大数据开发：Flink API编程初级入门

作为大数据生态圈越来越活跃的框架，Flink的热度持续走高，自然也成为大数据学习阶段必须攻克的一大重难点。Flink编程，一个重要的思想就是API编程，今天的大数据开发学习分享，我们就来讲讲Flink API编程初级入门。

一、Flink API介绍

API通常分为三层，由上而下可分为SQL/Table API、DataStream API、ProcessFunction三层，API的表达能力及业务抽象能力都非常强大，但越接近SQL层，表达能力会逐步减弱，抽象能力会增强，反之，ProcessFunction层API的表达能力非常强，可以进行多种灵活方便的操作，但抽象能力也相对越小。

实际上，大多数应用并不需要上述的底层抽象，而是针对核心API（Core APIs）进行编程，比如DataStream API（有界或无界流数据）以及DataSet API（有界数据集）。这些API为数据处理提供了通用的构建模块，比如由用户定义的多种形式的转换（transformations），连接（joins），聚合（aggregations），窗口操作（windows）等等。DataSet API为有界数据集提供了额外的支持，例如循环与迭代。这些API处理的数据类型以类（classes）的形式由各自的编程语言所表示。

在实际编程任务当中，核心API分为流处理DataStream和批处理DataSetAPI，一般用于java、scala开发，使用较多。其次是TableAPI，以表为中心的声明式编程API。最顶层的是SQL，也是现在非常活跃开发的Flink SQL，但是实时sql和离线sql在使用上还是需要注意区别。

二、Table API/SQL是如何转换为程序运行的？

SQL执行被分成两个大的阶段，从SQL语句到Operation，从Operation到Transformation，然后就进入分布式执行的阶段。

1、前置知识：Apache Calcite

Apache Calcite是个动态数据管理框架，具备很多数据库管理系统的功能，如SQL解析，SQL校验，SQL查询优化，SQL生成以及数据连接查询等，但是并不存储元数据和基本数据，不包含处理数据的算法。

由于舍弃了这些功能，Calcite可以在应用和数据存储，数据处理引擎之间很好的扮演中介的角色。

它不受上层编程语言的限制，前端可以使用SQL、Pig、Cascading等语言，只要通过Calcite提供的SQL Api将它们转化成关系代数的抽象语法树即可，并根据一定的规则和成本对抽象语法树进行优化，最后推给各个数据处理引擎来执行。

所以Calcite不涉及物理规划层，它通过扩展适配器来连接多种后端的数据源和数据处理引擎，如Hive，Drill，Flink，Phoenix。

2、SQL语句到Operation过程

首先使用Calcite对SQL语句进行解析，获取SQL Node，再根据不同的SQL类型分别进行转换，校验语法的合法性，再根据语句类型（DQL、DML、DDL）转换成对应的算子树。

对于SQL查询语句而言，会转换为QueryOperation树。

3、Operation到Transformation过程

首先Operation先转换为Calcite的逻辑计划树，再对应地转换为Flink的逻辑计划树，然后进行优化。

优化后的逻辑树转换为Flink的物理计划，然后物理计划通过代码生成算子、UDF、表达式等代码，包装到Transformation中，形成Transformation流水线，再转换为StreamGraph，最终就可以提交到Flink集群真正运行起来了。

4、元数据

元数据是是Flink SQL处理数据非常重要的一个部分，元数据描述了Flink处理的读取和写出的数据的结构以及数据的访问方法等信息，没有元数据，Flink就无法对SQL进行校验和优化了。

元数据包含以下信息：

库

表

视图

UDF

表字段

在Flink中，Catalog是元数据的核心抽象，目前Flink实现了内存小GenericMemoryCatalog和HiveCatalog两种Catalog。

5、优化器

SQL优化器很大程度上决定了一个系统的执行性能。查询优化器分成两类，基于规则的优化器（Rule-Based Optimizer，RBO）和基于代价的优化器（Cost-Based Optimizer，CBO）。

RBO规则优化，主要就是等价改变查询语句的形式，以便产生更好的逻辑执行计划，比如重写用户的查询（谓词推进，物化视图重写，视图合并等），然后还需要将逻辑执行计划变成物理执行计划。

CBO代价优化，除了做上述RBO的规则优化外，还会通过复杂的算法统计信息，统计各个执行计划的执行成本，从不同的执行计划中选择出执行代价最小的一个计划，转换为Flink的执行计划。

三、总结

Flink Table API/SQL提供了对用户友好的接口来更高效的完成实时流式程序的开发。

Flink依托Apache Calcite提供的SQL解析、优化框架，解析构建为逻辑计划树，通过Planner层层优化为Flink可以运行的内部结构，最终提交到Flink集群上运行。

关于大数据开发学习，Flink API编程初级入门，以上就为大家做了基本的介绍了。在Flink的实际开发任务当中，不同层级的API满足不同人员的需求，性能高效得到肯定。