【Flink】Flink运行时的架构

Flink运行时的架构

  • Flink 运行时的组件
    • 作业管理器(JobManager)
    • 任务管理器(TaskManager)
    • 资源管理器(ResourceManager)
    • 分发器(Dispatcher)
  • 任务提交流程
  • 任务调度原理
    • 并行度
    • TaskManager 和 Slots
    • 并行子任务的分配
    • 程序和数据流
    • 执行图(ExecutionGraph)
    • 数据传输形式
    • 任务链(Operator Chains)

Flink 运行时的组件

  • 运行时主要有四大组件
    【Flink】Flink运行时的架构_第1张图片

作业管理器(JobManager)

  • 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。

  • 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(JobGraph)、逻辑数据流图(logical dataflow graph)和打包了所有的类、库和其它资源的JAR包。

  • 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。

  • JobManager 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,JobManager会负责所有需要中央协调的操作,比如说检查(checkpoints)的协调。

任务管理器(TaskManager)

  • Flink中的工作进程。通常在Flink中会有多个TaskManager运行,每一个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。

  • 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。

  • 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

资源管理器(ResourceManager)

  • 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。

  • 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、Mesos、K8s,以及standalone部署。

  • 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。

分发器(Dispatcher)

  • 可以跨作业运行,它为应用提交提供了REST接口。

  • 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一个JobManager。

  • Dispatcher也会启动一个Web UI,用来方便地展示和监控作业执行的信息。

  • Dispatcher在架构中可能并不是必需的,这取决于应用提交运行的方式。

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任务提交流程

  • 使用WEBUI来来提交的原理
    【Flink】Flink运行时的架构_第2张图片
  • yarn任务调度的原理
    【Flink】Flink运行时的架构_第3张图片

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任务调度原理

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并行度

  • 一个特定算子的 子任务(subtask)的个数被称之为其并行度(parallelism)。一般情况下,一个 stream 的并行度,可以认为就是其所有算子中最大的并行度
    【Flink】Flink运行时的架构_第5张图片

TaskManager 和 Slots

  • Flink 中每一个 TaskManager 都是一个JVM进程,它可能会在独立的线程上执行一个或多个子任务

  • 为了控制一个 TaskManager 能接收多少个 task, TaskManager 通过 task slot 来进行控制(一个 TaskManager 至少有一个 slot)
    【Flink】Flink运行时的架构_第6张图片

  • 默认情况下,Flink 允许子任务共享 slot,即使它们是不同任务的子任务。 这样的结果是,一个 slot 可以保存作业的整个管道。

  • Task Slot 是静态的概念,是指 TaskManager 具有的并发执行能力
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并行子任务的分配

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  • 上述描述的是一个具有两个数据入流的数据A、C(后面的数字是每个任务的并行度)

  • 上述在没有划分slot组的时候只需要4个slot即可,因为slot是可以共享的,划分slot组只需要添加下列代码即可

  • 划分了slot组后只有同组的slot的可以共享的

  • 也就是说默认的slot数量就是看算子里面的最大的并行度

        SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Integer>> result = inputStream.flatMap(new WordCountTest01.MyFlatMapper())
                .keyBy(0)//与groupBy相似,按照key的hashCode
                .sum(1).setParallelism(3).slotSharingGroup("red");
    

程序和数据流

【Flink】Flink运行时的架构_第9张图片

  • 所有的Flink程序都是由三部分组成的: Source 、Transformation 和 Sink。

  • Source 负责读取数据源,Transformation 利用各种算子进行处理加工,Sink 负责输出

  • 在运行时,Flink上运行的程序会被映射成“逻辑数据流”(dataflows),它包含了这三部分

  • 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)

  • 在大部分情况下,程序中的转换运算(transformations)跟dataflow中的算子(operator)是一一对应的关系

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执行图(ExecutionGraph)

  • Flink 中的执行图可以分成四层:StreamGraph -> JobGraph -> ExecutionGraph -> 物理执行图

  • 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。

  • 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

  • ExecutionGraph:JobManager 根据 JobGraph 生成ExecutionGraph。ExecutionGraph是JobGraph的并行化版本,是调度层最核心的数据结构。

  • 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。

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数据传输形式

  • 一个程序中,不同的算子可能具有不同的并行度

  • 算子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,取决于算子的种类

    One-to-one:stream维护着分区以及元素的顺序(比如source和map之间)。这意味着map 算子的子任务看到的元素的个数以及顺序跟 source 算子的子任务生产的元素的个数、顺序相同。map、fliter、flatMap等算子都是one-to-one的对应关系。

    Redistributing:stream的分区会发生改变。每一个算子的子任务依据所选择的transformation发送数据到不同的目标任务。例如,keyBy 基于 hashCode 重分区、而 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。

任务链(Operator Chains)

  • Flink 采用了一种称为任务链的优化技术,可以在特定条件下减少本地通信的开销。为了满足任务链的要求,必须将两个或多个算子设为相同的并行度,并通过本地转发(local forward)的方式进行连接

  • 相同并行度的 one-to-one 操作,Flink 这样相连的算子链接在一起形成一个 task,原来的算子成为里面的 subtask

  • 并行度相同、并且是 one-to-one 操作,两个条件缺一不可

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