Flink-处理函数(ProcessFunction、KeyedProcessFunction、ProcessWindowFunctionHe侧输出流)
文章目录
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- 处理函数
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- 基本处理函数（ProcessFunction）
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- 功能和使用
- ProcessFunction 解析
- 分类
- 按键分区处理函数（KeyedProcessFunction）
-
- 定时器（Timer）和定时服务（TimerService）
- KeyedProcessFunction 的使用
- 窗口处理函数
-
- 窗口处理函数的使用
- ProcessWindowFunction 解析
- 应用案例——Top N
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- 使用 ProcessAllWindowFunction
- 使用 KeyedProcessFunction
- 侧输出流（Side Output）
处理函数
之前所介绍的流处理 API，无论是基本的转换、聚合，还是更为复杂的窗口操作，其实都是基于 DataStream 进行转换的；所以可以统称为 DataStream API，这也是 Flink 编程的核心。而我们知道，为了让代码有更强大的表现力和易用性，Flink 本身提供了多层 API，DataStream API 只是中间的一环。
在更底层，我们可以不定义任何具体的算子（比如 map，filter，或者 window），而只是提炼出一个统一的“处理”（process）操作——它是所有转换算子的一个概括性的表达，可以自定义处理逻辑，所以这一层接口就被叫作“处理函数”（process function）。
在处理函数中，我们直面的就是数据流中最基本的元素：数据事件（event）、状态（state）以及时间（time）。这就相当于对流有了完全的控制权。处理函数比较抽象，没有具体的操作，所以对于一些常见的简单应用（比如求和、开窗口）会显得有些麻烦；不过正是因为它不限定具体做什么，所以理论上我们可以做任何事情，实现所有需求。
基本处理函数（ProcessFunction）
功能和使用
我们之前学习的转换算子，一般只是针对某种具体操作来定义的，能够拿到的信息比较有限。比如 map 算子，我们实现的 MapFunction 中，只能获取到当前的数据，定义它转换之后的形式；而像窗口聚合这样的复杂操作，AggregateFunction 中除数据外，还可以获取到当前的状态（以累加器 Accumulator 形式出现）。另外我们还介绍过富函数类，比如 RichMapFunction，它提供了获取运行时上下文的方法 getRuntimeContext()，可以拿到状态，还有并行度、任务名称之类的运行时信息。
但是无论那种算子，如果我们想要访问事件的时间戳，或者当前的水位线信息，都是完全做不到的。在定义生成规则之后，水位线会源源不断地产生，像数据一样在任务间流动，可我们却不能像数据一样去处理它；跟时间相关的操作，目前我们只会用窗口来处理。而在很多应用需求中，要求我们对时间有更精细的控制，需要能够获取水位线，甚至要“把控时间”、定义什么时候做什么事，这就不是基本的时间窗口能够实现的了。
于是必须祭出大招——处理函数（ProcessFunction）了。处理函数提供了一个“定时服务”（TimerService），我们可以通过它访问流中的事件（event）、时间戳（timestamp）、水位线（watermark），甚至可以注册“定时事件”。而且处理函数继承了 AbstractRichFunction 抽象类，所以拥有富函数类的所有特性，同样可以访问状态（state）和其他运行时信息。此外，处理函数还可以直接将数据输出到侧输出流（side output）中。所以，处理函数是最为灵活的处理方法，可以实现各种自定义的业务逻辑；同时也是整个 DataStream API 的底层基础。
处理函数的使用与基本的转换操作类似，只需要直接基于 DataStream 调用.process()方法就可以了。方法需要传入一个 ProcessFunction 作为参数，用来定义处理逻辑。
stream.process(new MyProcessFunction())
这里 ProcessFunction 不是接口，而是一个抽象类，继承了 AbstractRichFunction；MyProcessFunction 是它的一个具体实现。所以所有的处理函数，都是富函数（RichFunction），富函数可以调用的东西这里同样都可以调用。
public class ProcessFunctionTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
env
.addSource(new ClickSource())
.assignTimestampsAndWatermarks(
WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
.withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
@Override
public long extractTimestamp(Event event, long l) {
return event.timestamp;
}
})
)
.process(new ProcessFunction<Event, String>() {
@Override
public void processElement(Event value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
if (value.user.equals("Mary")) {
out.collect(value.user);
} else if (value.user.equals("Bob")) {
out.collect(value.user);
out.collect(value.user);
}
System.out.println(ctx.timerService().currentWatermark());
}
})
.print();
env.execute();
}
}
这里我们在 ProcessFunction 中重写了.processElement()方法，自定义了一种处理逻辑：当数据的 user 为“Mary”时，将其输出一次；而如果为“Bob”时，将 user 输出两次。这里的输出 ， 是通过调用 out.collect() 来实现的。另外我们还可以调用ctx.timerService().currentWatermark() 来 获 取 当 前 的 水 位 线 打 印 输 出 。 所 以 可 以 看 到 ，ProcessFunction 函数有点像 FlatMapFunction 的升级版。可以实现 Map、Filter、FlatMap 的所有功能。很明显，处理函数非常强大，能够做很多之前做不到的事情。
ProcessFunction 解析
在源码中我们可以看到，抽象类 ProcessFunction 继承了 AbstractRichFunction，有两个泛型类型参数：I 表示 Input，也就是输入的数据类型；O 表示 Output，也就是处理完成之后输出的数据类型。
内部单独定义了两个方法：一个是必须要实现的抽象方法.processElement()；另一个是非抽象方法.onTimer()。
public abstract class ProcessFunction<I, O> extends AbstractRichFunction {
...
