【重点】Flink四大基石

1. Time（时间机制）

时间概念

• 处理时间：执行具体操作时的机器时间（例如 Java的 System.currentTimeMillis()) ）
• 事件时间：数据本身携带的时间，事件产生时的时间。
• 摄入时间：数据进入 Flink 的时间；在系统内部，会把它当做事件时间来处理。

事件时间在实际应用中更为广泛，从Flink 1.12版本开始，Flink已经将事件时间作为默认的时间语义。

Flink 可以根据不同的时间概念处理数据。

2. Window（窗口计算）

收集窗口时间内的数据，对窗口中收集数据进行聚合运算这就是窗口机制。

窗口的生命周期

创建：属于该窗口的第一个元素到达时就会创建该窗口，窗口事先定义好就是固定的，但是窗口创建时间不固定【窗口开始时间以水印所携带的时间戳作为标准】

销毁：窗口结束时间之后，就会销毁当前窗口

Flink窗口分类以及窗口 API

Watermark处理乱序数据

3. State（状态机制）

什么是Flink的状态

状态其实是个变量，这个变量保存了数据流的历史数据， 如果有新的数据流进来，会读取状态变量，将新的数据和历史一起计算。

状态分类

托管状态（Managed State）和原始状态（Raw State）

托管状态就是由 Flink 统一管理的，状态的存储访问、故障恢复和重组等一系列问题都由Flink实现，直接使用API

原始状态则是自定义的，相当于就是开辟了一块内存，需要自己管理，实现状态的序列化和故障恢复。

通常采用 Flink 托管状态来实现需求。

算子状态（Operator State）和按键分区状态（Keyed State）

可以将托管状态分为两类：算子状态和按键分区状态。

keyBy 将DataStream转换为KeyedStream，KeyedStream是特殊的DataStream。

KeyedState只能应用于KeyedStream，因此KeyedState的计算只能放在KeyBy之后

基于状态(KeyedState)计算实现词频统计

代码实现

事先定义一个实体类：

public class WordCount {

    private String word;

    private Integer count;
    // setter&getter&toString方法
}  

Flink程序基本流程：

/**
 * description: 基于状态(KeyedState)计算实现词频统计
 */
public class WordCountWithStateful {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        StreamExecutionEnvironment env =
                StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        DataStream<String> lines =
                env.socketTextStream("127.0.0.1",8888,"\n");

        lines.flatMap((String input, Collector<WordCount> output)-> {
                            String[] words = input.split(" ");
                            for(String word:words) {
                                output.collect(new WordCount(word,1));
                            }
                        }
                ).returns(WordCount.class)
            	// keyBy之后，每个key都有对应的状态，同一个key只能操作自己对应的状态
                .keyBy(WordCount::getWord)
                // 状态计算
                .flatMap(new WordCountStateFunc())
                .print();
        
        env.execute();

    }
}

计算函数：

public class WordCountStateFunc extends RichFlatMapFunction<WordCount, WordCount> {

    /**
     * 状态变量
     */
    private ValueState<WordCount> keyedState;

    /**
     * description: open方法中状态变量的初始化
     */
    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {

        ValueStateDescriptor<WordCount> valueStateDescriptor =
                // valueState描述器
                new ValueStateDescriptor<>(
                        // 描述器的名称
                        "wordcountState",

                        /* 
                         * 描述器的数据类型：
                         *
                         * Flink有自己的一套数据类型，包含了JAVA和Scala的所有数据类型
                         * 这些数据类型都是TypeInformation对象的子类。
                         * TypeInformation对象统一了所有数据类型的序列化实现
                         */
                        TypeInformation.of(WordCount.class)
                );

        keyedState = getRuntimeContext().getState(valueStateDescriptor);
    }


    /**
     * description: keyedState计算逻辑
     */
    @Override
    public void flatMap(WordCount input, Collector<WordCount> output) throws Exception {

        // 读取状态
        WordCount lastKeyedState = keyedState.value();

        // 更新状态
        if (lastKeyedState == null) {
            // 状态还未赋值的情况 更新状态
            keyedState.update(input);
            // 返回原数据
            output.collect(input);

