Flink之DataStream API(执行环境、数据源、读取kafka)

介绍

Flink 有非常灵活的分层 API 设计，其中的核心层就是 DataStream/DataSet API。由于新版本已经实现了流批一体，DataSet API 将被弃用，官方推荐统一使用 DataStream API 处理流数据和批数据。本章主要介绍基本的DataStream API 用法。

DataStream（数据流）本身是 Flink 中一个用来表示数据集合的类（Class），我们编写的Flink 代码其实就是基于这种数据类型的处理，所以这套核心 API 就以 DataStream 命名。对于批处理和流处理，我们都可以用这同一套 API 来实现。

DataStream 在用法上有些类似于常规的 Java 集合，但又有所不同。我们在代码中往往并不关心集合中具体的数据，而只是用 API 定义出一连串的操作来处理它们；这就叫作数据流的“转换”（transformations）。

一个 Flink 程序，其实就是对 DataStream 的各种转换。具体来说，代码基本上都由以下几部分构成

• 获取执行环境（execution environment）
• 读取数据源（source）
• 定义基于数据的转换操作（transformations）
• 定义计算结果的输出位置（sink）
• 触发程序执行（execute）
  

执行环境

Flink 程序可以在各种上下文环境中运行：我们可以在本地 JVM 中执行程序，也可以提交到远程集群上运行。

不同的环境，代码的提交运行的过程会有所不同。这就要求我们在提交作业执行计算时，首先必须获取当前 Flink 的运行环境，从而建立起与 Flink 框架之间的联系。只有获取了环境上下文信息，才能将具体的任务调度到不同的 TaskManager 执行。

创建执行环境

1. getExecutionEnvironment(推荐使用)
   最简单的方式，就是直接调用 getExecutionEnvironment 方法。它会根据当前运行的上下文直接得到正确的结果：如果程序是独立运行的，就返回一个本地执行环境；如果是创建了 jar包，然后从命令行调用它并提交到集群执行，那么就返回集群的执行环境。也就是说，这个方法会根据当前运行的方式，自行决定该返回什么样的运行环境。
   这种“智能”的方式不需要我们额外做判断，用起来简单高效，是最常用的一种创建执行环境的方式。
2. createLocalEnvironment
   这个方法返回一个本地执行环境。可以在调用时传入一个参数，指定默认的并行度；如果
   不传入，则默认并行度就是本地的 CPU 核心数。
3. createRemoteEnvironment
   这个方法返回集群执行环境。需要在调用时指定 JobManager 的主机名和端口号，并指定
   要在集群中运行的 Jar 包。

执行模式

1. 流处理

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

这是 DataStream API 最经典的模式，一般用于需要持续实时处理的无界数据流。默认情况下，程序使用的就是 STREAMING 执行模式。

2. 批处理

ExecutionEnvironment batchEnv = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

专门用于批处理的执行模式, 这种模式下，Flink 处理作业的方式类似于 MapReduce 框架。对于不会持续计算的有界数据，我们用这种模式处理会更方便。

什么时候选择 BATCH 模式？

我们知道，Flink 本身持有的就是流处理的世界观，即使是批量数据，也可以看作“有界流”来进行处理。所以 STREAMING 执行模式对于有界数据和无界数据都是有效的；而 BATCH模式仅能用于有界数据。

看起来 BATCH 模式似乎被 STREAMING 模式全覆盖了，那还有必要存在吗？我们能不能所有情况下都用流处理模式呢？

当然是可以的，但是这样有时不够高效。

我们可以仔细回忆一下 word count 程序中，批处理和流处理输出的不同：在 STREAMING模式下，每来一条数据，就会输出一次结果（即使输入数据是有界的）；而 BATCH 模式下，只有数据全部处理完之后，才会一次性输出结果。最终的结果两者是一致的，但是流处理模式会将更多的中间结果输出。在本来输入有界、只希望通过批处理得到最终的结果的场景下，STREAMING 模式的逐个输出结果就没有必要了。

所以总结起来，一个简单的原则就是：用 BATCH 模式处理批量数据，用 STREAMING模式处理流式数据。因为数据有界的时候，直接输出结果会更加高效；而当数据无界的时候, 我们没得选择——只有 STREAMING 模式才能处理持续的数据流。

当然，在后面的示例代码中，即使是有界的数据源，我们也会统一用 STREAMING 模式处理。这是因为我们的主要目标还是构建实时处理流数据的程序，有界数据源也只是我们用来测试的手段。

