在批处理统计中,我们可以等待一批数据都到齐后,统一处理。但是在实时处理统计中,我们是来一条就得处理一条,那么我们怎么统计最近一段时间内的数据呢?引入“窗口”。
所谓的“窗口”,一般就是划定的一段时间范围,也就是“时间窗”;对在这范围内的数据进行处理,就是所谓的窗口计算。所以窗口和时间往往是分不开的。接下来我们就深入了解一下 Flink 中的时间语义和窗口的应用。
Flink 是一种流式计算引擎,主要是来处理无界数据流的,数据源源不断、无穷无尽。想要更加方便高效地处理无界流,一种方式就是将无限数据切割成有限的“数据块”进行处理,这就是所谓的“窗口”(Window)。
注意:Flink 中窗口并不是静态准备好的,而是动态创建——当有落在这个窗口区间范围的数据达到时,才创建对应的窗口。另外,这里我们认为到达窗口结束时间时,窗口就触发计算并关闭,事实上“触发计算”和“窗口关闭”两个行为也可以分开,这部分内容我们会在后面详述。
我们在上一节举的例子,其实是最为简单的一种时间窗口。在 Flink 中,窗口的应用非常灵活,我们可以使用各种不同类型的窗口来实现需求。接下来我们就从不同的角度,对 Flink 中内置的窗口做一个分类说明。
根据分配数据的规则,窗口的具体实现可以分为 4 类:滚动窗口(Tumbling Window)、滑动窗口(Sliding Window)、会话窗口(Session Window),以及全局窗口(Global Window)。
1)按键分区(Keyed)和非按键分区(Non-Keyed)
在定义窗口操作之前,首先需要确定,到底是基于按键分区(Keyed)的数据流 KeyedStream 来开窗,还是直接在没有按键分区的 DataStream 上开窗。也就是说,在调用窗口算子之前,是否有 keyBy 操作。
(1)按键分区窗口(Keyed Windows)
经过按键分区 keyBy 操作后,数据流会按照 key 被分为多条逻辑流(logical streams),这就是 KeyedStream。基于 KeyedStream 进行窗口操作时,窗口计算会在多个并行子任务上同时执行。相同 key 的数据会被发送到同一个并行子任务,而窗口操作会基于每个 key 进行单独的处理。所以可以认为,每个 key 上都定义了一组窗口,各自独立地进行统计计算。
在代码实现上,我们需要先对 DataStream 调用.keyBy()进行按键分区,然后再调用.window()定义窗口。
stream.keyBy(...)
.window(...)
(2)非按键分区(Non-Keyed Windows)
如果没有进行 keyBy,那么原始的 DataStream 就不会分成多条逻辑流。这时窗口逻辑只能在一个任务(task)上执行,就相当于并行度变成了 1。
在代码中,直接基于 DataStream 调用.windowAll()定义窗口。
stream.windowAll(...)
注意:对于非按键分区的窗口操作,手动调大窗口算子的并行度也是无效的,windowAll 本身就是一个非并行的操作。
2)代码中窗口 API 的调用
窗口操作主要有两个部分:窗口分配器(Window Assigners)和窗口函数(Window Functions)。
stream.keyBy(<key selector>)
.window(<window assigner>)
.aggregate(<window function>)
其中 .window() 方法需要传入一个窗口分配器,它指明了窗口的类型;而后面的.aggregate()方法传入一个窗口函数作为参数,它用来定义窗口具体的处理逻辑。窗口分配器有各种形式,而窗口函数的调用方法也不只.aggregate()一种,我们接下来就详细展开讲解。
定义窗口分配器(Window Assigners)是构建窗口算子的第一步,它的作用就是定义数据应该被“分配”到哪个窗口。所以可以说,窗口分配器其实就是在指定窗口的类型。
窗口分配器最通用的定义方式,就是调用.window()方法。这个方法需要传入一个 WindowAssigner 作为参数,返回 WindowedStream。如果是非按键分区窗口,那么直接调用.windowAll()方法,同样传入一个 WindowAssigner,返回的是 AllWindowedStream。
窗口按照驱动类型可以分成时间窗口和计数窗口,而按照具体的分配规则,又有滚动窗口、滑动窗口、会话窗口、全局窗口四种。除去需要自定义的全局窗口外,其他常用的类型Flink 中都给出了内置的分配器实现,我们可以方便地调用实现各种需求。
时间窗口是最常用的窗口类型,又可以细分为滚动、滑动和会话三种。
1、滚动处理时间窗口
窗口分配器由类 TumblingProcessingTimeWindows 提供,需要调用它的静态方法.of()。
stream.keyBy(...)
