尚硅谷Flink(四)处理函数

目录

🦍处理函数

🐒基本处理函数

🐒按键分区处理函数(KeyedProcessFunction)

🐵定时器(Timer)和定时服务(TimerService)

[// 1、事件时间的案例](#// 1、事件时间的案例)

[// 2、处理时间的案例](#// 2、处理时间的案例)

[// 3、获取 process的 当前watermark](#// 3、获取 process的 当前watermark)

🐒侧输出流

🦍状态管理

🐒什么是状态

🐒按键分区状态

🐵值状态(ValueState)

🐵列表状态(ListState)

[🐵Map 状态(MapState)](#🐵Map 状态(MapState))

🐵归约状态(ReducingState)

🐵聚合状态(AggregatingState)

🐵状态生存时间(TTL)

🐒*算子状态

🐒状态后端

🐵状态后端的分类(HashMapStateBackend/RocksDB)

🐵如何选择正确的状态后端

🐵状态后端的配置

🦍容错机制

🐒检查点(Checkpoint)

🐵检查点的保存

🐵恢复状态

🐵检查点算法

🐵配置

🐵保存点

🐒状态一致性

[🐒端到端精确一次(End-To-End Exactly-Once)](#🐒端到端精确一次(End-To-End Exactly-Once))

🐵输入端保证

🐵输出端保证

🐵kafka

🦍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。

在 Flink 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)。

🐒基本处理函数

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。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。跟时间相关的操,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。

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。

Flink 提供了8 个不同的ProcessFunction:

(1)ProcessFunction

最基本的处理函数,基于DataStream 直接调用.process()时作为参数传入。

  • .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。
  • .onTimer()
  • 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。
  • 注意:在 Flink 中,只有"按键分区流"KeyedStream 才支持设置定时器的操作。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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,我们会在后续章节详细介绍。

(6)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。

(7)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。关于广播流的相关操作,我们会在后续章节详细介绍。

(8)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)

在上节中提到,只有在KeyedStream 中才支持使用TimerService 设置定时器的操作。所以一般情况下,我们都是先做了 keyBy 分区之后,再去定义处理操作;代码中更加常见的处理函数是KeyedProcessFunction。

🐵定时器(Timer)和定时服务(TimerService)

// 1、事件时间的案例

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


        SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
                .socketTextStream("localhost", 7777)
                .map(new MapFunction<String, WaterSensor>() {
                    @Override
                    public WaterSensor map(String value) throws Exception {
                        String[] split = value.split(",");
                        return new WaterSensor(split[0], Long.valueOf(split[1]), Integer.valueOf(split[2]));
                    }
                })
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );


        KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());

        // TODO Process:keyed
        SingleOutputStreamOperator<String> process = sensorKS.process(
                // key 输入类型 输出类型
                new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {
                    /**
                     * 来一条数据调用一次
                     * @param value
                     * @param ctx
                     * @param out
                     * @throws Exception
                     */
                    @Override
                    public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        //获取当前数据的key
                        String currentKey = ctx.getCurrentKey();

                        // TODO 1.定时器注册
                        TimerService timerService = ctx.timerService();

                        // 1、事件时间的案例
                        Long currentEventTime = ctx.timestamp(); // 数据中提取出来的事件时间
                        timerService.registerEventTimeTimer(5000L);
                        System.out.println("当前key=" + currentKey + ",当前时间=" + currentEventTime + ",注册了一个5s的定时器");

                    }


                    /**
                     * TODO 2.时间进展到定时器注册的时间,调用该方法
                     * @param timestamp 当前时间进展,就是定时器被触发时的时间
                     * @param ctx       上下文
                     * @param out       采集器
                     * @throws Exception
                     */
                    @Override
                    public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        super.onTimer(timestamp, ctx, out);
                        String currentKey = ctx.getCurrentKey();

                        System.out.println("key=" + currentKey + "现在时间是" + timestamp + "定时器触发");
                    }
                }
        );


        process.print();


        env.execute();
    }

☢在以上代码的输出中,我定义的定时器是5s,为什么时间戳到了9秒才开始触发定时器

在 Flink 中,定时器的触发是基于水印(Watermark)和事件时间的进展的。在你的代码中,你设置了一个事件时间的定时器,其触发时间是5秒。但触发时间是相对于事件时间的进展而言的,而不是绝对的时间点。

定时器的触发受到水印的影响。水印用于表示事件时间的进展,以告知 Flink 什么时候认为事件已经到达了一定的事件时间。水印通常由数据源或处理算子生成,用于控制事件时间进展,以便定时器能够在合适的时间触发。

在你的代码中,你使用了以下的水印策略:

java 复制代码
WatermarkStrategy
    .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
    .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)

// 2、处理时间的案例

java 复制代码
long currentTs = timerService.currentProcessingTime();
timerService.registerProcessingTimeTimer(currentTs + 5000L);
System.out.println("当前key=" + currentKey + ",当前时间=" + currentTs + ",注册了一个5s后后后后的定时器");

// 3、获取 process的 当前watermark

java 复制代码
long currentWatermark = timerService.currentWatermark();
System.out.println("当前数据=" + value + ",当前watermark=" + currentWatermark);

🐒侧输出流

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。

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。

java 复制代码
OutputTag<String> outputTag = new OutputTag<String>("side-output"){}; 
 
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)); 
    } 
}); 

🦍状态管理

🐒什么是状态

在Flink中,算子任务可以分为无状态和有状态两种情况。
无状态的算子任务只需要观察每个独立事件,根据当前输入的数据直接转换输出结果。我们之前讲到的基本转换算子,如map、filter、flatMap,计算时不依赖其他数据,就都属于无状态的算子。

