Flink常见面试题整理

1.什么是Apache Flink（为什么使用 Flink 替代 Spark？）

        Apache Flink 是一个开源的基于流的有状态计算框架。它是分布式地执行的，具备低延迟、高吞吐的优秀性能，并且非常擅长处理有状态的复杂计算逻辑场景。

2.Flink 的核心概念

        Flink 的核心概念主要有四个：Event Streams、State、Time 和 Snapshots。                      

• Event Streams：即事件流，事件流可以是实时的也可以是历史的。Flink 是基于流的，但它不止能处理流，也能处理批，而流和批的输入都是事件流，差别在于实时与批量。
  • State：Flink 擅长处理有状态的计算。通常的复杂业务逻辑都是有状态的，它不仅要处理单一的事件，而且需要记录一系列历史的信息，然后进行计算或者判断。
  • Time：最主要处理的问题是数据乱序的时候，一致性如何保证。
  • Snapshots：实现了数据的快照、故障的恢复，保证数据一致性和作业的升级迁移等。

3.作业在很多情况下有可能会失败。失败之后重新去运行时，我们如何保证数据的一致性？

        Flink 基于 Chandy-Lamport 算法，会把分布式的每一个节点的状态保存到分布式文件系统里面作为 Checkpoint（检查点），过程大致如下。首先，从数据源端开始注入 Checkpoint Barrier，它是一种比较特殊的消息。

        然后它会跟普通的事件一样随着数据流去流动，当 Barrier 到达算子之后，这个算子会把它当前的本地状态进行快照保存，当 Barrier 流动到 Sink，所有的状态都保存完整了之后，它就形成一个全局的快照。

        这样当作业失败之后，就可以通过远程文件系统里面保存的 Checkpoint 来进行回滚：先把 Source 回滚到 Checkpoint 记录的 offset，然后把有状态节点当时的状态回滚到对应的时间点，进行重新计算。这样既可以不用从头开始计算，又能保证数据语义的一致性。

4.Flink的时间语义

• Event Time：事件创建的时间
• Ingestion Time：数据进入Flink的时间
• Processing Time：执行操作算子的本地系统时间，与机器相关

5.Flink的API可分为哪几层？

• SQL & Table API 同时适用于批处理和流处理，这意味着你可以对有界数据流和无界数据流以相同的语义进行查询，并产生相同的结果。除了基本查询外， 它还支持自定义的标量函数，聚合函数以及表值函数，可以满足多样化的查询需求。
• DataStream & DataSet API 是 Flink 数据处理的核心 API，支持使用 Java 语言或 Scala 语言进行调用，提供了数据读取，数据转换和数据输出等一系列常用操作的封装。
• Stateful Stream Processing 是最低级别的抽象，它通过 Process Function 函数内嵌到 DataStream API 中。 Process Function 是 Flink 提供的最底层 API，具有最大的灵活性，允许开发者对于时间和状态进行细粒度的控制。

6.Flink 运行时组件

1) 作业管理器（JobManager）

1. 控制一个应用程序执行的主进程，也就是说，每个应用程序都会被一个不同的Jobmanager所控制执行
2. Jobmanager会先接收到要执行的应用程序，这个应用程序会包括：作业图（ Job Graph）、逻辑数据流图（ ogical dataflow graph）和打包了所有的类、库和其它资源的JAR包。
3. Jobmanager会把Jobgraph转换成一个物理层面的数据流图，这个图被叫做“执行图”(Executiongraph)，包含了所有可以并发执行的任务。Job Manager会向资源管理器(Resourcemanager)请求执行任务必要的资源，也就是任务管理器(Taskmanager)上的插槽slot。一旦它获取到了足够的资源，就会将执行图分发到真正运行它们的 Taskmanager上。而在运行过程中Jobmanagera会负责所有需要中央协调的操作，比如说检查点(checkpoints)的协调。