.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
这里.of()方法需要传入一个 Time 类型的参数 size,表示滚动窗口的大小,我们这里创建了一个长度为 5 秒的滚动窗口。
另外,.of()还有一个重载方法,可以传入两个 Time 类型的参数:size 和 offset。第一个参数当然还是窗口大小,第二个参数则表示窗口起始点的偏移量。
2、滑动处理时间窗口
窗口分配器由类 SlidingProcessingTimeWindows 提供,同样需要调用它的静态方法.of()。
stream.keyBy(...)
.window(SlidingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10) ,
Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
这里.of()方法需要传入两个 Time 类型的参数:size 和 slide,前者表示滑动窗口的大小,后者表示滑动窗口的滑动步长。我们这里创建了一个长度为 10 秒、滑动步长为 5 秒的滑动窗口。
滑动窗口同样可以追加第三个参数,用于指定窗口起始点的偏移量,用法与滚动窗口完全一致。
3、处理时间会话窗口
窗口分配器由类 ProcessingTimeSessionWindows 提供,需要调用它的静态方法.withGap() 或者.withDynamicGap()。
stream.keyBy(...)
.window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)
))
.aggregate(...)
这里.withGap()方法需要传入一个 Time 类型的参数 size,表示会话的超时时间,也就是最小间隔 session gap。我们这里创建了静态会话超时时间为 10 秒的会话窗口。
另外,还可以调用 withDynamicGap()方法定义 session gap 的动态提取逻辑。
4、滚动事件时间窗口
窗口分配器由类 TumblingEventTimeWindows 提供,用法与滚动处理事件窗口完全一致。
stream.keyBy(...)
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
5、滑动事件时间窗口
窗口分配器由类 SlidingEventTimeWindows 提供,用法与滑动处理事件窗口完全一致。
stream.keyBy(...)
.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10) ,
Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
6、事件时间会话窗口
窗口分配器由类 EventTimeSessionWindows 提供,用法与处理事件会话窗口完全一致。
stream.keyBy(...)
.window(EventTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)))
.aggregate(...)
计数窗口概念非常简单,本身底层是基于全局窗口(Global Window)实现的。Flink 为我们提供了非常方便的接口:直接调用.countWindow()方法。根据分配规则的不同,又可以分为滚动计数窗口和滑动计数窗口两类,下面我们就来看它们的具体实现。
1、滚动计数窗口
滚动计数窗口只需要传入一个长整型的参数 size,表示窗口的大小。
stream.keyBy(...)
.countWindow(10)
我们定义了一个长度为 10 的滚动计数窗口,当窗口中元素数量达到 10 的时候,就会触发计算执行并关闭窗口。
2、滑动计数窗口
与滚动计数窗口类似,不过需要在.countWindow()调用时传入两个参数:size 和 slide,前者表示窗口大小,后者表示滑动步长。
stream.keyBy(...)
.countWindow(10,3)
我们定义了一个长度为 10、滑动步长为 3 的滑动计数窗口。每个窗口统计 10 个数据,每隔 3 个数据就统计输出一次结果。
3、全局窗口
全局窗口是计数窗口的底层实现,一般在需要自定义窗口时使用。它的定义同样是直接调用.window(),分配器由 GlobalWindows 类提供。
stream.keyBy(...)