public abstract void processElement(I value, Context ctx, Collector<O> out) throws Exception;
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<O> out) throws Exception {}
...
}
（1）抽象方法.processElement()
用于“处理元素”，定义了处理的核心逻辑。这个方法对于流中的每个元素都会调用一次，参数包括三个：输入数据值 value，上下文 ctx，以及“收集器”（Collector）out。方法没有返回值，处理之后的输出数据是通过收集器 out 来定义的。
-
value：当前流中的输入元素，也就是正在处理的数据，类型与流中数据类型一致。
-
ctx：类型是 ProcessFunction 中定义的内部抽象类 Context，表示当前运行的上下文，可以获取到当前的时间戳，并提供了用于查询时间和注册定时器的“定时服务”(TimerService)，以及可以将数据发送到“侧输出流”（side output）的方法.output()。Context 抽象类定义如下：
public abstract class Context { public abstract Long timestamp(); public abstract TimerService timerService(); public abstract <X> void output(OutputTag<X> outputTag, X value); } -
out：“收集器”（类型为 Collector），用于返回输出数据。使用方式与 flatMap算子中的收集器完全一样，直接调用 out.collect()方法就可以向下游发出一个数据。这个方法可以多次调用，也可以不调用。
（2）非抽象方法.onTimer()
用于定义定时触发的操作，这是一个非常强大、也非常有趣的功能。这个方法只有在注册好的定时器触发的时候才会调用，而定时器是通过“定时服务”TimerService 来注册的。打个比方，注册定时器（timer）就是设了一个闹钟，到了设定时间就会响；而.onTimer()中定义的，就是闹钟响的时候要做的事。所以它本质上是一个基于时间的“回调”（callback）方法，通过时间的进展来触发；在事件时间语义下就是由水位线（watermark）来触发了。
与.processElement()类似，定时方法.onTimer()也有三个参数：时间戳（timestamp），上下文（ctx），以及收集器（out）。这里的 timestamp 是指设定好的触发时间(即通过ctx.timeService().register…设置的时间，事件时间语义下当然就是水位线了。另外这里同样有上下文和收集器，所以也可以调用定时服务（TimerService），以及任意输出处理之后的数据。
分类
Flink 中的处理函数其实是一个大家族，ProcessFunction 只是其中一员。
我们知道，DataStream 在调用一些转换方法之后，有可能生成新的流类型；例如调用.keyBy()之后得到 KeyedStream，进而再调用.window()之后得到 WindowedStream。对于不同类型的流，其实都可以直接调用.process()方法进行自定义处理，这时传入的参数就都叫作处理函数。
Flink 提供了 8 个不同的处理函数：
- ProcessFunction：最基本的处理函数，基于 DataStream 直接调用.process()时作为参数传入。
- KeyedProcessFunction：对流按键分区后的处理函数，基于 KeyedStream 调用.process()时作为参数传入。要想使用定时器，比如基于 KeyedStream。
- ProcessWindowFunction：开窗之后的处理函数，也是全窗口函数的代表。基于 WindowedStream 调用.process()时作为参数传入。
- ProcessAllWindowFunction：同样是开窗之后的处理函数，基于 AllWindowedStream 调用.process()时作为参数传入。
- CoProcessFunction：合并（connect）两条流之后的处理函数，基于 ConnectedStreams 调用.process()时作为参数传入。关于流的连接合并操作。
- ProcessJoinFunction：间隔连接（interval join）两条流之后的处理函数，基于 IntervalJoined 调用.process()时作为参数传入。
- BroadcastProcessFunction：广播连接流处理函数，基于 BroadcastConnectedStream 调用.process()时作为参数传入。这里的“广播连接流”BroadcastConnectedStream，是一个未 keyBy 的普通 DataStream 与一个广播流（BroadcastStream）做连接（conncet）之后的产物。