2) 任务管理器（TaskManager）

1. Flink中的工作进程。通常在 Flink中会有多个Taskmanager运行，每个Taskmanager都包含了一定数量的插槽(slots)。插槽的数量限制了Taskmanager能够执行的任务数量。
2. 启动之后，Taskmanager会向资源管理器注册它的插槽；收到资源管理器的指令后， Taskmanager就会将一个或者多个插槽提供给Jobmanager调用。Jobmanager就可以向插槽分配任务(tasks)来执行了。
3. 在执行过程中，一个Taskmanager可以跟其它运行同一应用程序的Taskmanager交换数据。

3) 资源管理器（ResourceManager)

1. 主要负责管理任务管理器(TaskManager)的插槽(slot)Taskmanger插槽是Flink中定义的处理资源单元。
2. Flink为不同的环境和资源管理工具提供了不同资源管理器，比如YARN、K8s，以及 standalone部署。
3. 当Jobmanager申请插槽资源时，Resourcemanager会将有空闲插槽的Taskmanager分配给Jobmanager。如果 Resourcemanager没有足够的插槽来满足 Jobmanager的请求，它还可以向资源提供平台发起会话，以提供启动 Taskmanager进程的容器。

4) 分发器（Dispatcher）

1. 可以跨作业运行，它为应用提交提供了REST接口。
2. 当一个应用被提交执行时，分发器就会启动并将应用移交给Jobmanage。
3. Dispatcher他会启动一个WebUi，用来方便地展示和监控作业执行的信息。

7.Flink任务提交流程

8.任务提交流程（YARN）

1. Flink任务提交后，Client向HDFS上传Flink的Jar包和配置
2. 随后向Yarn ResourceManager提交任务，ResourceManager分配Container资源并通知对应的NodeManager启动
3. ApplicationMaster，ApplicationMaster启动后加载Flink的Jar包和配置构建环境
4. 然后启动JobManager，之后ApplicationMaster向ResourceManager申请资源启动 TaskManager
5. ResourceManager分配Container资源后，由ApplicationMaster通知资源所在节点的NodeManager启动TaskManager
6. NodeManager加载Flink的Jar包和配置构建环境并启动TaskManager
7. TaskManager启动后向JobManager发送心跳包，并等待JobManager向其分配任务。

9.Flink的执行图

Flink中的执行图可以分成四层： Streamgraph -> Jobgraph -> Executiongraph -> 物理执行图

1. Streamgraph：是根据用户通过 Stream API编写的代码生成的最初的图。用来表示程序的拓扑结构。
2. Jobgraph：Streamgraph经过优化后生成了 Jobgraph，提交给 Jobmanager的数据结构。主要的优化为，将多个符合条件的节点 chain在一起作为一个节点。
3. Execution Graph：Jobmanager根据 Jobgraph生成,是 Jobgraph的并行化版本，是调度层最核心的数据结构。
4. 物理执行图：Jobmanager根据 Executiongraph对Job进行调度后，在各个Taskmanager上部署Task后形成的“图”，并不是一个具体的数据结构。

10.Flink的分区策略

11.Flink 的状态分为哪两类

        作为对状态支持比较好的系统，Flink内部提供了可以使用的很多种可选的状态原语。从大的角度看， 所有状态原语可以分为KeyedState和OperatorState 两类。

12.KeyedState都有哪几类

        Keyed State 可以进一步划分为下面的 5 类，它们分别是

• 比较常用的：ValueState、ListState、MapState
• 不太常用的：ReducingState 和 AggregationState

13.Flink中watermark的概念

        watermark是一种衡量Event Time进展的机制，它是数据本身的一个隐藏属性。通常基于Event Time的数据，自身都包含一个timestamp.watermark是用于处理乱序事件的，而正确的处理乱序事件，通常用watermark机制结合window来实现。