触发程序执行

有了执行环境，我们就可以构建程序的处理流程了：基于环境读取数据源，进而进行各种转换操作，最后输出结果到外部系统。

需要注意的是，写完输出（sink）操作并不代表程序已经结束。因为当 main()方法被调用时，其实只是定义了作业的每个执行操作，然后添加到数据流图中；这时并没有真正处理数据——因为数据可能还没来。Flink 是由事件驱动的，只有等到数据到来，才会触发真正的计算，这也被称为“延迟执行”或“懒执行”（lazy execution）。

所以我们需要显式地调用执行环境的 execute()方法，来触发程序执行。execute()方法将一直等待作业完成，然后返回一个执行结果（JobExecutionResult）。

env.execute();

数据源算子

Flink 可以从各种来源获取数据，然后构建 DataStream 进行转换处理。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是源算子（source operator）。所以，source就是我们整个处理程序的输入端。

Flink 代码中通用的添加 source 的方式，是调用执行环境的 addSource()方法：

DataStream<String> stream = env.addSource(...);

方法传入一个对象参数，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）。

准备工作

创建maven项目，导入依赖

 <properties>
        <flink.version>1.13.0flink.version>
        <java.version>1.8java.version>
        <scala.binary.version>2.12scala.binary.version>
        <slf4j.version>1.7.30slf4j.version>
    properties>

    <dependencies>
        
        <dependency>
            <groupId>org.apache.flinkgroupId>
            <artifactId>flink-javaartifactId>
            <version>${flink.version}version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.flinkgroupId>
            <artifactId>flink-streaming-java_${scala.binary.version}artifactId>
            <version>${flink.version}version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.flinkgroupId>
            <artifactId>flink-clients_${scala.binary.version}artifactId>
            <version>${flink.version}version>
        dependency>
        
        <dependency>
            <groupId>org.slf4jgroupId>
            <artifactId>slf4j-apiartifactId>
            <version>${slf4j.version}version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.slf4jgroupId>
            <artifactId>slf4j-log4j12artifactId>
            <version>${slf4j.version}version>
        dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.logging.log4jgroupId>
            <artifactId>log4j-to-slf4jartifactId>
            <version>2.14.0version>
        dependency>
    dependencies>

为了更好地理解，我们先构建一个实际应用场景。比如网站的访问操作，可以抽象成一个三元组（用户名，用户访问的 urrl，用户访问 url 的时间戳），所以在这里，我们可以创建一个类 Event，将用户行为包装成它的一个对象。

import java.sql.Timestamp;

public class Event {

    public String user;
    public String url;
    public Long timestamp;

    public Event() {
    }

    public Event(String user, String url, Long timestamp) {
        this.user = user;
        this.url = url;
        this.timestamp = timestamp;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Event{" +
                "user='" + user + '\'' +
                ", url='" + url + '\'' +
                ", timestamp=" + new Timestamp(timestamp) +
                '}';
    }
}

这里需要注意，我们定义的 Event，有这样几个特点：

• 类是公有（public）的
• 有一个无参的构造方法
• 所有属性都是公有（public）的
• 所有属性的类型都是可以序列化的

从集合读取数据

最简单的读取数据的方式，就是在代码中直接创建一个 Java 集合，然后调用执行环境的fromCollection 方法进行读取。这相当于将数据临时存储到内存中，形成特殊的数据结构后，作为数据源使用，一般用于测试。

 public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        //方式1
        ArrayList<Event> clicks = new ArrayList<Event>();
        clicks.add(new Event("Mary", "./home", 1000L));
        clicks.add(new Event("Bob", "./cart", 2000L));
        DataStream<Event> stream = env.fromCollection(clicks);

        //方式2
//        DataStreamSource stream2 = env.fromElements(
//                new Event("Mary", "./home", 1000L),
//                new Event("Bob", "./cart", 2000L)
//        );

        stream.print();
        env.execute();
    }

从文件读取数据

真正的实际应用中，自然不会直接将数据写在代码中。通常情况下，我们会从存储介质中获取数据，一个比较常见的方式就是读取日志文件。这也是批处理中最常见的读取方式。

DataStream<String> stream = env.readTextFile("clicks.csv");

说明:

• 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:

<dependency>
	<groupId>org.apache.hadoopgroupId>
	<artifactId>hadoop-clientartifactId>
	<version>2.7.5version>
	<scope>providedscope>
dependency>

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。这时又从哪里读取呢？

一个简单的方式，就是我们之前用到的读取 socket 文本流。这种方式由于吞吐量小、稳定性较差，一般也是用于测试。

nc -lk 7777

DataStream<String> stream = env.socketTextStream("localhost", 7777);

从Kafka读取数据(重点)

kafka安装部署，以及测试命令详情请见：https://blog.csdn.net/weixin_47491957/article/details/124319297