- KeyedBroadcastProcessFunction：按键分区的广播连接流处理函数，同样是基于 BroadcastConnectedStream 调用.process()时作为参数传入。与 BroadcastProcessFunction 不同的是，这时的广播连接流，是一个 KeyedStream与广播流（BroadcastStream）做连接之后的产物。
按键分区处理函数（KeyedProcessFunction）
定时器（Timer）和定时服务（TimerService）
KeyedProcessFunction 的一个特色，就是可以灵活地使用定时器。
定时器（timers）是处理函数中进行时间相关操作的主要机制。在.onTimer()方法中可以实现定时处理的逻辑，而它能触发的前提，就是之前曾经注册过定时器、并且现在已经到了触发时间。注册定时器的功能，是通过上下文中提供的“定时服务”（TimerService）来实现的。
ProcessFunction 的上下文（Context）中提供了.timerService()方法，可以直接返回一个 TimerService 对象：
public abstract TimerService timerService();
TimerService 是 Flink 关于时间和定时器的基础服务接口，包含以下六个方法：
// 获取当前的处理时间
long currentProcessingTime();
// 获取当前的水位线（事件时间）
long currentWatermark();
// 注册处理时间定时器，当处理时间超过 time 时触发
void registerProcessingTimeTimer(long time);
// 注册事件时间定时器，当水位线超过 time 时触发
void registerEventTimeTimer(long time);
// 删除触发时间为 time 的处理时间定时器
void deleteProcessingTimeTimer(long time);
// 删除触发时间为 time 的处理时间定时器
void deleteEventTimeTimer(long time);
六个方法可以分成两大类：基于处理时间和基于事件时间。而对应的操作主要有三个：获取当前时间，注册定时器，以及删除定时器。需要注意，尽管处理函数中都可以直接访问TimerService，不过只有基于 KeyedStream 的处理函数，才能去调用注册和删除定时器的方法；未作按键分区的 DataStream 不支持定时器操作，只能获取当前时间。
对于处理时间和事件时间这两种类型的定时器，TimerService 内部会用一个优先队列将它们的时间戳（timestamp）保存起来，排队等待执行。可以认为，定时器其实是 KeyedStream上处理算子的一个状态，它以时间戳作为区分。所以 TimerService 会以键（key）和时间戳为标准，对定时器进行去重；也就是说对于每个 key 和时间戳，最多只有一个定时器，如果注册了多次，onTimer()方法也将只被调用一次。
Flink 对.onTimer()和.processElement()方法是同步调用的（synchronous），所以不会出现状态的并发修改。
Flink 的定时器同样具有容错性，它和状态一起都会被保存到一致性检查点（checkpoint）中。当发生故障时，Flink 会重启并读取检查点中的状态，恢复定时器。如果是处理时间的定时器，有可能会出现已经“过期”的情况，这时它们会在重启时被立刻触发。
KeyedProcessFunction 的使用
KeyedProcessFunction 可以说是处理函数中的“嫡系部队”，可以认为是 ProcessFunction 的一个扩展。我们只要基于 keyBy 之后的 KeyedStream，直接调用.process()方法，这时需要传入的参数就是 KeyedProcessFunction 的实现类。
stream.keyBy( t -> t.f0 ).process(new MyKeyedProcessFunction())
类似地，KeyedProcessFunction 也是继承自 AbstractRichFunction 的一个抽象类，源码中定义如下：
public abstract class KeyedProcessFunction<K, I, O> extends AbstractRichFunction
{
...
public abstract void processElement(I value, Context ctx, Collector<O> out) throws Exception;
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<O> out) throws Exception {}
public abstract class Context {...}
...