        流处理从事件产生，到流经source，再到operator，中间是有一个过程和时间的。虽然大部分情况下，流到operator的数据都是按照事件产生的时间顺序来的，但是也不排除由于网络、背压等原因，导致乱序的产生（out-of-order或者说late element）。

        但是对于late element，我们又不能无限期的等下去，必须要有个机制来保证一个特定的时间后，必须触发window去进行计算了。这个特别的机制，就是watermark。

14.什么是Flink的全局快照

       全局快照首先是一个分布式应用，它有多个进程分布在多个服务器上；其次，它在应用内部有自己的处理逻辑和状态；第三，应用间是可以互相通信的；第四，在这种分布式的应用，有内部状态，硬件可以通信的情况下，某一时刻的全局状态，就叫做全局的快照。

15.为什么需要全局快照

• 第一，用它来做检查点，可以定期对全局状态做备份，当应用程序故障时，就可以拿来恢复；
• 第二，做死锁检测，进行快照后当前的程序继续运行，然后可以对快照进行分 析，看应用程序是不是存在死锁状态，如果是就可以进行相应的处理。

16.Flink的容错机制

• Exactly once，是指每条 event 会且只会对 state 产生一次影响，这里的“一次”并非端到端的严格一次，而是指在 Flink 内部只处理一次，不包括 source和 sink 的处理。
• At least once，是指每条 event 会对 state 产生最少一次影响，也就是存在重复处理的可能。
• At most once，是指每条 event 会对 state 产生最多一次影响，就是状态可能会在出错时丢失。

17.Flink是如何实现End-To-End Exactly-once的？

        Flink通过状态和两次提交协议来保证了端到端的exactly-once语义

• Source：支持数据的replay，如Kafka的offset。
• Transformation：借助于checkpoint
• Sink：Checkpoint + 两阶段事务提交

18.解释下两阶段提交？

• 一旦Flink开始做checkpoint操作，就会进入pre-commit “预提交”阶段，同时JobManager的Coordinator会将Barrier注入数据流中。
• 当所有的barrier在算子中成功进行一遍传递（就是Checkpoint完成），并完成快照后，“预提交”阶段完成。
• 等所有的算子完成“预提交”，就会发起一个commit “提交”动作，但是任何一个“预提交” 失败都会导致Flink回滚到最近的checkpoint。

19.两阶段提交API

• beginTransaction：在开启事务之前，我们在目标文件系统的临时目录中创建一个临时文件，后面在处理数据时将数据写入此文件。
• preCommit：在预提交阶段，刷写（flush）文件，然后关闭文件，之后就不能写入到文件了，我们还将为属于下一个检查点的任何后续写入启动新事务。
• commit：在提交阶段，我们将预提交的文件原子性移动到真正的目标目录中，请注意，这回增加输出数据可见性的延迟。
• abort：在中止阶段，我们删除临时文件。

20.Flink 的 checkpoint 存在哪里？

        可以是内存，文件系统，或者 RocksDB。

21.海量 key 去重

        如果是海量数据的话，Set结构是不现实的，可以考虑使用布隆过滤器来去重。

22.Flink 的 checkpoint 机制对比 spark 有什么不同和优势？

        spark streaming 的 checkpoint 仅仅是针对 driver 的故障恢复做了数据和元数据的 checkpoint。而 flink 的 checkpoint 机制 要复杂了很多，它采用的是轻量级的分布式快照，实现了每个算子的快照，及流动中的数据的快照。

23.Flink CEP 编程中当状态没有到达的时候会将数据保存在哪里？

        在 Flink CEP 的处理逻辑中，状态没有满足的和迟到的数据，都会存储在一个 Map 数据结构中，也就是说，如果我们限定判断事件序列的时长为 5 分钟，那么内存中就会存储 5 分钟的数据。

