Apache Flink 进阶（三）：Checkpoint 原理解析与应用实践

简介： 大家好，今天我将跟大家分享一下 Flink 里面的 Checkpoint，共分为四个部分。

首先讲一下 Checkpoint 与 state 的关系，
然后介绍什么是 state?，
第三部分介绍如何在 Flink 中使用state?
第四部分则介绍 Checkpoint 的执行机制。
作者：唐云(茶干)
整理:平凡的世界_zkx

第一部分:

Checkpoint 与 state 的关系

Checkpoint 是从 source 触发到下游所有节点完成的一次全局操作。下图可以有一个对 Checkpoint 的直观感受，红框里面可以看到一共触发了 569K 次 Checkpoint，然后全部都成功完成，没有 fail 的。

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state 其实就是 Checkpoint 所做的主要持久化备份的主要数据，看下图的具体数据统计，其 state 也就 9kb 大小

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第二部分

什么是 state

我们接下来看什么是 state。先看一个非常经典的 word count 代码，这段代码会去监控本地的 9000 端口的数据并对网络端口输入进行词频统计，我们本地行动 netcat，然后在终端输入 hello world，执行程序会输出什么？

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答案很明显，(hello, 1) 和 (word,1)

那么问题来了，如果再次在终端输入 hello world，程序会输入什么？

答案其实也很明显，(hello, 2) 和 (world, 2)。为什么 Flink 知道之前已经处理过一次 hello world，这就是 state 发挥作用了，这里是被称为 keyed state 存储了之前需要统计的数据，所以帮助 Flink 知道 hello 和 world 分别出现过一次。

回顾一下刚才这段 word count 代码。keyby 接口的调用会创建 keyed stream 对 key 进行划分，这是使用 keyed state 的前提。在此之后，sum 方法会调用内置的 StreamGroupedReduce 实现。

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什么是operator state?

又称为 non-keyed state，每一个 operator state 都仅与一个 operator 的实例绑定。
常见的 operator state 是 source state，例如记录当前 source 的 offset
再看一段使用 operator state 的 word count 代码：

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这里的fromElements会调用FromElementsFunction的类，其中就使用了类型为 list state 的 operator state。根据 state 类型做一个分类如下图：

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除了从这种分类的角度，还有一种分类的角度是从 Flink 是否直接接管：

Managed State：由 Flink 管理的 state，刚才举例的所有 state 均是 managed state
Raw State：Flink 仅提供 stream 可以进行存储数据，对 Flink 而言 raw state 只是一些 bytes
在实际生产中，都只推荐使用 managed state，本文将围绕该话题进行讨论。

第三部分:

如何在 Flink 中使用 state

下图就前文 word count 的 sum 所使用的StreamGroupedReduce类为例讲解了如何在代码中使用 keyed state：

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下图则对 word count 示例中的FromElementsFunction类进行详解并分享如何在代码中使用 operator state：

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第四部分

Checkpoint 的执行机制

Statebackend 的分类
下图阐释了目前 Flink 内置的三类 state backend，其中MemoryStateBackend和FsStateBackend在运行时都是存储在 java heap 中的，只有在执行 Checkpoint 时，FsStateBackend才会将数据以文件格式持久化到远程存储上。而RocksDBStateBackend则借用了 RocksDB（内存磁盘混合的 LSM DB）对 state 进行存储。

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对于HeapKeyedStateBackend，有两种实现：

• 支持异步 Checkpoint（默认）：存储格式 CopyOnWriteStateMap
• 仅支持同步 Checkpoint：存储格式 NestedStateMap
  特别在 MemoryStateBackend 内使用HeapKeyedStateBackend时，Checkpoint 序列化数据阶段默认有最大 5 MB数据的限制

对于RocksDBKeyedStateBackend，每个 state 都存储在一个单独的 column family 内，其中 keyGroup，Key 和 Namespace 进行序列化存储在 DB 作为 key。

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Checkpoint 执行机制详解

本小节将对 Checkpoint 的执行流程逐步拆解进行讲解，下图左侧是 Checkpoint Coordinator，是整个 Checkpoint 的发起者，中间是由两个 source，一个 sink 组成的 Flink 作业，最右侧的是持久化存储，在大部分用户场景中对应 HDFS。

第一步，Checkpoint Coordinator 向所有 source 节点 trigger Checkpoint；。

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第二步，source 节点向下游广播 barrier，这个 barrier 就是实现 Chandy-Lamport 分布式快照算法的核心，下游的 task 只有收到所有 input 的 barrier 才会执行相应的 Checkpoint。

第三步，当 task 完成 state 备份后，会将备份数据的地址（state handle）通知给 Checkpoint coordinator。

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最后，当 Checkpoint coordinator 收集齐所有 task 的 state handle，就认为这一次的 Checkpoint 全局完成了，向持久化存储中再备份一个 Checkpoint meta 文件。

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Checkpoint 的 EXACTLY_ONCE 语义

为了实现 EXACTLY ONCE 语义，Flink 通过一个 input buffer 将在对齐阶段收到的数据缓存起来，等对齐完成之后再进行处理。而对于 AT LEAST ONCE 语义，无需缓存收集到的数据，会对后续直接处理，所以导致 restore 时，数据可能会被多次处理。下图是官网文档里面就 Checkpoint align 的示意图：

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需要特别注意的是，Flink 的 Checkpoint 机制只能保证 Flink 的计算过程可以做到 EXACTLY ONCE，端到端的 EXACTLY ONCE 需要 source 和 sink 支持。

Savepoint 与 Checkpoint 的区别

作业恢复时，二者均可以使用，主要区别如下：

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