式地设定ID，参考官方文档。

接下来将JSON数据转化为POJO，JSON框架采用FastJSON。

DataStream orderStream = sourceStream
  .map(message -> JSON.parseObject(message, SubOrderDetail.class))
  .name("map_sub_order_detail").uid("map_sub_order_detail");

JSON已经是预先处理好的标准化格式，所以POJO类SubOrderDetail的写法可以通过Lombok极大地简化。如果JSON的字段有不规范的，那么就需要手写Getter和Setter，并用@JSONField注解来指明。

@Getter
@Setter
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
@ToString
public class SubOrderDetail implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;

private long userId;
private long orderId;
private long subOrderId;
private long siteId;
private String siteName;
private long cityId;
private String cityName;
private long warehouseId;
private long merchandiseId;
private long price;
private long quantity;
private int orderStatus;
private int isNewOrder;
private long timestamp;
}
统计站点指标
将子订单流按站点ID分组，开1天的滚动窗口，并同时设定ContinuousProcessingTimeTrigger触发器，以1秒周期触发计算。注意处理时间的时区问题，这是老生常谈了。

WindowedStream siteDayWindowStream = orderStream
  .keyBy("siteId")
  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8)))
  .trigger(ContinuousProcessingTimeTrigger.of(Time.seconds(1)));

接下来写个聚合函数。

DataStream siteAggStream = siteDayWindowStream
  .aggregate(new OrderAndGmvAggregateFunc())
  .name("aggregate_site_order_gmv").uid("aggregate_site_order_gmv");

public static final class OrderAndGmvAggregateFunc
implements AggregateFunction {
private static final long serialVersionUID = 1L;

@Override
public OrderAccumulator createAccumulator() {
  return new OrderAccumulator();
}

@Override
public OrderAccumulator add(SubOrderDetail record, OrderAccumulator acc) {
  if (acc.getSiteId() == 0) {
    acc.setSiteId(record.getSiteId());
    acc.setSiteName(record.getSiteName());
  }
  acc.addOrderId(record.getOrderId());
  acc.addSubOrderSum(1);
  acc.addQuantitySum(record.getQuantity());
  acc.addGmv(record.getPrice() * record.getQuantity());
  return acc;
}

@Override
public OrderAccumulator getResult(OrderAccumulator acc) {
  return acc;
}

@Override
public OrderAccumulator merge(OrderAccumulator acc1, OrderAccumulator acc2) {
  if (acc1.getSiteId() == 0) {
    acc1.setSiteId(acc2.getSiteId());
    acc1.setSiteName(acc2.getSiteName());
  }
  acc1.addOrderIds(acc2.getOrderIds());
  acc1.addSubOrderSum(acc2.getSubOrderSum());
  acc1.addQuantitySum(acc2.getQuantitySum());
  acc1.addGmv(acc2.getGmv());
  return acc1;
}

}
累加器类OrderAccumulator的实现很简单，看源码就大概知道它的结构了，因此不再多废话。唯一需要注意的是订单ID可能重复，所以需要用名为orderIds的HashSet来保存它。HashSet应付我们目前的数据规模还是没太大问题的，如果是海量数据，就考虑换用HyperLogLog吧。

接下来就该输出到Redis供呈现端查询了。这里有个问题：一秒内有数据变化的站点并不多，而ContinuousProcessingTimeTrigger每次触发都会输出窗口里全部的聚合数据，这样做了很多无用功，并且还会增大Redis的压力。所以，我们在聚合结果后再接一个ProcessFunction，代码如下。

DataStream> siteResultStream = siteAggStream
  .keyBy(0)
  .process(new OutputOrderGmvProcessFunc(), TypeInformation.of(new TypeHint>() {}))
  .name("process_site_gmv_changed").uid("process_site_gmv_changed");

public static final class OutputOrderGmvProcessFunc
extends KeyedProcessFunction> {
private static final long serialVersionUID = 1L;

private MapState state;

@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
  super.open(parameters);
  state = this.getRuntimeContext().getMapState(new MapStateDescriptor<>(
    "state_site_order_gmv",
    Long.class,
    OrderAccumulator.class)
  );
}

@Override
public void processElement(OrderAccumulator value, Context ctx, Collector> out) throws Exception {
  long key = value.getSiteId();
  OrderAccumulator cachedValue = state.get(key);

  if (cachedValue == null || value.getSubOrderSum() != cachedValue.getSubOrderSum()) {
    JSONObject result = new JSONObject();
    result.put("site_id", value.getSiteId());
    result.put("site_name", value.getSiteName());
    result.put("quantity", value.getQuantitySum());
    result.put("orderCount", value.getOrderIds().size());
    result.put("subOrderCount", value.getSubOrderSum());
    result.put("gmv", value.getGmv());
    out.collect(new Tuple2<>(key, result.toJSONString());
    state.put(key, value);
  }
}