24.Flink 程序在面对数据高峰期时如何处理？

         使用大容量的 Kafka 把数据先放到消息队列里面作为数据源，再使用Flink 进行消费，不过这样会影响到一点实时性。

25.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。

26.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。

27.Flink的重启策略都有哪些？

• 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）

28.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。

29.Flink的内存模型

30.数据倾斜问题

1.keyBy之前发生数据倾斜

        如果keyBy之前就存在数据倾斜，上游算子的某些实例可能处理的数据较多，某些实例可能处理的数据较少，产生该情况可能是因为数据源的数据本身就不均匀，例如由于某些原因Kafka的topic中某些partition的数据量较大，某些partition的数据量较少。对于不存在keyBy的Flink任务也会出现该情况。

        这种情况，需要让Flink任务强制进行shuffle。使用shuffle、rebalance、rescale算子即可将数据均匀分配，从而解决数据倾斜的问题。

2.keyBy之后无开窗聚合数据倾斜

        map端使用状态先预聚合，达到一定时间或者一定size后再同一输出（localkeyby）。

3.keyBy后的窗口聚合操作存在数据倾斜

        因为使用了窗口，变成了有界数据的处理，窗口默认是触发时才会输出一条结果发往下游，所以可以使用两阶段聚合的方式：

        第一阶段聚合：key拼接随机数前缀或后缀，进步keyby、开窗、聚合。

        第二阶段聚合：去掉随机数前缀或后缀，按照原来的key及windowEnd作keyby、聚合。

31.Flink连接API

• union 多流合并，类型一致
• connect 两条流分别处理，类型可不一致，可共享状态
• join 相当于innerjoin
• coGroup 实现左外连接，第一个流没有join上，也要输出

32.Flink-On-Yarn常见的提交模式有哪些，分别有什么优缺点？

1.yarn-session模式：

        这种方式需要先启动集群，然后在提交作业，接着会向yarn申请一块空间后，资源永远保持不变。如果资源满了，下一个就任务就无法提交，只能等到yarn中其中一个作业完成后，释放了资源，那下一个作业才会正常提交，这种方式资源被限制在session中，不能超过，比较适合特定的运行环境或测试环境。

2.per-job模式：

        这种方式直接在yarn上提交任务运行Flink作业，这种方式的好处是一个任务会对应一个job，即每提交一个作业会根据自身的情况，向yarn中申请资源，直到作业执行完成，并不会影响下一个作业的正常运行，除非是yarn上面没有任何资源的情况下。一般生产环境是采用此方式运行。这种方式需要保证集群资源足够。

33.Flink如何处理迟到数据

• watermark可以设置延迟时间
• window的allowedLateness方法，可以设置窗口允许处理迟到数据的时间
• window的sideOutputLateData方法，可以将迟到的数据写入侧输出流

34.Flink任务延迟高如何解决

        在Flink的后台任务管理中，我们可以看到Flink的那个算子和task出现了反压。最主要的手段是资源调优和算子调优。例如调大并发，增加运行任务的资源。缩短窗口时长。

35.Flink Operator Chains

        为了更高效地分布式执行，Flink会尽可能地将operator的subtask链接（chain）在一起形成task。每个task在一个线程中执行。将operators链接成task是非常有效的优化：它能减少线程之间的切换，减少消息的序列化/反序列化，减少数据在缓冲区的交换，减少了延迟的同时提高整体的吞吐量。这就是我们所说的算子链。其实就是尽量把操作逻辑放入到同一个subtask里面也就是一个槽TaskSolt。

36.Flink什么情况下才会把Operator chain在一起形成算子链？

• 上下游并行度一致
• 下游数据没有其他的输入
• 上下游节点都在同一个soltgroup中，默认是一样的，如果不是，单独指定的算子资源，会独占TaskSolt
• 没有keyed操作
• 数据发送策略是forward
• 用户没有禁用chain

37.Flink中应用在tableAPI中的UDF有几种？

• scalar function：针对一条record的一个字段的操作，返回一个字段
• table function：针对一条record的一个字段的操作，返回多个字段
• aggregate function：针对多条记录的一个字段操作，返回一条记录