flink学习总结

Flink学习总结

flink是什么：
1. 为分布式、高性能、随时可用以及准确的流处理应用程序打造的开源流处理框架
流处理&& 批处理
1. 批处理：spark streaming为批处理代表，数据有界，持久，大量，一般用于离线
2. 流处理：flink为代表，数据无界，实时，无需针对整个数据集，针对每一项数据进行处理，一般用于实时统计
flink 分层API
1. High -level Analytics API：SQL/Table API（dynamic tables）:
2. Stream & Batch Data Porcessing：DataStream API (streams, windows)
3. statefu Event-Driven Application：ProcessFunction（events, state, time）

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关系：
1. 最底层级别的仅仅提供抽象的有状态流，通过函数ProcessFunction 被嵌入到DataStream API 中
2. 大多数应用，不需要上述的底层抽象，而是针对核心API（Core APIS）进行变成，比如datastream API /DataSet API
3. 最高抽象层为SQL，表达能力上与Table API类似，但是Flink的SQL并不完善，推荐使用DataStreamAPI

Flink部署方式：

Standalone模式
1. 一般本地独立部署，无其他外部资源管理器（Hadoop，k8s这些）
Yarn模式
1. Session-Cluster运行模式

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先启动集群，在提交作业，接着向yarn申请一块空间，资源永远保持不变，资源满了，下一个任务无法提交，直到有作业执行完成，释放资源
所有作业共享Dispatcher和ReourceManager
适合规模小执行时间短的作业

Per-Job-Cluster运行模式

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一个Job会对应一个集群，每提交一个作业，根据自身情况，都会向yarn申请资源，直到作业执行完成，一个作业是否失败，不影响下一个作业正常运行
独享Dispatcher和ReourceManager
适合大规模，长时间运行的作业

Kubernetes部署

Session-Cluster运行模式

Flink运行时的组件：

作业管理器（JobManager）
1. 控制应用程序执行的主程序，
2. JobManager接受程序因该包括：作业图（JobGraph），逻辑数据流图（Logical dataflow graph）和所有类，库和其他资源的jar包
3. JobManager会将JobGraph转换为物理层面的数据流图---执行图（ExecutionGraph）
4. ExecutionGraph包含所有可以并发执行的任务，
5. JobManager向系统申请执行资源（TaskManager上的slot），资源足够，执行图分发到真正运行他们的TaskManager上去运行，
6. 运行过程中，JobManager负责所有需要中央协调的操作（state，checkpoint）
资源管理器（ResourceManager）
1. 主要负责管理任务管理器(TaskManager)的插槽(slot)
2. slot是TaskManager处理任务的资源单位
3. 如果在k8s上或者Hadoop上，ResourceManager负责向系统申请运行资源，和资源平台对话。
4. 还负责终止空闲TaskManager，释放计算机资源
任务管理器（TaskManager）
flink会有很多TaskManager运行，每一个TaskManager包含一个或者多个slots
slots数量会限制TaskManager执行的任务数量
可以和同一个应用程序中的其他TaskManager交换数据
分发器（Dispatcher）
当一个应用被提交执行的时候，分发器就会启动，并将应用移交给一个JobManager。
为应用提供一个REST接口，也会启动一个WebUI,展示任务执行情况
分发器在架构中可能并不是需要的，取决于提交运行方式

任务提交流程：

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这是一个整体的提交流程，如果部署方式不一样，比如yarn，k8s等，提交过程会有变化

任务调度原理

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FLink集群启动后，会首先启动一个JobManagerhe 一个或者多个TaskManager
Client提交任务给JobManager，JobManager再调度任务到各个TaskManager去执行
TaskManager将心跳和统计信息回报给JobManager(TaskManager之间是按照流的形式进行数据传输的)
上述三则均为独立的JVM进程
Client：为提交 Job 的客户端，可以是运行在任何机器上(与 JobManager 环境连通即可)。提交Job 后，Client 可以结束进程(Streaming 的任务)，也可以不结束并等待结果返回。
JobManager：主要负责调度 Job 并协调 Task 做 checkpoint，职责上很像 Storm 的 Nimbus。从 Client 处接收到 Job 和 JAR 包等资源后，会生成优化后的执行计划，并以 Task 的单元调度到各个 TaskManager 去执行。
TaskManager：在启动的时候就设置好了槽位数(Slot)，每个 slot 能启动一个 Task，Task 为线程。从 JobManager 处接收需要部署的 Task，部署启动后，与自己的上游建立 Netty 连接，接收数据并处理。

