【Flink】DataStream API使用之源算子(Source)

源算子

创建环境之后，就可以构建数据的业务处理逻辑了，Flink可以从各种来源获取数据，然后构建DataStream进项转换。一般将数据的输入来源称为数据源（data source），而读取数据的算子就叫做源算子（source operator）。所以，Source就是整个程序的输入端。
Flink中添加source的方式，是调用执行环境的 addSource()方法：

DataStreamSource<String> stringDataStreamSource = env.addSource(...);
DataStreamSource<String> stringDataStreamSource = env.fromSource(...);

参数是一个泛型接口SourceFunction，需要实现 SourceFunction 接口；返回 DataStreamSource。这里的
DataStreamSource 类继承自 SingleOutputStreamOperator 类，又进一步继承自 DataStream。所以
很明显，读取数据的 source 操作是一个算子，得到的是一个数据流（DataStream）。
Flink提供了很多种已经实现好的source function，一般情况下我们只需要找到对应的实现类就可以了。
以下介绍5种读取数据的源算子示例。

1. 从集合中读取

最简单的读取数据的方式，就是在代码创建一个集合通过调用执行环境的fromCollection 或者其他方法进行读取。这相当于将数据读取到内存中，形成特殊的数据结构后，作为数据源使用，一般用于测试。

1.1 fromCollection

基于集合构建输入数据，集合中的所有元素必须是同一种类型。

方法名	示例
public DataStreamSource fromCollection(Collection data)	env.fromCollection(list)
public DataStreamSource fromCollection(Collection data, TypeInformation typeInfo)	env.fromCollection(list, BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO)
public DataStreamSource fromCollection(Iterator data, Class type)	env.fromCollection(new CustomIterator(), String.class)
public DataStreamSource fromCollection(Iterator data, TypeInformation typeInfo)	env.fromCollection(new CustomIterator(), BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO)

参数说明：

• Collection data 集合对象，例如List，Set
• Iterator data 迭代器对象或者自定义迭代器，CustomIterator
• Class type type 集合数据元素类型 ，例如：BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO.getTypeClass()
• TypeInformation typeInfo 集合数据类型对象，例如：BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO

其中 CustomIterator 为自定义的迭代器，自定义迭代器除了要实现 Iterator 接口外，还必须实现序列化接口 Serializable ，否则会抛出序列化失败的异常，示例代码如下：

public class CustomIterator implements Iterator<Integer>, Serializable {
    private int i = 0;

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return i < 100;
    }

    @Override
    public Integer next() {
        i++;
        return i;
    }
}

1.2 fromElements

基于元素创建，所有元素必须是同一种类型。

方法名	示例
public final DataStreamSource fromElements(OUT... data)	env.fromElements("one1", "two2", "three3");
public final DataStreamSource fromElements(Class type, OUT... data)	env.fromElements(String.class, "one1", "two2", "three3");

参数说明：

• OUT... data 多参数元素
• Class type 元素类型 例如：BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO.getTypeClass()

1.3 fromSequence

基于给定的序列区间进行构建。

方法名	示例
public DataStreamSource fromSequence(long from, long to)	env.fromSequence(1, 10);
返回1-10之间的所有数字。

1.4 fromParallelCollection

从一个迭代器中创建并行数据流。Class 指定了该迭代器返回元素的类型。

方法名	示例
public DataStreamSource fromParallelCollection(SplittableIterator iterator, Class type)	env.fromParallelCollection(new NumberSequenceIterator(1, 10), BasicTypeInfo.LONG_TYPE_INFO.getTypeClass());
public DataStreamSource fromParallelCollection(SplittableIterator iterator, TypeInformation typeInfo)	env.fromParallelCollection(new NumberSequenceIterator(1, 10), BasicTypeInfo.LONG_TYPE_INFO);

参数说明：

• SplittableIterator iterator 是迭代器的抽象基类，它用于将原始迭代器的值拆分到多个不相交的迭代器中。
• Class type type 集合数据元素类型 ，例如：BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO.getTypeClass()
• TypeInformation typeInfo 集合数据类型对象，例如：BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO

2. 从文件读取数据

真正业务场景中，不会让我们直接把数据写在代码里，通长情况下可能会从存储介质中获取数据，本地文件或者HDFS文件以及OBS存储中等等。

• 参数可以是目录，也可以是文件；
• 路径可以是相对路径，也可以是绝对路径；相对路径是从系统属性 user.dir 获取路径: idea 下是 project 的根目录, standalone 模式下是集群节点根目录；
• 也可以从 hdfs 目录下读取, 使用路径 hdfs://…, 由于 Flink 没有提供 hadoop 相关依赖, 需要 pom 中添加相关依赖:

2.1 readTextFile

按照 TextInputFormat 格式读取文本文件，并将其内容以字符串的形式返回。

方法名	示例
public DataStreamSource readTextFile(String filePath)	env.readTextFile("doc/demo.txt");
public DataStreamSource readTextFile(String filePath, String charsetName)	env.readTextFile("doc/demo.txt", "UTF-8");