        } else {
            // 状态存在旧的状态数据的情况
            Integer count = lastKeyedState.getCount() + input.getCount();
            WordCount newWordCount = new WordCount(input.getWord(), count);

            // 更新状态
            keyedState.update(newWordCount);
            // 返回新的数据
            output.collect(newWordCount);
        }

    }

}

keyedState状态计算步骤

1. 继承Rich函数
2. 重写Open方法，对状态变量进行初始化
3. 状态计算逻辑

为什么要进行有状态的计算 ？

如果Flink发生了异常退出，checkpoint机制可以读取保存的状态，进行恢复。

广播流、广播状态

有时希望算子并行子任务都保持同一份“全局”状态，用来做统一的配置和规则设定。这时所有分区的所有数据都会访问到同一个状态，状态就像被“广播”到所有分区一样，这种特殊的算子状态，就叫作广播状态（BroadcastState）。【可以动态修改配置】

编码步骤

1. 构建事件流
2. 构建广播流
3. 将事件流和广播流连接
4. 对连接后的流进行处理

状态后端

Flink中，状态的存储、访问以及维护，都是由一个可插拔的组件决定的，这个组件就叫作状态后端（state backend）。状态后端主要负责管理本地状态的存储方式和位置。

1. Memory State Backend 【java内存HashMap】
2. FS State Backend 【HDFS】
3. RocksDB State Backend 【可持久化的key value存储引擎】

选择正确的状态后端

HashMapStateBackend 是内存计算，读写速度非常快；但是，状态的大小会受到集群可用内存的限制，如果应用的状态随着时间不停地增长，就会耗尽内存资源。

RocksDB 是硬盘存储，可以根据可用的磁盘空间进行扩展，所以它非常适合于超级海量状态的存储。不过由于每个状态的读写都需要做序列化/反序列化，而且可能需要直接从磁盘读取数据，这就会导致性能的降低，平均读写性能要比HashMapStateBackend慢一个数量级。

空间和时间的抉择

4. Checkpoint（容错机制）

什么是Checkpoint（检查点）

Checkpoint能生成快照(Snapshot)
若Flink程序崩溃，重新运行程序时可以有选择地从这些快照进行恢复
Checkpoint是Flink可靠性的基石

Checkpoint和State的区别

State指某个算子的数据状态（中间状态），Checkpoint指所有算子的数据状态（全局快照）
State保存在堆内存，Checkpoint持久化保存

Checkpoint分布式快照流程（重点）

水用挡板挡停让水静止，进行快照存储；Checkpoint机制也是如此，Checkpoint Barrier类似挡板

步骤一：

当Source子任务收到了Checkpoint请求，该算子会对自己的数据状态保存快照向自己的下一个算子发送Checkpoint Barrier
下一个算子只有收到上一个算子广播过来的Checkpoint Barrier，才进行快照保存

步骤二：

当Sink算子已经收到了所有上游的Checkpoint Barrier时，进行以下2步操作：
1.保存自己的数据状态，2.并直接通知检查点协调器
检查点协调器在收集所有的task通知后，就认为这次的Checkpoint全局完成了，从而进行持久化操作

Checkpoint如何保证数据的一致性（重点）

至少一次(at-least-once)

发生故障，可能会有重复数据

精确一次(exactly-once)

发生故障，能保证不丢失数据，也没有重复数据

读取最近一次存放的快照，数据重放重新计算，Checkpoint机制保证exactly-once

Checkpoint Barrier对齐机制

Barrie对齐机制保证了Checkpoint数据状态的精确一致

下游算子上面对应多个上游算子，下游算子必须要等到上游算子所有的Checkpoint Barrier到齐之后，下游算子才会进行快照的输入。（会把先到的Checkpoint Barrier数据先缓存起来，直到所有的Checkpoint Barrier全部到达，该算子才会进行快照操作）

什么是savepoint（保存点）

基于checkpoint机制的快照

Checkpoint和Savepoint区别
Checkpoint是自动容错恢复机制，Savepoint某个时间点的全局状态镜像
Checkpoint是Flink系统行为，Savepoint是用户触发
Checkpoint默认程序删除，Savepoint会一直保存