Task Manager与slots关系

slot表示一个Task Manager具有的资源有多少固定大小的子集。Task Manager会将资源平均划分N份
slot数量的动态，允许用户定义task 之间的隔离形式。一个slot代表task运行在一个独立的JVM中，划分多个，意味着task共享一个JVM，共享TCP连接
Task Slot 是静态的概念，是指 TaskManager 具有的并发执行能力
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

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程序和数据流（DataFlow）
1. 所有flink程序都是由三部分组成：Environments，Source，Transformation和Sink
2. Environments：flink执行的环境
3. Source：负责读取数据源，Kafka，mysql，ck等
4. Transformation：利用算子进行处理加工
5. Sink：负责输出，可以输出到Kafka，mysql，CK等都可以
执行图（ExecutionGraph）
1. StreamGraph：用户通过代码，生成最初的数据流图
2. JobGraph：StreamGraph经过优化后生成了Job Graph，提交给了JobManager的数据结构，
3. ExecutionGraph：JobManager根据JobGraph生成的，是JobGraph并行化的版本，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，这里并不是一个具体的数据结构了

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并行度（Parallelism）
1. 在执行过程中，一个流(stream)包含一个或多个分区(stream partition)，而每一个算子(operator)可以包含一个或多个子任务(operator subtask)，
2. 这些子任务在不同的线程、不同的物理机或不同的容器中彼此互不依赖地执行。
3. 一个特定算子的子任务(subtask)的个数被称之为其并行度(parallelism)。
4. 一般情况下，一个流程序的并行度，可以认为就是其所有算子中最大的并行度。一个程序中，不同的算子可能具有不同的并行度。

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任务链（OperatorChains）
1. Flink将并行度为One-to-One的算子操作，连接在一起，形成一个task
2. 可以减少线程切换，缓存数据交换，增加吞吐量
3. 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 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。