参数说明：

• filePath 文件路径，可以是绝对路径也可以是相对路径
• charsetName 文件字符串格式，UTF-8或者GBK等

2.2 readFile

根据给定的FileInputFormat读取用户指定的filePath的内容，文本类型的数据通用型方法

方法名	示例
public DataStreamSource readFile(FileInputFormat inputFormat, String filePath)	env.readFile(new TextInputFormat(new Path("doc/demo.txt")), "doc/demo.txt");
public DataStreamSource readFile(FileInputFormat inputFormat,String filePath,FileProcessingMode watchType, long interval)	env.readFile(new TextInputFormat(new Path("doc/demo.txt")), "doc/demo.txt", FileProcessingMode.PROCESS_ONCE , 10);
public DataStreamSource readFile(FileInputFormat inputFormat,String filePath, FileProcessingMode watchType,long interval,TypeInformation typeInformation)	env.readFile(new TextInputFormat(new Path("doc/demo.txt")), "doc/demo.txt", FileProcessingMode.PROCESS_ONCE , 10, BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO);

参数说明：

• FileInputFormat inputFormat 数据流的输入格式
• String filePath 文件路径，可以是本地文件系统上的路径，也可以是 HDFS 上的文件路径
• FileProcessingMode watchType 读取方式，它有两个可选值，分别是 FileProcessingMode.PROCESS_ONCE 和 FileProcessingMode.PROCESS_CONTINUOUSLY：前者表示对指定路径上的数据只读取一次，然后退出；后者表示对路径进行定期地扫描和读取。需要注意的是如果 watchType 被设置为 PROCESS_CONTINUOUSLY，那么当文件被修改时，其所有的内容 (包含原有的内容和新增的内容) 都将被重新处理，因此这会打破 Flink 的 exactly-once 语义。
• long interval 定期扫描的时间间隔。
• TypeInformation typeInformation 输入流中元素的类型

注意！FileInputFormat是一个抽象类，他的实现类有很多，对应了不同文件类型。

2.3 createInput

使用InputFormat创建输入数据流的通用方法。

方法名	示例
public DataStreamSource createInput(InputFormat inputFormat)	env.readFile(new TextInputFormat(new Path("doc/demo.txt")), "doc/demo.txt");
public DataStreamSource createInput(InputFormat inputFormat, TypeInformation typeInfo)	env.readFile(new TextInputFormat(new Path("doc/demo.txt")), "doc/demo.txt", FileProcessingMode.PROCESS_ONCE , 10);

参数说明：

• InputFormat inputFormat 接受通用输入格式读取数据

实际上FileInputFormat就继承自InputFormat，所以使用readFile就可以了

3. 从 Socket 读取数据

不论从集合还是文件，我们读取的其实都是有界数据。在流处理的场景中，数据往往是无
界的。Flink 提供了 socketTextStream 方法用于构建基于 Socket 的数据流。

3.1 socketTextStream

方法名	示例
public DataStreamSource socketTextStream(String hostname, int port, String delimiter, long maxRetry)	env.socketTextStream("127.0.0.1", 9999, "\n", 3);
public DataStreamSource socketTextStream(String hostname, int port, String delimiter)	env.socketTextStream("127.0.0.1", 9999, "\n");
public DataStreamSource socketTextStream(String hostname, int port)	env.socketTextStream("127.0.0.1", 9999);

参数说明：

• String hostname IP地址或者域名地址
• int port 端口号，设置为0表示端口号自动分配
• String delimiter 定界符
• long maxRetry 最大重试次数， 当 Socket 临时关闭时，程序的最大重试间隔，单位为秒。设置为 0 时表示不进行重试；设置为负值则表示一直重试。
  创建一个新的数据流，其中包含从套接字无限接收的字符串。接收到的字符串由系统的默认字符集解码，使用“\n”作为分隔符。当套接字关闭时，读取器将立即终止。

4. 从 Kafka 读取数据

一些比较基本的 Source 和 Sink 已经内置在 Flink 里。 预定义 data sources 支持从文件、目录、socket，以及 collections 和 iterators 中读取数据。 预定义 data sinks 支持把数据写入文件、标准输出（stdout）、标准错误输出（stderr）和 socket。
Flink1.17版本已经集成了非常多的连接器，我这里使用的1.12版本。

Flink 还有些一些额外的连接器通过 Apache Bahir 发布, 包括:

具体详细的连接器信息，可以看官方文档DataStream Connectors

这里主要介绍下使用Flink读取Kafka数据的连接方式

4.1 导入外部依赖

Flink自身是没有Kafka的连接器的，不过Flink提供了Kafka的连接器的依赖包，

<dependency>
	 <groupId>org.apache.flink</groupId>
	 <artifactId>flink-connector-kafka_${scala.binary.version}</artifactId>
	 <version>${flink.version}</version>
</dependency>