@Override
public void close() throws Exception {
  state.clear();
  super.close();
}

}
说来也简单，就是用一个MapState状态缓存当前所有站点的聚合数据。由于数据源是以子订单为单位的，因此如果站点ID在MapState中没有缓存，或者缓存的子订单数与当前子订单数不一致，表示结果有更新，这样的数据才允许输出。

最后就可以安心地接上Redis Sink了，结果会被存进一个Hash结构里。

// 看官请自己构造合适的FlinkJedisPoolConfig
FlinkJedisPoolConfig jedisPoolConfig = ParameterUtil.getFlinkJedisPoolConfig(false, true);
siteResultStream
  .addSink(new RedisSink<>(jedisPoolConfig, new GmvRedisMapper()))
  .name("sink_redis_site_gmv").uid("sink_redis_site_gmv")
  .setParallelism(1);

public static final class GmvRedisMapper implements RedisMapper> {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private static final String HASH_NAME_PREFIX = "RT:DASHBOARD:GMV:";

@Override
public RedisCommandDescription getCommandDescription() {
  return new RedisCommandDescription(RedisCommand.HSET, HASH_NAME_PREFIX);
}

@Override
public String getKeyFromData(Tuple2 data) {
  return String.valueOf(data.f0);
}

@Override
public String getValueFromData(Tuple2 data) {
  return data.f1;
}

@Override
public Optional getAdditionalKey(Tuple2 data) {
  return Optional.of(
    HASH_NAME_PREFIX +
    new LocalDateTime(System.currentTimeMillis()).toString(Consts.TIME_DAY_FORMAT) +
    "SITES"
  );
}

}
商品Top N
我们可以直接复用前面产生的orderStream，玩法与上面的GMV统计大同小异。这里用1秒滚动窗口就可以了。

WindowedStream merchandiseWindowStream = orderStream
  .keyBy("merchandiseId")
  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(1)));

DataStream> merchandiseRankStream = merchandiseWindowStream
  .aggregate(new MerchandiseSalesAggregateFunc(), new MerchandiseSalesWindowFunc())
  .name("aggregate_merch_sales").uid("aggregate_merch_sales")
  .returns(TypeInformation.of(new TypeHint>() { }));

聚合函数与窗口函数的实现更加简单了，最终返回的是商品ID与商品销量的二元组。

public static final class MerchandiseSalesAggregateFunc
implements AggregateFunction {
private static final long serialVersionUID = 1L;

@Override
public Long createAccumulator() {
  return 0L;
}

@Override
public Long add(SubOrderDetail value, Long acc) {
  return acc + value.getQuantity();
}

@Override
public Long getResult(Long acc) {
  return acc;
}

@Override
public Long merge(Long acc1, Long acc2) {
  return acc1 + acc2;
}

}

public static final class MerchandiseSalesWindowFunc
implements WindowFunction, Tuple, TimeWindow> {
private static final long serialVersionUID = 1L;

@Override
public void apply(
  Tuple key,
  TimeWindow window,
  Iterable accs,
  Collector> out) throws Exception {
  long merchId = ((Tuple1) key).f0;
  long acc = accs.iterator().next();
  out.collect(new Tuple2<>(merchId, acc));
}

}
既然数据最终都要落到Redis，那么我们完全没必要在Flink端做Top N的统计，直接利用Redis的有序集合（zset）就行了，商品ID作为field，销量作为分数值，简单方便。不过flink-redis-connector项目中默认没有提供ZINCRBY命令的实现（必须再吐槽一次），我们可以自己加，步骤参照之前写过的那篇加SETEX的命令的文章，不再赘述。RedisMapper的写法如下。

public static final class RankingRedisMapper implements RedisMapper> {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private static final String ZSET_NAME_PREFIX = "RT:DASHBOARD:RANKING:";

@Override
public RedisCommandDescription getCommandDescription() {
  return new RedisCommandDescription(RedisCommand.ZINCRBY, ZSET_NAME_PREFIX);
}

@Override
public String getKeyFromData(Tuple2 data) {
  return String.valueOf(data.f0);
}

@Override
public String getValueFromData(Tuple2 data) {
  return String.valueOf(data.f1);
}

@Override
public Optional getAdditionalKey(Tuple2 data) {
  return Optional.of(
    ZSET_NAME_PREFIX +
    new LocalDateTime(System.currentTimeMillis()).toString(Consts.TIME_DAY_FORMAT) + ":" +
    "MERCHANDISE"
  );
}

}
后端取数时，用ZREVRANGE命令即可取出指定排名的数据了。只要数据规模不是大到难以接受，并且有现成的Redis，这个方案完全可以作为各类Top N需求的通用实现。

The End
大屏的实际呈现需要保密，截图自然是没有的。以下是提交执行时Flink Web UI给出的执行计划（实际有更多的统计任务，不止3个Sink）。通过复用源数据，可以在同一个Flink job内实现更多统计需求。

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