.window(GlobalWindows.create());
需要注意使用全局窗口,必须自行定义触发器才能实现窗口计算,否则起不到任何作用。
窗口函数定义了要对窗口中收集的数据做的计算操作,根据处理的方式可以分为两类:增量聚合函数和全窗口函数。下面我们来进行分别讲解。
窗口将数据收集起来,最基本的处理操作当然就是进行聚合。我们可以每来一个数据就在之前结果上聚合一次,这就是“增量聚合”。典型的增量聚合函数有两个:ReduceFunction 和 AggregateFunction。
1、归约函数(ReduceFunction)
public class WindowReduceDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
.socketTextStream("hadoop102", 7777)
.map(new WaterSensorMapFunction());
KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());
// 1. 窗口分配器
WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));
// 2. 窗口函数: 增量聚合 Reduce
/**
* 窗口的reduce:
* 1、相同key的第一条数据来的时候,不会调用reduce方法
* 2、增量聚合: 来一条数据,就会计算一次,但是不会输出
* 3、在窗口触发的时候,才会输出窗口的最终计算结果
*/
SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> reduce = sensorWS.reduce(
new ReduceFunction<WaterSensor>() {
@Override
public WaterSensor reduce(WaterSensor value1, WaterSensor value2) throws Exception {
System.out.println("调用reduce方法,value1=" + value1 + ",value2=" + value2);
return new WaterSensor(value1.getId(), value2.getTs(), value1.getVc() + value2.getVc());
}
}
);
reduce.print();
env.execute();
}
}
2、聚合函数(AggregateFunction)
ReduceFunction 可以解决大多数归约聚合的问题,但是这个接口有一个限制,就是聚合状态的类型、输出结果的类型都必须和输入数据类型一样。
Flink Window API 中的 aggregate 就突破了这个限制,可以定义更加灵活的窗口聚合操作。这个方法需要传入一个 AggregateFunction 的实现类作为参数。
AggregateFunction 可以看作是 ReduceFunction 的通用版本,这里有三种类型:输入类型(IN)、累加器类型(ACC)和输出类型(OUT)。输入类型 IN 就是输入流中元素的数据类型;累加器类型 ACC 则是我们进行聚合的中间状态类型;而输出类型当然就是最终计算结果的类型了。
接口中有四个方法:
所以可以看到,AggregateFunction 的工作原理是:首先调用 createAccumulator()为任务初始化一个状态(累加器);而后每来一个数据就调用一次 add()方法,对数据进行聚合,得到的结果保存在状态中;等到了窗口需要输出时,再调用 getResult()方法得到计算结果。很明显,与 ReduceFunction 相同,AggregateFunction 也是增量式的聚合;而由于输入、中间状态、输出的类型可以不同,使得应用更加灵活方便。
代码实现如下:
public class WindowAggregateDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
.socketTextStream("hadoop102", 7777)
.map(new WaterSensorMapFunction());
KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());
// 1. 窗口分配器
WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));
// 2. 窗口函数: 增量聚合 Aggregate
/**
* 1、属于本窗口的第一条数据来,创建窗口,创建累加器
* 2、增量聚合: 来一条计算一条, 调用一次add方法
* 3、窗口输出时调用一次getresult方法
* 4、输入、中间累加器、输出 类型可以不一样,非常灵活
*/
SingleOutputStreamOperator<String> aggregate = sensorWS.aggregate(
/**
* 第一个类型: 输入数据的类型
* 第二个类型: 累加器的类型,存储的中间计算结果的类型
* 第三个类型: 输出的类型
*/
new AggregateFunction<WaterSensor, Integer, String>() {
/**
* 创建累加器,初始化累加器
* @return
*/
@Override
public Integer createAccumulator() {
System.out.println("创建累加器");
return 0;
}
/**
* 聚合逻辑
* @param value
* @param accumulator
* @return
*/
@Override
public Integer add(WaterSensor value, Integer accumulator) {
System.out.println("调用add方法,value="+value);
return accumulator + value.getVc();
}
/**
* 获取最终结果,窗口触发时输出
* @param accumulator
* @return
*/
@Override
public String getResult(Integer accumulator) {
System.out.println("调用getResult方法");
return accumulator.toString();
}
@Override
public Integer merge(Integer a, Integer b) {
// 只有会话窗口才会用到
System.out.println("调用merge方法");
return null;
}
}
);
aggregate.print();
env.execute();
}
}
另外,Flink 也为窗口的聚合提供了一系列预定义的简单聚合方法,可以直接基于 WindowedStream 调用。主要包括.sum()/max()/maxBy()/min()/minBy(),与 KeyedStream 的简单聚合非常相似。它们的底层,其实都是通过 AggregateFunction 来实现的。
