读Flink源码谈设计：Exactly Once

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版本	日期	备注
1.0	2022.2.2	文章首发

0.前言

将Flink应用至生产已有一段时间，刚上生产的时候有幸排查过因数据倾斜引起的Checkpoint超时问题——当时简单的了解了相关机制，最近正好在读Flink源码，不如趁这个机会搞清楚。

在这里，我们首先要搞清楚两种Exactly-Once的区别：

• Exactly Once：在计算引擎内部，数据不丢失不重复。本质是通过Flink开启检查点进行Barrier对齐，即可做到。
• End to End Exactly Once：这意味着从数据读取、引擎处理到写入外部存储的整个过程中，数据都是不丢失不重复的。这要求数据源可重放，写入端支持事务的恢复和回滚或幂等。

1. 数据倾斜为什么会引起Checkpoint超时

做Checkpoint时算子会有一个barrier的对齐机制（为何一定要对齐后面会讲到）。以下图为例讲解对齐过程：

当两条边下发barrier时，barrier1比barrier2先到达了算子，那么算子会将一条边输入的元素缓存起来，直到barrier2到了做Checkpoint以后才会下发元素。

每个算子对齐barrier后，会进行异步状态存储，然后下发barrier。每个算子做完Checkpoint时，会通知CheckpointCoordinator。当CheckpointCoordinator得知所有算子的Checkpoint都做完时，认为本次Checkpoint完成。

而在我们的应用程序中，有一个map算子接受了大量数据，导致barrier一直没有下发，最终整个Checkpoint超时。

2. Checkpoint的原理

其具体原理可以参考Flink团队的论文：Lightweight Asynchronous Snapshots for Distributed Dataflow。简单来说，早期流计算的容错方案都是周期性做全局状态的快照，但这有两个缺点：

• 阻塞计算——做快照时是同步阻塞的。
• 会将当前算子未处理以及正在处理的record一起做进快照，因此快照会变得特别大。

而Flink是基于Chandy-Lamport 算法来扩展的——该算法异步地执行快照，同时要求数据源可重放，但仍然会存储上游数据。而Flink的方案提出的方案在无环图中并不会存储数据。

在Flink中（无环有向图），会周期性的插入Barrier这个标记，告知下游算子开始做快照。这个算法基于以下前提：

• 网络传输可靠，可以做到FIFO。这里会对算子进行blocked和 unblocked操作，如果一个算子是blocked，它会把从上游通道接收到的所有数据缓存起来，直接收到unblocked的信号才发送。
• Task可以对它们的通道进行以下操作：block, unblock, send messages, broading messages。
• 对于Source节点来说，会被抽象成Nil输入通道。

3. Checkpoint的实现

在Flink中，做Checkpoint大致由以下几步组成：

1. 可行性检查
2. JobMaster通知Task触发检查点
3. TaskExecutor执行检查点
4. JobMaster确认检查点

接下来，让我们跟着源码来看一下里面的具体实现。

3.1 可行性检查

参考代码：CheckpointingCoordinator#startTriggeringCheckpoint。

1. 确保作业不是处于关闭中或未启动的状态（见CheckpointPlanCalculator#calculateCheckpointPlan）。
2. 生成新的CheckpointingID，并创建一个PendingCheckpoint——当所有Task都完成了Checkpoint，则会转换成一个CompletedCheckpoint。同时也会注册一个线程去关注是否有超时的情况，如果超时则会Abort当前的Checkpoint（见CheckpointPlanCalculator#createPendingCheckpoint）。
3. 触发MasterHook。部分外部系统在触发检查点之前，需要做一些扩展逻辑，通过该实现MasterHook可以实现通知机制（见CheckpointPlanCalculator#snapshotMasterState）。
4. 重复步骤1，没问题的话通知SourceStreamTask开始触发检查点（见CheckpointPlanCalculator#triggerCheckpointRequest）。

3.2 JobMaster通知Task触发检查点

在CheckpointPlanCalculator#triggerCheckpointRequest中，会通过triggerTasks方法调用到Execution#triggerCheckpoint方法。Execution对应了一个Task实例，因此JobMaster可以通过里面的Slot引用找到其TaskManagerGateway，发送远程请求触发Checkpoint。