那对于真正的流数据，实际项目应该怎样读取呢？

Kafka 作为分布式消息传输队列，是一个高吞吐、易于扩展的消息系统。而消息队列的传输方式，恰恰和流处理是完全一致的。所以可以说 Kafka 和 Flink 天生一对，是当前处理流式数据的双子星。在如今的实时流处理应用中，由 Kafka 进行数据的收集和传输，Flink 进行分析计算，这样的架构已经成为众多企业的首选

略微遗憾的是，与 Kafka 的连接比较复杂，Flink 内部并没有提供预实现的方法。所以我们只能采用通用的 addSource 方式、实现一个 SourceFunction 了。

好在Kafka与Flink确实是非常契合，所以Flink官方提供了连接工具flink-connector-kafka，直接帮我们实现了一个消费者FlinkKafkaConsumer，它就是用来读取 Kafka 数据的SourceFunction。

所以想要以 Kafka 作为数据源获取数据，我们只需要引入 Kafka 连接器的依赖。Flink 官方提供的是一个通用的 Kafka 连接器，它会自动跟踪最新版本的 Kafka 客户端。目前最新版本只支持 0.10.0 版本以上的 Kafka，读者使用时可以根据自己安装的 Kafka 版本选定连接器的依赖版本。这里我们需要导入的依赖如下。

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

import org.apache.flink.api.common.serialization.SimpleStringSchema;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.connectors.kafka.FlinkKafkaConsumer;

import java.util.Properties;

public class SourceKafkaTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);
        Properties properties = new Properties();
        properties.setProperty("bootstrap.servers", "master:9092"); //kafka地址
        properties.setProperty("group.id", "consumer-group");  //消费组
        properties.setProperty("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");  //key反序列化
        properties.setProperty("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer"); //value反序列化
        properties.setProperty("auto.offset.reset", "latest"); //消费偏移从最新开始
        DataStreamSource<String> stream = env.addSource(new FlinkKafkaConsumer<String>("test", new SimpleStringSchema(), properties));
        stream.print("Kafka");
        env.execute();
    }
}

创建 FlinkKafkaConsumer 时需要传入三个参数：

• 第一个参数 topic，定义了从哪些主题中读取数据。可以是一个 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。当从多个 topic 中读取数据时，Kafka 连接器将会处理所有 topic 的分区，将这些分区的数据放到一条流中去。
• 第二个参数是一个 DeserializationSchema 或者 KeyedDeserializationSchema。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 KeyedDeserializationSchema 是公共接口，所以我们也可以自定义反序列化逻辑。
• 第三个参数是一个 Properties 对象，设置了 Kafka 客户端的一些属性。

启动项目，在启动一个生产者，便可以看到处理结果。

自定义数据源

大多数情况下，前面的数据源已经能够满足需要。但是凡事总有例外，如果遇到特殊情况，我们想要读取的数据源来自某个外部系统，而 flink 既没有预实现的方法、也没有提供连接器，又该怎么办呢？

那就只好自定义实现 SourceFunction 了。

接下来我们创建一个自定义的数据源，实现 SourceFunction 接口。主要重写两个关键方法：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。

import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;

import java.util.Calendar;
import java.util.Random;

public class ClickSource 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;

    public void run(SourceContext<Event> sourceContext) 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) {
            sourceContext.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);
        }
    }

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

这个数据源，我们后面会频繁使用，所以在后面的代码中涉及到 ClickSource()数据源，使用上面的代码就可以了。

下面的代码我们来读取一下自定义的数据源。有了自定义的 source function，接下来只要调用 addSource()就可以了：

import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

public class SourceCustom {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);
        //有了自定义的 source function，调用 addSource 方法
        DataStreamSource<Event> stream = env.addSource(new ClickSource());
        stream.print("SourceCustom");
        env.execute();
    }
}

但是SourceFunction 接口定义的数据源，并行度只能设置为 1，如果数据源设置为大于 1 的并行度，则会抛出异常。

所以如果我们想要自定义并行的数据源的话，需要使用 ParallelSourceFunction

import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.ParallelSourceFunction;

import java.util.Random;

public class ParallelSourceExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.addSource(new CustomSource()).setParallelism(2).print();
        env.execute();
    }

    public static class CustomSource implements ParallelSourceFunction<Integer> {
        private boolean running = true;
        private Random random = new Random();


        public void run(SourceContext<Integer> sourceContext) throws Exception {
            while (running) {
                sourceContext.collect(random.nextInt());
                Thread.sleep(1000);
            }
        }

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

尚硅谷yyds

学习资料来自于尚硅谷：https://www.bilibili.com/video/BV133411s7Sa?p=1