有些场景下,我们要做的计算必须基于全部的数据才有效,这时做增量聚合就没什么意义了;另外,输出的结果有可能要包含上下文中的一些信息(比如窗口的起始时间),这是增量聚合函数做不到的。
所以,我们还需要有更丰富的窗口计算方式。窗口操作中的另一大类就是全窗口函数。与增量聚合函数不同,全窗口函数需要先收集窗口中的数据,并在内部缓存起来,等到窗口要输出结果的时候再取出数据进行计算。
在 Flink 中,全窗口函数也有两种:WindowFunction 和 ProcessWindowFunction。
1、窗口函数(WindowFunction)
WindowFunction 字面上就是“窗口函数”,它其实是老版本的通用窗口函数接口。我们可以基于 WindowedStream 调用.apply()方法,传入一个 WindowFunction 的实现类。
stream
.keyBy(<key selector>)
.window(<window assigner>)
.apply(new MyWindowFunction());
这个类中可以获取到包含窗口所有数据的可迭代集合(Iterable),还可以拿到窗口(Window)本身的信息。
不过 WindowFunction 能提供的上下文信息较少,也没有更高级的功能。事实上,它的作用可以被 ProcessWindowFunction 全覆盖,所以之后可能会逐渐弃用。
2、处理窗口函数(ProcessWindowFunction)
ProcessWindowFunction 是 Window API 中最底层的通用窗口函数接口。之所以说它“最底层”,是因为除了可以拿到窗口中的所有数据之外,ProcessWindowFunction 还可以获取到一个“上下文对象”(Context)。这个上下文对象非常强大,不仅能够获取窗口信息,还可以访问当前的时间和状态信息。这里的时间就包括了处理时间(processing time)和事件时间水位线(event time watermark)。这就使得 ProcessWindowFunction 更加灵活、功能更加丰富,其实就是一个增强版的 WindowFunction。
事实上,ProcessWindowFunction 是 Flink 底层 API——处理函数(process function)中的一员,关于处理函数我们会在后续章节展开讲解。
代码实现如下:
public class WindowProcessDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
.socketTextStream("hadoop102", 7777)
.map(new WaterSensorMapFunction());
KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());
// 1. 窗口分配器
WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));
// 老写法
// sensorWS
// .apply(
// new WindowFunction() {
// /**
// *
// * @param s 分组的key
// * @param window 窗口对象
// * @param input 存的数据
// * @param out 采集器
// * @throws Exception
// */
// @Override
// public void apply(String s, TimeWindow window, Iterable input, Collector out) throws Exception {
//
// }
// }
// )
SingleOutputStreamOperator<String> process = sensorWS
.process(
new ProcessWindowFunction<WaterSensor, String, String, TimeWindow>() {
/**
* 全窗口函数计算逻辑: 窗口触发时才会调用一次,统一计算窗口的所有数据
* @param s 分组的key
* @param context 上下文
* @param elements 存的数据
* @param out 采集器
* @throws Exception
*/
@Override
public void process(String s, Context context, Iterable<WaterSensor> elements, Collector<String> out) throws Exception {
// 上下文可以拿到window对象,还有其他东西:侧输出流 等等
long startTs = context.window().getStart();
long endTs = context.window().getEnd();
String windowStart = DateFormatUtils.format(startTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
String windowEnd = DateFormatUtils.format(endTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
long count = elements.spliterator().estimateSize();
out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());
}
}
);
process.print();
env.execute();
}
}
在实际应用中,我们往往希望兼具这两者的优点,把它们结合在一起使用。Flink 的 Window API 就给我们实现了这样的用法。
我们之前在调用 WindowedStream 的.reduce()和.aggregate()方法时,只是简单地直接传入了一个 ReduceFunction 或 AggregateFunction 进行增量聚合。除此之外,其实还可以传入第二个参数:一个全窗口函数,可以是 WindowFunction 或者 ProcessWindowFunction。
// ReduceFunction 与 WindowFunction 结合
public <R> SingleOutputStreamOperator<R> reduce(
ReduceFunction<T> reduceFunction,WindowFunction<T,R,K,W>
function)
// ReduceFunction 与 ProcessWindowFunction 结合
public <R> SingleOutputStreamOperator<R> reduce(