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Flink流处理API
1. Environment
  1. getExecutionEnvironment：创建一个执行程序环境上下文，会根据运行方式决定返回一个什么样的运行环境，比较常用
  2. createLocalEnvironment：创造一个本地执行环境
  3. createLocalEnvironment：返回远程集群执行环境，比如想在本地模拟远程服务器运行环境。
2. Source
  1. env.fromCollection()：从一个集合中获取数据（Set， Array等），一般不常用。
  2. env.readTextFile()：从一个文件中获取数据
  3. env.addSource()：从自定义的数据源获取（比如Kafka，mysql等）
  4. 自定义Source：继承SourceFunction即可，实现run方法，不会的化，可以去看源码中的样例。
3. Transform
  1. map：1对1 ，针对一个输入数据做处理后，输出一个结果
  2. flatMap：1对n 或则n对1。将一个输入数据解析成多个结果，或者将多个输入，变成1个结果。一般都是一变多
  3. filter：用作数据过滤，不符合的将不被输出
  4. keyby：按照指定的key，对数据流进行一个分区，每个分区内，都包含相同的key元素，在内部按照hash的形式实现。很类似group by。会将DataStream变为KeyedStream
    1. 以下算子针对KeyedStream的每一个分区做聚合
    2. sum()
    3. min()
    4. max()
    5. minBy()
    6. maxBy()
  5. reduce：将一个分组的数据流聚合操作，合并当前元素和上次聚合的结果，产生一个新的值，返回的流中包含每一次聚合的结果，不仅仅是最后一次聚合的结果
  6. split：根据某些特征，将dataStream拆分成两个或则多个DataStream。DataStream -> splitStream
  7. select：从一个splitStream中获取一个或则多个DataStream。splitStream -> DataStream
  8. Connect：
  9. comap
  10. Union
内部支持的数据结构
1. 基础数据类型：
  1. Tuple
  2. POJOs
  3. Arrays,List,Maps,Enums
2. 函数：flink暴露了所有的udf函数接口，用户可以继承或则实现某些接口实现对应功能
  1. MapFunction
  2. FilterFunction
  3. ProcessFunction
  4. LambdaFunction:支持匿名函数，lambda表达式
  5. richFunction：富函数，和上面常规函数不一样，富函数可以获取运行环境的上下文，并拥有一些生命周期，可以实现更复杂的功能
    1. RichMapFunction
    2. RichFlatMapFunction
    3. RichFilterFunction
    4. 生命周期：
      1. open():rich function初始化方法，当一个算子，被调用前，open()会被调用
      2. close():生命周期中最后一个调用方法，做一些清理工作
      3. getRuntimeContext():提供RuntimeContext的一些信息，例如函数执行并行度，任务名称，state状态等
Sink
官方默认提供了一些常见sink，比如Kafka，redis，ES等
可以自定义
stream.addSink(new MySink(xxxxx))
Flink中的window：
window是切割无限数据为有限块进行处理的手段
分为两类
1. CountWindow：按照指定数据条数，生成一个window，和时间无关。.countWindow(xxx)， .countWindow(xxx,xxx)
2. TimeWindow：按照时间生成window
  1. Tumbling Window（滚动窗口）：时间对其，窗口长度固定，没有重叠。.timeWindow(Time.seconds(xxx))
  2. Sliding Window（滑动窗口）：时间对其，窗口长度固定，可以有重叠。.timeWindow(Time.seconds(xxxx), Time.seconds(xxxx))
  3. Session Window（会话窗口）：类似于web中的session，时间没有对齐
3. Window Function
  1. Window function 定义了对窗口中收集的数据做的计算操作
  2. 增量聚合函数：每条数据进来就计算，，保持简单状态（ReduceFunction，AggregateFunction）
  3. 全窗口函数：会把所有数据都收集起来，等到计算的时候便利所有数据（ProcessWindowFunction）
时间语义与WarnerMark
时间语义
1. Event Time：事件创建的时间，由事件中的时间戳描述。但部分业务都会使用这个时间语义
2. Ingestion Time：数据进入flink的时间
3. Processing Time：每一个执行基于时间操作的算子的本地系统时间
4. 通过env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EvenTime)
WarnerMark
1. 由于flink为分布操作，所接受到的事件，其实并不是严格意义上的Event Time顺序排列发生的
2. 针对乱序，所开的窗口window中的计算，会出现问题，部分数据会在窗口之外的时间发送到flink里面来。
3. watermark是一种衡量event time进展机制，作为一种延迟出发机制。允许窗口在额外时间之后关闭，收集window窗口时间内的数据
4. 比如：watermark=10，window(5,5)，所以window搜集0-15分钟内所有到达的eventTime为0-5的数据。
5. watermark是基于数据携带的时间戳计算的，并不是系统本身的时间戳或者计时
6. 引入：dataStream.assignTimestampAndWaterMarks()
侧输出流（SideOutput）：可以将主流分为一个或者多个side outputs。比如将温度低于30的数据输出到另外一个side output
dateStream.getSideOutput(new OutPutTag())
flink中的state状态编程和容错机制：
无状态流处理：独立观察每一件事件，并根据最后一个事件输出结果，比如检测问题超过90的异常情况告警
有状态流处理：根据多个事件输出结果，比如窗口内事件发生次数。
keyState：只能用于keyed Stream（key by 算子计算处理之后）
1. Value State 保存单个值
  1. get操作：valueState.value
  2. set操作：value State.update(T value)
2. ListState保存一个列表
  1. ListState.add(T value)
  2. ListState.addAll(List values)
  3. ListState.get() 返回Iterable
  4. ListState.update(List values)
3. MapState 保存kv对
  1. MapState.get(key)
  2. MapState.put(key)
  3. MapState.contains(key)
  4. MapState.remove(key)
4. ReducingState
5. AggregatingState
flank中的checkpoint：

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