}
可以看到与 ProcessFunction 的定义几乎完全一样，区别只是在于类型参数多了一个 K，这是当前按键分区的 key 的类型。
public class ProcessingTimeTimerTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
// 处理时间语义，不需要分配时间戳和watermark
SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource());
// 要用定时器，必须基于KeyedStream
stream.keyBy(data -> true)
.process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Event, String>() {
@Override
public void processElement(Event value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
Long currTs = ctx.timerService().currentProcessingTime();
out.collect("数据到达，到达时间：" + new Timestamp(currTs));
// 注册一个10秒后的定时器
ctx.timerService().registerProcessingTimeTimer(currTs + 10 * 1000L);
}
@Override
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
out.collect("定时器触发，触发时间：" + new Timestamp(timestamp));
}
})
.print();
env.execute();
}
}
在上面的代码中，由于定时器只能在 KeyedStream 上使用，所以先要进行 keyBy；这里的.keyBy(data -> true)是将所有数据的 key 都指定为了 true，其实就是所有数据拥有相同的 key，会分配到同一个分区。
之后我们自定义了一个 KeyedProcessFunction，其中.processElement()方法是每来一个数据都会调用一次，主要是定义了一个 10 秒之后的定时器；而.onTimer()方法则会在定时器触发时调用。所以我们会看到，程序运行后先在控制台输出“数据到达”的信息，等待 10 秒之后，又会输出“定时器触发”的信息，打印出的时间间隔正是 10 秒。
当然，上面的例子是处理时间的定时器，所以我们是真的需要等待 10 秒才会看到结果。事件时间语义下，又会有什么不同呢？
public class EventTimeTimerTest {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new CustomSource())
.assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
.withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
@Override
public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
return element.timestamp;
}
}));
// 基于KeyedStream定义事件时间定时器
stream.keyBy(data -> true)
.process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Event, String>() {
@Override
public void processElement(Event value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
out.collect("数据到达，时间戳为：" + ctx.timestamp());
out.collect("数据到达，水位线为：" + ctx.timerService().currentWatermark() + "\n -------分割线-------");
// 注册一个10秒后的定时器
ctx.timerService().registerEventTimeTimer(ctx.timestamp() + 10 * 1000L);
}
@Override
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
out.collect("定时器触发，触发时间：" + timestamp);
}
})
.print();
env.execute();
}
// 自定义测试数据源
public static class CustomSource implements SourceFunction<Event> {
@Override
public void run(SourceContext<Event> ctx) throws Exception {
// 直接发出测试数据
ctx.collect(new Event("Mary", "./home", 1000L));
// 为了更加明显，中间停顿5秒钟
Thread.sleep(5000L);
// 发出10秒后的数据
ctx.collect(new Event("Mary", "./home", 11000L));
Thread.sleep(5000L);
// 发出10秒+1ms后的数据
ctx.collect(new Event("Alice", "./cart", 11001L));
Thread.sleep(5000L);
}
@Override
public void cancel() { }
}
}
由于是事件时间语义，所以我们必须从数据中提取出数据产生的时间戳。这里为了更清楚地看到程序行为，我们自定义了一个数据源，发出三条测试数据，时间戳分别为 1000、11000和 11001，并且发出数据后都会停顿 5 秒。
在代码中，我们依然将所有数据分到同一分区，然后在自定义的 KeyedProcessFunction 中使用定时器。同样地，每来一条数据，我们就将当前的数据时间戳和水位线信息输出，并注册一个 10 秒后（以当前数据时间戳为基准）的事件时间定时器。执行程序结果如下：
数据到达，时间戳为：1000
数据到达，水位线为：-9223372036854775808
-------分割线-------
数据到达，时间戳为：11000
数据到达，水位线为：999
-------分割线-------
数据到达，时间戳为：11001
数据到达，水位线为：10999
-------分割线-------
定时器触发，触发时间：11000
