大数据-玩转数据-Flink状态编程（上）

一、Flink状态编程

有状态的计算是流处理框架要实现的重要功能，因为稍复杂的流处理场景都需要记录状态，然后在新流入数据的基础上不断更新状态。
SparkStreaming在状态管理这块做的不好, 很多时候需要借助于外部存储(例如Redis)来手动管理状态, 增加了编程的难度。
Flink的状态管理是它的优势之一。

二、什么是状态

在流式计算中有些操作一次处理一个独立的事件(比如解析一个事件), 有些操作却需要记住多个事件的信息(比如窗口操作)。

流式计算分为无状态计算和有状态计算两种情况。
无状态的计算观察每个独立事件，并根据最后一个事件输出结果。例如，流处理应用程序从传感器接收水位数据，并在水位超过指定高度时发出警告。

在简单聚合、窗口聚合、处理函数的应用，都会有状态的身影出现。在Flink这样的分布式系统中，我们不仅需要定义出状态在任务并行时的处理方式，还需要考虑如何持久化保存、以便发生故障时能正确地恢复，这就需要一套完整的管理机制来处理所有状态。

三、为什么需要管理状态

下面的几个场景都需要使用流处理的状态功能:
去重： 数据流中的数据有重复，我们想对重复数据去重，需要记录哪些数据已经流入过应用，当新数据流入时，根据已流入过的数据来判断去重。
检测： 检查输入流是否符合某个特定的模式，需要将之前流入的元素以状态的形式缓存下来。比如，判断一个温度传感器数据流中的温度是否在持续上升。
聚合： 对一个时间窗口内的数据进行聚合分析，分析一个小时内水位的情况
更新机器学习模型： 在线机器学习场景下，需要根据新流入数据不断更新机器学习的模型参数。

四、Flink中的状态分类

Managed State
状态管理方式 Flink Runtime托管, 自动存储, 自动恢复, 自动伸缩
状态数据结构 Flink提供多种常用数据结构, 例如:ListState, MapState等
使用场景 绝大数Flink算子。

Raw State
状态管理方式 用户自己管理
状态数据结构 字节数组: byte[]
使用场景 所有算子

从具体使用场景来说，绝大多数的算子都可以通过继承Rich函数类或其他提供好的接口类，在里面使用Managed State。Raw State一般是在已有算子和Managed State不够用时，用户自定义算子时使用。
在我们平时的使用中Managed State已经足够我们使用。

对Managed State继续细分，它又有2种类型
Operator State(算子状态)
Keyed State(键控状态)

Operator State
适用用算子类型： 可用于所有算子: 常用于source, sink,
例如：FlinkKafkaConsumer
状态分配：一个算子的子任务对应一个状态
创建和访问方式： 实现CheckpointedFunction或ListCheckpointed(已经过时)接口
横向扩展 ：并发改变时有多重重写分配方式可选: 均匀分配和合并后每个得到全量
支持的数据结构： ListState,UnionListStste和BroadCastState

Keyed State
适用用算子类型： 只能用于用于KeyedStream上的算子
状态分配 ：一个Key对应一个State: 一个算子会处理多个Key, 则访问相应的多个State
创建和访问方式：重写RichFunction, 通过里面的RuntimeContext访问w
横向扩展 ：并发改变, State随着Key在实例间迁移
支持的数据结构：ValueState, ListState,MapState ReduceState, AggregatingState

五、算子状态的使用

Operator State可以用在所有算子上，每个算子子任务或者说每个算子实例共享一个状态，流入这个算子子任务的数据可以访问和更新这个状态。

注意: 算子子任务之间的状态不能互相访问
Operator State的实际应用场景不如Keyed State多，它经常被用在Source或Sink等算子上，用来保存流入数据的偏移量或对输出数据做缓存，以保证Flink应用的Exactly-Once语义。

Flink为算子状态提供三种基本数据结构：
列表状态（List state），将状态表示为一组数据的列表

联合列表状态（Union list state），也是将状态表示为数据的列表。它与常规列表状态的区别在于，在发生故障时，或者从保存点（savepoint）启动应用程序时如何恢复。一种是均匀分配(List state)，另外一种是将所有 State 合并为全量 State 再分发给每个实例(Union list state)。

广播状态（Broadcast state）
是一种特殊的算子状态. 如果一个算子有多项任务，而它的每项任务状态又都相同，那么这种特殊情况最适合应用广播状态。

三种状态的实现

六、键控状态的使用

键控状态是根据输入数据流中定义的键（key）来维护和访问的，只能用于KeyedStream（keyBy算子处理之后）。相同key的所有数据都会访问相同的状态。
键控状态支持的数据类型

