Flink运行架构详解

一、任务提交流程

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

二、任务调度原理

（1）Program Code：我们编写的 Flink 应用程序代码。

（2）Job Client：Job Client 不是 Flink 程序执行的内部部分，但它是任务执行的起点。 Job Client 负责接受用户的程序代码，然后创建数据流，将数据流提交给 Job Manager 以便进一步执行。 执行完成后，Job Client 将结果返回给用户

（3）Job Manager：主进程（也称为作业管理器）协调和管理程序的执行。

它的主要职责包括安排任务，管理checkpoint ，故障恢复等。机器集群中至少要有一个 master，master 负责调度 task，协调 checkpoints 和容灾，高可用设置的话可以有多个 master，但要保证一个是active, 其他是 standby。
Job Manager 包含 Actor system(通信系统)、Scheduler（调度）、Checkpointing 三个重要的组件。

（4）Task Manager：从Job Manager 处接收需要部署的 Task。Task Manager 是在 JVM 中的一个或多个线程中执行任务的工作节点。 任务执行的并行性由每个 Task Manager 上可用的任务槽（task slot）决定。 每个任务代表分配给任务槽的一组资源。

例如，如果 Task Manager 有四个插槽，那么它将为每个插槽分配 25％ 的内存。 可以在任务槽中运行一个或多个线程。同一插槽中的线程共享相同的 JVM。 同一 JVM 中的任务共享 TCP 连接和心跳消息。Task Manager 的一个 Slot 代表一个可用线程，该线程具有固定的内存，注意 Slot 只对内存隔离，没有对 CPU 隔离。默认情况下，Flink 允许子任务共享 Slot，即使它们是不同 task 的 subtask，只要它们来自相同的 job。这种共享可以有更好的资源利用率。

三、Worker与Slots

每一个worker(TaskManager)是一个JVM进程，它可能会在独立的线程上执行一个或多个subtask。为了控制一个worker能接收多少个task，worker通过task
slot来进行控制（一个worker至少有一个task
slot）。

每个task slot表示TaskManager拥有资源的一个固定大小的子集。假如一个TaskManager有三个slot，那么它会将其管理的内存分成三份给各个slot。资源slot化意味着一个subtask将不需要跟来自其他job的subtask竞争被管理的内存，取而代之的是它将拥有一定数量的内存储备。需要注意的是，这里不会涉及到CPU的隔离，slot目前仅仅用来隔离task的受管理的内存。

通过调整task slot的数量，允许用户定义subtask之间如何互相隔离。如果一个TaskManager一个slot，那将意味着每个task group运行在独立的JVM中（该JVM可能是通过一个特定的容器启动的），而一个TaskManager多个slot意味着更多的subtask可以共享同一个JVM。而在同一个JVM进程中的task将共享TCP连接（基于多路复用）和心跳消息。它们也可能共享数据集和数据结构，因此这减少了每个task的负载。

Task Slot是静态的概念，是指TaskManager具有的并发执行能力，可以通过参数taskmanager.numberOfTaskSlots进行配置。
并行度parallelism是动态概念，即TaskManager运行程序时实际使用的并发能力，可以通过参数parallelism.default进行配置。

也就是说，假设一共有3个TaskManager，每一个TaskManager中的分配3个TaskSlot，也就是每个TaskManager可以接收3个task，一共9个TaskSlot，如果我们设置parallelism.default=1，即运行程序默认的并行度为1，9个TaskSlot只用了1个，有8个空闲，因此，设置合适的并行度才能提高效率。

四、程序与数据流

Flink程序的基础构建模块是 流（streams） 与 转换（transformations）（需要注意的是，Flink的DataSet API所使用的DataSets其内部也是stream）。一个stream可以看成一个中间结果，而一个transformations是以一个或多个stream作为输入的某种operation，该operation利用这些stream进行计算从而产生一个或多个result stream。

在运行时，Flink上运行的程序会被映射成streaming dataflows，它包含了streams和transformations operators。每一个dataflow以一个或多个sources开始以一个或多个sinks结束。dataflow类似于任意的有向无环图（DAG），当然特定形式的环可以通过iteration构建。在大部分情况下，程序中的transformations跟dataflow中的operator是一一对应的关系，但有时候，一个transformation可能对应多个operator。

五、并行数据流

Flink程序的执行具有并行、分布式的特性。

在执行过程中，一个 stream 包含一个或多个 stream partition ，而每一个 operator 包含一个或多个 operator subtask，这些operator subtasks在不同的线程、不同的物理机或不同的容器中彼此互不依赖得执行。

一个特定operator的subtask的个数被称之为其parallelism(并行度)。一个stream的并行度总是等同于其producing operator的并行度。一个程序中，不同的operator可能具有不同的并行度。

Stream在operator之间传输数据的形式可以是one-to-one(forwarding)的模式也可以是redistributing的模式，具体是哪一种形式，取决于operator的种类。

One-to-one：stream(比如在source和map operator之间)维护着分区以及元素的顺序。那意味着map operator的subtask看到的元素的个数以及顺序跟source operator的subtask生产的元素的个数、顺序相同，map、fliter、flatMap等算子都是one-to-one的对应关系。

Redistributing：stream(map()跟keyBy/window之间或者keyBy/window跟sink之间)的分区会发生改变。每一个operator subtask依据所选择的transformation发送数据到不同的目标subtask。例如，keyBy() 基于hashCode重分区、broadcast和rebalance会随机重新分区，这些算子都会引起redistribute过程，而redistribute过程就类似于Spark中的shuffle过程。

六、task与operator chains

出于分布式执行的目的，Flink将operator的subtask链接在一起形成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和基于缓存区的数据交换，在减少时延的同时提升吞吐量。链接的行为可以在编程API中进行指定。

下面这幅图，展示了5个subtask以5个并行的线程来执行：