定时器触发，触发时间：21000
定时器触发，触发时间：21001
每来一条数据，都会输出两行“数据到达”的信息，并以分割线隔开；两条数据到达的时间间隔为 5 秒。当第三条数据到达后，随后立即输出一条定时器触发的信息；再过 5 秒之后，剩余两条定时器信息输出，程序运行结束。
我们可以发现，数据到来之后，当前的水位线与时间戳并不是一致的。当第一条数据到来，时间戳为 1000，可水位线的生成是周期性的（默认 200ms 一次），不会立即发生改变，所以依然是最小值 Long.MIN_VALUE；随后只要到了水位线生成的时间点（200ms 到了），就会依据当前的最大时间戳 1000 来生成水位线了。这里我们没有设置水位线延迟，默认需要减去 1 毫秒，所以水位线推进到了 999。而当时间戳为 11000 的第二条数据到来之后，水位线同样没有立即改变，仍然是 999，就好像总是“滞后”数据一样。
窗口处理函数
除 了 KeyedProcessFunction ， 另 外 一 大 类 常 用 的 处 理 函 数 ， 就 是 基 于 窗 口 的ProcessWindowFunction 和 ProcessAllWindowFunction 了。
窗口处理函数的使用
进行窗口计算，我们可以直接调用现成的简单聚合方法（sum/max/min）,也可以通过调用.reduce()或.aggregate()来自定义一般的增量聚合函数（ReduceFunction/AggregateFucntion）；而对于更加复杂、需要窗口信息和额外状态的一些场景，我们还可以直接使用全窗口函数、把数据全部收集保存在窗口内，等到触发窗口计算时再统一处理。窗口处理函数就是一种典型的全窗口函数。
窗 口 处 理 函 数 ProcessWindowFunction 的使用与其他窗口函数类似 ，也是基于WindowedStream 直接调用方法就可以，只不过这时调用的是.process()。
stream.keyBy( t -> t.f0 )
.window( TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)) )
.process(new MyProcessWindowFunction())
ProcessWindowFunction 解析
ProcessWindowFunction 既是处理函数又是全窗口函数。从名字上也可以推测出，它的本质似乎更倾向于“窗口函数”一些。事实上它的用法也确实跟其他处理函数有很大不同。我们可以从源码中的定义看到这一点：
public abstract class ProcessWindowFunction<IN, OUT, KEY, W extends Window>
extends AbstractRichFunction {
...
public abstract void process(KEY key, Context context, Iterable<IN> elements, Collector<OUT> out) throws Exception;
public void clear(Context context) throws Exception {}
public abstract class Context implements java.io.Serializable {...}
}
ProcessWindowFunction 依然是一个继承了 AbstractRichFunction 的抽象类，它有四个类型参数：
- IN：input，数据流中窗口任务的输入数据类型。
- OUT：output，窗口任务进行计算之后的输出数据类型。
- KEY：数据中键 key 的类型。
- W：窗口的类型，是 Window 的子类型。一般情况下我们定义时间窗口，W就是 TimeWindow。
而内部定义的方法，跟我们之前熟悉的处理函数就有所区别了。因为全窗口函数不是逐个处理元素的，所以处理数据的方法在这里并不是.processElement()，而是改成了.process()。方法包含四个参数。
- key：窗口做统计计算基于的键，也就是之前 keyBy 用来分区的字段。
- context：当前窗口进行计算的上下文，它的类型就是 ProcessWindowFunction内部定义的抽象类 Context。
- elements：窗口收集到用来计算的所有数据，这是一个可迭代的集合类型。
- out：用来发送数据输出计算结果的收集器，类型为 Collector。
可以明显看出，这里的参数不再是一个输入数据，而是窗口中所有数据的集合。而上下文context 所包含的内容也跟其他处理函数有所差别：
public abstract class Context implements java.io.Serializable {
public abstract W window();
public abstract long currentProcessingTime();
public abstract long currentWatermark();
public abstract KeyedStateStore windowState();
public abstract KeyedStateStore globalState();
public abstract <X> void output(OutputTag<X> outputTag, X value);
}
除了可以通过.output()方法定义侧输出流不变外，其他部分都有所变化。
-
这里不再持有TimerService 对象，只能通过 currentProcessingTime()和 currentWatermark()来获取当前时间，所以失去了设置定时器的功能
-
由于当前不是只处理一个数据，所以也不再提供.timestamp()方法。
-
可以通过.window()直接获取到当前的窗口对象，也可以通过.windowState()和.globalState()获取到当前自定义的窗口状态和全局状态。
这里的“窗口状态”是自定义的，不包括窗口本身已经有的状态，针对当前 key、当前窗口有效；而“全局状态”同样是自定义的状态，针对当前 key 的所有窗口有效。
ProcessWindowFunction 中除了.process()方法外，并没有.onTimer()方法，而是多出了一个.clear()方法。从名字就可以看出，这主要是方便我们进行窗口的清理工作。如果我们自定义了窗口状态，那么必须在.clear()方法中进行显式地清除，避免内存溢出。
在触发器中也有一个TriggerContext，它可以起到类似 TimerService 的作用：获取当前时间、注册和删除定时器，另外还可以获取当前的状态。这样设计无疑会让处理流程更加清晰——定时操作也是一种“触发”，所以我们就让所有的触发操作归触发器管，而所有处理数据的操作则归窗口函数管。