注意:
a)所有的类型都有clear(), 清空当前key的状态
b)这些状态对象仅用于用户与状态进行交互.
c)状态不是必须存储到内存, 也可以存储在磁盘或者任意其他地方
d)从状态获取的值与输入元素的key相关

七、状态后端

状态的存储、访问以及维护，由一个可插入的组件决定，这个组件就叫做状态后端。
状态后端主要负责两件事：
本地(taskmanager)的状态管理
将检查点（checkpoint）状态写入远程存储

状态后端的分类及配置
状态后端作为一个可插入的组件, 没有固定的配置, 我们可以根据需要选择一个合适的状态后端。

MemoryStateBackend
内存级别的状态后端(默认),
存储方式:本地状态存储在TaskManager的内存中, checkpoint 存储在JobManager的内存中.
特点:快速, 低延迟, 但不稳定
使用场景: 1. 本地测试 2. 几乎无状态的作业(ETL) 3. JobManager不容易挂, 或者挂了影响不大. 4. 不推荐在生产环境下使用
FsStateBackend
存储方式: 本地状态在TaskManager内存, Checkpoint时, 存储在文件系统(hdfs)中
特点: 拥有内存级别的本地访问速度, 和更好的容错保证
使用场景: 1. 常规使用状态的作业. 例如分钟级别窗口聚合, join等 2. 需要开启HA的作业 3. 可以应用在生产环境中
RocksDBStateBackend
将所有的状态序列化之后, 存入本地的RocksDB数据库中.(一种NoSql数据库, KV形式存储)
存储方式: 1. 本地状态存储在TaskManager的RocksDB数据库中(实际是内存+磁盘) 2. Checkpoint在外部文件系统(hdfs)中.
使用场景: 1. 超大状态的作业, 例如天级的窗口聚合 2. 需要开启HA的作业 3. 对读写状态性能要求不高的作业 4. 可以使用在生产环境

八、案例列表状态

package com.lyh.flink09;

import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.ListState;
import org.apache.flink.api.common.state.ListStateDescriptor;
import org.apache.flink.runtime.state.FunctionInitializationContext;
import org.apache.flink.runtime.state.FunctionSnapshotContext;
import org.apache.flink.streaming.api.checkpoint.CheckpointedFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

import java.util.List;

public class state_programe1_s {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(2);
        env.socketTextStream("hadoop100",9999)
                .map(new MyMapFunctin())
                .print();
        env.execute();

    }
    public static class MyMapFunctin implements MapFunction<String,Long>, CheckpointedFunction {
        private Long count = 0L;
        private ListState<Long> state;
        @Override
        public Long map(String value) throws Exception {
            count++;
            return count;
        }
        // 初始化时会调用这个方法，向本地状态中填充数据. 每个子任务调用一次
        @Override
        public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
            System.out.println("initialize.....");
            state = context.getOperatorStateStore()
                    .getListState(new ListStateDescriptor<Long>("state",Long.class));

                for (Long c : state.get()) {
                    count += c;
                }
            }

        // Checkpoint时会调用这个方法，我们要实现具体的snapshot逻辑，比如将哪些本地状态持久化
        @Override
        public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
            System.out.println("snapshot.....");
            state.clear();
            state.add(count);
        }
    }
}

九、案例广播状态

package com.lyh.flink09;

import org.apache.flink.api.common.state.BroadcastState;
import org.apache.flink.api.common.state.MapStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.state.ReadOnlyBroadcastState;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.BroadcastStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.co.BroadcastProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class state_broad1_s {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment
                .getExecutionEnvironment()
                .setParallelism(3);
        DataStreamSource<String> dataStream = env.socketTextStream("hadoop100", 9999);
        DataStreamSource<String> controlStream = env.socketTextStream("hadoop100", 8888);


        MapStateDescriptor<String, String> stateDescriptor = new MapStateDescriptor<>("state", String.class, String.class);
        // 广播流
        BroadcastStream<String> broadcastStream = controlStream.broadcast(stateDescriptor);
        dataStream
                .connect(broadcastStream)
                .process(new BroadcastProcessFunction<String, String, String>() {
                    @Override
                    public void processElement(String value, ReadOnlyContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        // 从广播状态中取值, 不同的值做不同的业务
                        ReadOnlyBroadcastState<String, String> state = ctx.getBroadcastState(stateDescriptor);
                        if ("1".equals(state.get("switch"))) {
                            out.collect("切换到1号配置....");
                        } else if ("0".equals(state.get("switch"))) {
                            out.collect("切换到0号配置....");
                        } else {
                            out.collect("切换到其他配置....");
                        }
                    }

                    @Override
                    public void processBroadcastElement(String value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        BroadcastState<String, String> state = ctx.getBroadcastState(stateDescriptor);
                        // 把值放入广播状态
                        state.put("switch", value);
                    }
                })
                .print();

        env.execute();
    }

}