只需要注意相对应的版本就可以了，我这里用的

1.13.0
2.12

然后使用FlinkKafkaConsumer就可以了

4.2 使用FlinkKafkaConsumer开发

在1.17版本，Flink已经推荐使用KafkaSource来构建Kafka的连接器，示例：

KafkaSource<String> source = KafkaSource.<String>builder()
    .setBootstrapServers(brokers)
    .setTopics("input-topic")
    .setGroupId("my-group")
    .setStartingOffsets(OffsetsInitializer.earliest())
    .setValueOnlyDeserializer(new SimpleStringSchema())
    .build();

env.fromSource(source, WatermarkStrategy.noWatermarks(), "Kafka Source");

FlinkKafkaConsumer测试代码示例：

public class GetDataSourceFromKafka {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 直接调用getExecutionEnvironment 方法，底层源码可以自由判断是本地执行环境还是集群的执行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);
        // 2. 从Kafka中读取数据
        Properties properties = new Properties();
        // 3. 设置Kafka消费者配置参数
        properties.setProperty("bootstrap.servers", "hadoop102:9092");
        properties.setProperty("group.id", "consumer-group");
        properties.setProperty("key.deserializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        properties.setProperty("value.deserializer",
                "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        properties.setProperty("auto.offset.reset", "latest");
        // 4. 指定监听topic, 并定义Flink和Kafka之间对象的转换规则
        DataStreamSource<String> KafkaSource = env.addSource(new FlinkKafkaConsumer<>("topic", new SimpleStringSchema(), properties));
        KafkaSource.print("dd");
        // 5. 执行程序
        env.execute();
    }
}

创建FlinkKafkaConsumer对象需要至少三个参数，这三个参数的说明如下:
public FlinkKafkaConsumer(String topic, DeserializationSchema valueDeserializer, Properties props)

• topic：定义了从哪些主题中读取数据。
• valueDeserializer： 是一个 DeserializationSchema 或者 KafkaDeserializationSchema。Kafka 消
  息被存储为原始的字节数据，所以需要反序列化成 Java 或者 Scala 对象。上面代码中
  使用的 SimpleStringSchema，是一个内置的 DeserializationSchema，它只是将字节数
  组简单地反序列化成字符串。DeserializationSchema 和 KafkaDeserializationSchema是
  公共接口，所以我们也可以自定义反序列化逻辑。
• props： 是一个 Properties 对象，设置了 Kafka 客户端的一些属性。

FlinkKafkaConsumer有很多的构造方法，对应不同场景，你可以使用一个 topic，也可以是 topic
列表，还可以是匹配所有想要读取的 topic 的正则表达式。

KeyedDeserializationSchema 过期了，所以这里使用的是KafkaDeserializationSchema。当然读取kafka的数据还有更多配置，这里不再详细描写，可以看官网的文档Apache Kafka 连接器

5. 自定义 Source读取数据

除了Flink提供的数据源连接器外，你还可以通过自定义实现 SourceFunction创建数据源连接器，自定义SourceFunction必须要实现重写两个关键方法：run()和 cancel()。

• run()方法：使用运行时上下文对象（SourceContext）向下游发送数据。
• cancel()方法：通过标识位控制退出循环，来达到中断数据源的效果。

以下是自定义SourceFunction代码实例：

public class CustomSource  implements SourceFunction<Event> {
    // 声明一个布尔变量，作为控制数据生成的标识位
    private Boolean running = true;

    @Override
    public void run(SourceContext<Event> ctx) throws Exception {
        Random random = new Random(); // 在指定的数据集中随机选取数据
        String[] users = {"Mary", "Alice", "Bob", "Cary"};
        String[] urls = {"./home", "./cart", "./fav", "./prod?id=1", "./prod?id=2"};
        while (running) {
            ctx.collect(new Event(
                    users[random.nextInt(users.length)],
                    urls[random.nextInt(urls.length)],
                    Calendar.getInstance().getTimeInMillis()
            ));
            // 隔 1 秒生成一个点击事件，方便观测
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

    @Override
    public void cancel() {
            running = false;
    }
}

使用方式就是直接通过addSource()调用就可以了
DataStreamSource customSource = env.addSource(new CustomSource());

注意我们实现的SourceFunction并行度只有1，如果数据源设置大于1的并行度，就会抛出异常

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: The parallelism 
of non parallel operator must be 1.

所以如果我们想要自定义并行的数据源的话，需要使用·ParallelSourceFunction，示例代码如下：

public class CustomSource  implements ParallelSourceFunction<Event> {
    // 声明一个布尔变量，作为控制数据生成的标识位
    private Boolean running = true;

    @Override
    public void run(SourceContext<Event> ctx) throws Exception {
        Random random = new Random(); // 在指定的数据集中随机选取数据
        String[] users = {"Mary", "Alice", "Bob", "Cary"};
        String[] urls = {"./home", "./cart", "./fav", "./prod?id=1", "./prod?id=2"};
        while (running) {
            ctx.collect(new Event(
                    users[random.nextInt(users.length)],
                    urls[random.nextInt(urls.length)],
                    Calendar.getInstance().getTimeInMillis()
            ));
            // 隔 1 秒生成一个点击事件，方便观测
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

    @Override
    public void cancel() {
            running = false;
    }
}

使用方式就是直接通过addSource()调用就可以了
DataStreamSource customSource = env.addSource(new CustomSource()).setParallelism(2);