至于另一种窗口处理函数 ProcessAllWindowFunction，它的用法非常类似。区别在于它基于的是 AllWindowedStream，相当于对没有 keyBy 的数据流直接开窗并调用.process()方法：
stream.windowAll( TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)) ).process(new MyProcessAllWindowFunction())
应用案例——Top N
网站中一个非常经典的例子，就是实时统计一段时间内的热门 url。例如，需要统计最近10 秒钟内最热门的两个 url 链接，并且每 5 秒钟更新一次。我们知道，这可以用一个滑动窗口
来实现，而“热门度”一般可以直接用访问量来表示。于是就需要开滑动窗口收集 url 的访问数据，按照不同的 url 进行统计，而后汇总排序并最终输出前两名。这其实就是著名的“Top N”问题。
很显然，简单的增量聚合可以得到 url 链接的访问量，但是后续的排序输出 Top N 就很难实现了。所以接下来我们用窗口处理函数进行实现。
使用 ProcessAllWindowFunction
一种最简单的想法是，我们干脆不区分 url 链接，而是将所有访问数据都收集起来，统一进行统计计算。所以可以不做 keyBy，直接基于 DataStream 开窗，然后使用全窗口函数ProcessAllWindowFunction 来进行处理。
在窗口中可以用一个 HashMap 来保存每个 url 的访问次数，只要遍历窗口中的所有数据，自然就能得到所有 url 的热门度。最后把 HashMap 转成一个列表 ArrayList，然后进行排序、取出前两名输出就可以了。
public class ProcessAllWindowTopN {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
SingleOutputStreamOperator<Event> eventStream = env.addSource(new ClickSource())
.assignTimestampsAndWatermarks(
WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
.withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
@Override
public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
return element.timestamp;
}
})
);
// 只需要url就可以统计数量，所以转换成String直接开窗统计
SingleOutputStreamOperator<String> result = eventStream
.map(new MapFunction<Event, String>() {
@Override
public String map(Event value) throws Exception {
return value.url;
}
})
.windowAll(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5))) // 开滑动窗口
.process(new ProcessAllWindowFunction<String, String, TimeWindow>() {
@Override
public void process(Context context, Iterable<String> elements, Collector<String> out) throws Exception {
HashMap<String, Long> urlCountMap = new HashMap<>();
// 遍历窗口中数据，将浏览量保存到一个 HashMap 中
for (String url : elements) {
if (urlCountMap.containsKey(url)) {
long count = urlCountMap.get(url);
urlCountMap.put(url, count + 1L);
} else {
urlCountMap.put(url, 1L);
}
}
ArrayList<Tuple2<String, Long>> mapList = new ArrayList<Tuple2<String, Long>>();
// 将浏览量数据放入ArrayList，进行排序
for (String key : urlCountMap.keySet()) {
mapList.add(Tuple2.of(key, urlCountMap.get(key)));
}
mapList.sort(new Comparator<Tuple2<String, Long>>() {
@Override
public int compare(Tuple2<String, Long> o1, Tuple2<String, Long> o2) {
return o2.f1.intValue() - o1.f1.intValue();
}
});
// 取排序后的前两名，构建输出结果
StringBuilder result = new StringBuilder();
result.append("========================================\n");
for (int i = 0; i < 2; i++) {
Tuple2<String, Long> temp = mapList.get(i);
String info = "浏览量No." + (i + 1) +
" url：" + temp.f0 +
" 浏览量：" + temp.f1 +
" 窗口结束时间：" + new Timestamp(context.window().getEnd()) + "\n";
result.append(info);
}
result.append("========================================\n");
out.collect(result.toString());
}
});
result.print();
env.execute();
}
}
运行结果如下所示：
========================================
浏览量 No.1 url：./prod?id=1 浏览量：2 窗口结束时间：2021-07-01 15:24:25.0
浏览量 No.2 url：./cart 浏览量：1 窗口结束时间：2021-07-01 15:24:25.0
========================================
使用 KeyedProcessFunction