3.3 TaskManager执行检查点

TaskManager在代码中的体现为TaskExecutor。当JobMaster触发远程请求至TaskExecutor时，handle的方法为TaskExecutor#triggerCheckpoint，之后便会调用Task#triggerCheckpointBarrier来做：

1. 做一些检查，比如Task是否是Running状态
2. 触发Checkpoint：调用CheckpointableTask#triggerCheckpointAsync
3. 执行检查点：CheckpointableTask#triggerCheckpointAsync。以StreamTask实现为例，这里会考虑上游已经Finish时如何触发下游Checkpoint的情况——通过塞入CheckpointBarrier来触发；如果任务没有结束，则调用StreamTask#triggerCheckpointAsyncInMailbox。最终都会走入SubtaskCheckpointCoordinator#checkpointState来触发Checkpoint。
4. 算子保存快照：调用OperatorChain#broadcastEvent：保存OperatorState与KeyedState。
5. 调用SubtaskCheckpointCoordinatorImpl#finishAndReportAsync，：异步的汇报当前快照已完成。

3.4 JobMaster确认检查点

|-- RpcCheckpointResponder
  \-- acknowledgeCheckpoint
|-- JobMaster
  \-- acknowledgeCheckpoint
|-- SchedulerBase
  \-- acknowledgeCheckpoint
|-- ExecutionGraphHandler
  \-- acknowledgeCheckpoint
|-- CheckpointCoordinator
  \-- receiveAcknowledgeMessage

在3.1中，我们提到过PendingCheckpoint。这里面维护了一些状来确保Task全部Ack、Master全部Ack。当确认完成后， CheckpointCoordinator将会通知所有的Checkpoint已经完成。

|-- CheckpointCoordinator
  \-- receiveAcknowledgeMessage
  \-- sendAcknowledgeMessages

3.5 检查点恢复

该部分代码较为简单，有兴趣的同学可以根据相关调用栈自行阅读代码。

|-- Task
  \-- run
  \-- doRun
|-- StreamTask
  \-- invoke
  \-- restoreInternal
  \-- restoreGates
|-- OperatorChain
  \-- initializeStateAndOpenOperators
|-- StreamOperator
  \-- initializeState
|-- StreamOperatorStateHandler
  \-- initializeOperatorState
|-- AbstractStreamOperator
  \-- initializeState
|-- StreamOperatorStateHandler
  \-- initializeOperatorState
|-- CheckpointedStreamOperator
  \-- initializeState #调用用户代码

3.6 End to End Exactly Once

端到端的精准一次实现其实是比较困难的——考虑一个Source对N个Sink的场景。故此Flink设计了相应的接口来保障端到端的精准一次，分别是：

• TwoPhaseCommitSinkFunction：想做精准一次的Sink必须实现此接口。
• CheckpointedFunction：Checkpoint被调用时的钩子。
• CheckpointListener：顾名思义，当Checkpoint完成或失败时会通知此接口的实现者。

目前Source和Sink全部ExactlyOnce实现的只有Kafka——其上游支持断点读取，下游支持回滚or幂等。有兴趣的同学可以阅读该接口的相关实现。

可能有同学会好奇为什么JDBC Sink没有实现ExactlyOnce。本质和这个接口的执行方式无法兼容JDBC的事务使用方式——当一个算子意味退出时，是无法再对之前的事务进行操作的。因此TwoPhaseCommitSinkFunction中的retryCommit以及retryRollback是无法进行的——见https://github.com/apache/fli...。JDBC的Sink是基于XA实现的，尽可能保证一致性。这里可能又有同学会问了为什么不用Upset类的语句，因为这个方式并不通用——对于Upset需要一个唯一键，不然性能极差。

4. 小结

本文以问题视角切入Checkpoint的原理与实现，并对相关源码做了简单的跟踪。其实代码的线路是比较清晰的，但涉及大量的类——有心的同学可能已经发现，这是单一职责原则的体现。TwoPhaseCommitSinkFunction中的实现也是典型的模版方法设计模式。