ReduceFunction<T> reduceFunction,ProcessWindowFunction<T,R,
K,W> function)
// AggregateFunction 与 WindowFunction 结合
public <ACC,V,R> SingleOutputStreamOperator<R> aggregate(
AggregateFunction<T,ACC,V> aggFunction,WindowFunction<V,
R,K,W> windowFunction)
// AggregateFunction 与 ProcessWindowFunction 结合
public <ACC,V,R> SingleOutputStreamOperator<R> aggregate(
AggregateFunction<T,ACC,V> aggFunction,
ProcessWindowFunction<V,R,K,W> windowFunction)
这样调用的处理机制是:基于第一个参数(增量聚合函数)来处理窗口数据,每来一个数据就做一次聚合;等到窗口需要触发计算时,则调用第二个参数(全窗口函数)的处理逻辑输出结果。需要注意的是,这里的全窗口函数就不再缓存所有数据了,而是直接将增量聚合函数的结果拿来当作了 Iterable 类型的输入。
具体实现代码如下:
public class WindowAggregateAndProcessDemo {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
.socketTextStream("hadoop102", 7777)
.map(new WaterSensorMapFunction());
KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());
// 1. 窗口分配器
WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));
// 2. 窗口函数:
/**
* 增量聚合 Aggregate + 全窗口 process
* 1、增量聚合函数处理数据: 来一条计算一条
* 2、窗口触发时, 增量聚合的结果(只有一条) 传递给 全窗口函数
* 3、经过全窗口函数的处理包装后,输出
*
* 结合两者的优点:
* 1、增量聚合: 来一条计算一条,存储中间的计算结果,占用的空间少
* 2、全窗口函数: 可以通过 上下文 实现灵活的功能
*/
// sensorWS.reduce() //也可以传两个
SingleOutputStreamOperator<String> result = sensorWS.aggregate(
new MyAgg(),
new MyProcess()
);
result.print();
env.execute();
}
public static class MyAgg implements AggregateFunction<WaterSensor, Integer, String>{
@Override
public Integer createAccumulator() {
System.out.println("创建累加器");
return 0;
}
@Override
public Integer add(WaterSensor value, Integer accumulator) {
System.out.println("调用add方法,value="+value);
return accumulator + value.getVc();
}
@Override
public String getResult(Integer accumulator) {
System.out.println("调用getResult方法");
return accumulator.toString();
}
@Override
public Integer merge(Integer a, Integer b) {
System.out.println("调用merge方法");
return null;
}
}
// 全窗口函数的输入类型 = 增量聚合函数的输出类型
public static class MyProcess extends ProcessWindowFunction<String,String,String,TimeWindow>{
@Override
public void process(String s, Context context, Iterable<String> elements, Collector<String> out) throws Exception {
long startTs = context.window().getStart();
long endTs = context.window().getEnd();
String windowStart = DateFormatUtils.format(startTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
String windowEnd = DateFormatUtils.format(endTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
long count = elements.spliterator().estimateSize();
out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());
}
}
}
这里我们为了方便处理,单独定义了一个 POJO 类 UrlViewCount 来表示聚合输出结果的数据类型,包含了 url、浏览量以及窗口的起始结束时间。用一个 AggregateFunction 来实现增量聚合,每来一个数据就计数加一;得到的结果交给 ProcessWindowFunction,结合窗口信息包装成我们想要的 UrlViewCount,最终输出统计结果。
对于一个窗口算子而言,窗口分配器和窗口函数是必不可少的。除此之外,Flink 还提供了其他一些可选的 API,让我们可以更加灵活地控制窗口行为。
触发器主要是用来控制窗口什么时候触发计算。所谓的“触发计算”,本质上就是执行窗口函数,所以可以认为是计算得到结果并输出的过程。
基于 WindowedStream 调用 .trigger() 方法,就可以传入一个自定义的窗口触发器(Trigger)。
stream.keyBy(...)
.window(...)
.trigger(new MyTrigger())
移除器主要用来定义移除某些数据的逻辑。基于 WindowedStream 调用.evictor()方法,就可以传入一个自定义的移除器(Evictor)。Evictor 是一个接口,不同的窗口类型都有各自预实现的移除器。
stream.keyBy(...)
.window(...)
.evictor(new MyEvictor())