在上面，我们没有进行按键分区，直接将所有数据放在一个分区上进行了开窗操作。这相当于将并行度强行设置为 1，在实际应用中是要尽量避免的，所以 Flink 官方也并不推荐使用 AllWindowedStream 进行处理。另外，我们在全窗口函数中定义了 HashMap来统计 url 链接的浏览量，计算过程是要先收集齐所有数据、然后再逐一遍历更新 HashMap，这显然不够高效。如果我们可以利用增量聚合函数的特性，每来一条数据就更新一次对应 url的浏览量，那么到窗口触发计算时只需要做排序输出就可以了。
基于这样的想法，我们可以从两个方面去做优化：一是对数据进行按键分区，分别统计浏览量；二是进行增量聚合，得到结果最后再做排序输出。所以，我们可以使用增量聚合函数AggregateFunction 进行浏览量的统计，然后结合 ProcessWindowFunction 排序输出来实现 Top N的需求。
具体实现思路就是，先按照 url 对数据进行 keyBy 分区，然后开窗进行增量聚合。这里就会发现一个问题：我们进行按键分区之后，窗口的计算就会只针对当前 key 有效了；也就是说，每个窗口的统计结果中，只会有一个 url 的浏览量，这是无法直接用 ProcessWindowFunction进行排序的。所以我们只能分成两步：
- 先对每个 url 链接统计出浏览量
- 然后再将统计结果收集起来，排序输出最终结果。
因为最后的排序还是基于每个时间窗口的，所以为了让输出的统计结果中包含窗口信息，我们可以借用自定义 POJO 类 UrlViewCount 来表示，它包含了 url、浏览量（count）以及窗口的起始结束时间。之后对 UrlViewCount 的处理，可以先按窗口分区，然后用 KeyedProcessFunction 来实现。
总结处理流程如下：
- 读取数据源；
- 筛选浏览行为（pv）；
- 提取时间戳并生成水位线；
- 按照 url 进行 keyBy 分区操作；
- 开长度为 1 小时、步长为 5 分钟的事件时间滑动窗口；
- 使用增量聚合函数 AggregateFunction，并结合全窗口函数 WindowFunction 进行窗口聚合，得到每个 url、在每个统计窗口内的浏览量，包装成 UrlViewCount；
- 按照窗口进行 keyBy 分区操作；
- 对同一窗口的统计结果数据，使用 KeyedProcessFunction 进行收集并排序输出。
public class KeyedProcessTopN {
public static void main(String[] args) throws Exception {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);
// 从自定义数据源读取数据
SingleOutputStreamOperator<Event> eventStream = env.addSource(new ClickSource())
.assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
.withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
@Override
public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
return element.timestamp;
}
}));
// 需要按照url分组，求出每个url的访问量
SingleOutputStreamOperator<UrlViewCount> urlCountStream =
eventStream.keyBy(data -> data.url)
.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
.aggregate(new UrlViewCountAgg(),
new UrlViewCountResult());
// 对结果中同一个窗口的统计数据，进行排序处理
SingleOutputStreamOperator<String> result = urlCountStream.keyBy(data -> data.windowEnd)
.process(new TopN(2));
result.print("result");
env.execute();
}
// 自定义增量聚合
public static class UrlViewCountAgg implements AggregateFunction<Event, Long, Long> {
@Override
public Long createAccumulator() {
return 0L;
}
@Override
public Long add(Event value, Long accumulator) {
return accumulator + 1;
}
@Override
public Long getResult(Long accumulator) {
return accumulator;
}
@Override
public Long merge(Long a, Long b) {
return null;
}
}
// 自定义全窗口函数，只需要包装窗口信息
public static class UrlViewCountResult extends ProcessWindowFunction<Long, UrlViewCount, String, TimeWindow> {
@Override
public void process(String url, Context context, Iterable<Long> elements, Collector<UrlViewCount> out) throws Exception {
// 结合窗口信息，包装输出内容
Long start = context.window().getStart();
Long end = context.window().getEnd();
out.collect(new UrlViewCount(url, elements.iterator().next(), start, end));
}
}
// 自定义处理函数，排序取top n
public static class TopN extends KeyedProcessFunction<Long, UrlViewCount, String>{
// 将n作为属性
private Integer n;
// 定义一个列表状态
private ListState<UrlViewCount> urlViewCountListState;
public TopN(Integer n) {
this.n = n;
}
@Override
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
// 从环境中获取列表状态句柄
urlViewCountListState = getRuntimeContext().getListState(
new ListStateDescriptor<UrlViewCount>("url-view-count-list",
Types.POJO(UrlViewCount.class)));
}
@Override
public void processElement(UrlViewCount value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
// 将count数据添加到列表状态中，保存起来
urlViewCountListState.add(value);
// 注册 window end + 1ms后的定时器，等待所有数据到齐开始排序
ctx.timerService().registerEventTimeTimer(ctx.getCurrentKey() + 1);
}
@Override
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
// 将数据从列表状态变量中取出，放入ArrayList，方便排序
ArrayList<UrlViewCount> urlViewCountArrayList = new ArrayList<>();
for (UrlViewCount urlViewCount : urlViewCountListState.get()) {
urlViewCountArrayList.add(urlViewCount);
}
// 清空状态，释放资源
urlViewCountListState.clear();
// 排序
urlViewCountArrayList.sort(new Comparator<UrlViewCount>() {
@Override
public int compare(UrlViewCount o1, UrlViewCount o2) {
return o2.count.intValue() - o1.count.intValue();
}
});
// 取前两名，构建输出结果
StringBuilder result = new StringBuilder();
result.append("========================================\n");
result.append("窗口结束时间：" + new Timestamp(timestamp - 1) + "\n");
for (int i = 0; i < this.n; i++) {
UrlViewCount UrlViewCount = urlViewCountArrayList.get(i);
String info = "No." + (i + 1) + " "
+ "url：" + UrlViewCount.url + " "
+ "浏览量：" + UrlViewCount.count + "\n";
result.append(info);
}
result.append("========================================\n");
out.collect(result.toString());
}
}
}
代码中，我们还利用了定时器的特性：针对同一 key、同一时间戳会进行去重。所以对于同一个窗口而言，我们接到统计结果数据后设定的 windowEnd + 1 的定时器都是一样的，最终只会触发一次计算。而对于不同的 key（这里 key 是 windowEnd），定时器和状态都是独立的，所以我们也不用担心不同窗口间数据的干扰。
我们在上面的代码中使用了后面要讲解的 ListState。这里可以先简单说明一下。我们先声明一个列表状态变量:
private ListState<Event> UrlViewCountListState;
然后在 open 方法中初始化了列表状态变量，我们初始化的时候使用了 ListStateDescriptor描述符，这个描述符用来告诉 Flink 列表状态变量的名字和类型。列表状态变量是单例，也就是说只会被实例化一次。这个列表状态变量的作用域是当前 key 所对应的逻辑分区。我们使用add 方法向列表状态变量中添加数据，使用 get 方法读取列表状态变量中的所有元素。
侧输出流（Side Output）
处理函数还有另外一个特有功能，就是将自定义的数据放入“侧输出流”（side output）输出。这个概念我们并不陌生，之前在讲到窗口处理迟到数据时，最后一招就是输出到侧输出流。而这种处理方式的本质，其实就是处理函数的侧输出流功能。
我们之前讲到的绝大多数转换算子，输出的都是单一流，流里的数据类型只能有一种。而侧输出流可以认为是“主流”上分叉出的“支流”，所以可以由一条流产生出多条流，而且这些流中的数据类型还可以不一样。利用这个功能可以很容易地实现“分流”操作。
具体应用时，只要在处理函数的.processElement()或者.onTimer()方法中，调用上下文的.output()方法就可以了。
DataStream<Integer> stream = env.addSource(...);
SingleOutputStreamOperator<Long> longStream = stream.process(new ProcessFunction<Integer, Long>() {
@Override
public void processElement( Integer value, Context ctx, Collector<Integer>
out) throws Exception {
// 转换成 Long，输出到主流中
out.collect(Long.valueOf(value));
// 转换成 String，输出到侧输出流中
ctx.output(outputTag, "side-output: " + String.valueOf(value));
}
});
这里 output()方法需要传入两个参数，第一个是一个“输出标签”OutputTag，用来标识侧输出流，一般会在外部统一声明；第二个就是要输出的数据。
我们可以在外部先将 OutputTag 声明出来：
OutputTag<String> outputTag = new OutputTag<String>("side-output") {};
如果想要获取这个侧输出流，可以基于处理之后的 DataStream 直接调用.getSideOutput()方法，传入对应的 OutputTag，这个方式与窗口 API 中获取侧输出流是完全一样的。
DataStream<String> stringStream = longStream.getSideOutput(outputTag);