有状态的算子任务,则除当前数据之外,还需要一些其他数据来得到计算结果。这里的"其他数据",就是所谓的状态(state)。我们之前讲到的算子中,聚合算子、窗口算子都属于有状态的算子。

状态有两种:托管状态(Managed State)和原始状态(Raw State)。

通常我们采用 Flink 托管状态来实现需求。

  • 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,我们只要调接口就可;
  • 而原始状态则是自定义的,相当于就是开辟了一块内存,需要我们自己管理,实现状态的序列化和故障恢复。

又可以将托管状态分为两类:算子状态和按键分区状态。

算子状态作用范围限定为当前的算子任务实例,也就是只对当前并行子任务实例有效。这就意味着对于一个并行子任务,占据了一个"分区",它所处理的所有数据都会访问到相同的状态,状态对于同一任务而言是共享的。

按键分区状态是根据输入流中定义的键(key )来维护和访问的,所以只能定义在按键分区流(KeyedStream)中,也就keyBy之后才可以使用。(每个并行度自己维护一个状态)

🐒按键分区状态

🐵值状态(ValueState)

顾名思义,状态中只保存一个"值"(value)。

在具体使用时,为了让运行时上下文清楚到底是哪个状态,我们还需要创建一个"状态描述器"(StateDescriptor)来提供状态的基本信息。例如源码中,ValueState 的状态描述器构造方法如下:

public ValueStateDescriptor(String name, Class<T> typeClass) {

super(name, typeClass, null);

}

java 复制代码
    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())
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );

        sensorDS.keyBy(r -> r.getId())
                .process(
                        new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {
                            // TODO 1.定义状态
                            ValueState<Integer> lastVcState;

                            @Override
                            public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                                super.open(parameters);
                                // TODO 2.在open 方法中,初始化状态
                                // 状态描述器两个参数:第一个参数,起个名字,不重复;第二个参数,存储的类型
                                        lastVcState = getRuntimeContext()
                                                .getState(new ValueStateDescriptor<Integer>("lastVcState", Types.INT));
                            }

                            @Override
                            public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                                // lastVcState.value();
                                // 取出 本组值状态 的数据
//                                lastVcState.update(); // 更新 本组值状态 的数据
//                                lastVcState.clear();  // 清除 本组值状态 的数据


                                // 1. 取出上一条数据的水位值(Integer 默认值是null,判断)
                                int lastVc = lastVcState.value() ==
                                        null ? 0 : lastVcState.value();
                                // 2. 求差值的绝对值,判断是否超过 10
                                Integer vc = value.getVc();
                                if (Math.abs(vc - lastVc) > 10) {
                                    out.collect("传感器=" + value.getId() + "==>当前水位值=" + vc + ",与上一条水位值=" + lastVc + ",相差超过10!!!!");
                                }
                                // 3. 更新状态里的水位值
                                lastVcState.update(vc);
                            }
                        }
                )
                .print();

        env.execute();
    }

🐵列表状态(ListState)

将需要保存的数据,以列表(List)的形式组织起来。在 ListState<T>接口中同样有一个类型参数T,表示列表中数据的类型。ListState 也提供了一系列的方法来操作状态,使用方式与一般的List 非常相似。

java 复制代码
    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())
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );

        sensorDS.keyBy(r -> r.getId())
                .process(
                        new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {
                            ListState<Integer> vcListState;

                            @Override
                            public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                                super.open(parameters);
                                vcListState =
                                        getRuntimeContext().getListState(new ListStateDescriptor<Integer>("vcListState", Types.INT));
                            }

                            @Override
                            public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                                // 1.来一条,存到list 状态里 
                                vcListState.add(value.getVc());
                                // 2.从list 状态拿出来(Iterable), 拷贝到一个List 中,排序, 只留 3 个最大的
                                Iterable<Integer> vcListIt = vcListState.get();
                                // 2.1 拷贝到List 中 
                                List<Integer> vcList = new ArrayList<>();
                                for (Integer vc : vcListIt) {
                                    vcList.add(vc);
                                }
                                // 2.2 对List 进行降序排序 
                                vcList.sort((o1, o2) -> o2 - o1);
                                // 2.3 只保留最大的 3 个(list 中的个数一定是连续变大,一超过 3 就立即清理即可)
                                if (vcList.size() > 3) {
                                    // 将最后一个元素清除(第 4 个) 
                                    vcList.remove(3);
                                }

                                out.collect("传感器id 为" + value.getId() + ",最大的3 个水位值=" + vcList.toString());

                                // 3.更新list 状态 
                                vcListState.update(vcList);


//                                vcListState.get();            //取出 list 状态 本组的数据,是一个Iterable
//                                vcListState.add();            //向 list 状态 本组 添加一个元素
//                                vcListState.addAll();         //向 list 状态 本组 添加多个元素
//                                vcListState.update();         //更新 list 状态 本组数据(覆盖)
//                                vcListState.clear();          //清空List 状态 本组数据
                            }
                        }
                )
                .print();

        env.execute();
    }

🐵Map 状态(MapState)

java 复制代码
package com.atguigu.state;

import com.atguigu.bean.WaterSensor;
import com.atguigu.functions.WaterSensorMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.state.ListState;
import org.apache.flink.api.common.state.ListStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.state.MapState;
import org.apache.flink.api.common.state.MapStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

import java.time.Duration;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Map;

/**
 * TODO 统计每种传感器每种水位值出现的次数
 *
 * @author cjp
 * @version 1.0
 */
public class KeyedMapStateDemo {
    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())
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );

        sensorDS.keyBy(r -> r.getId())
                .process(
                        new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

                            MapState<Integer, Integer> vcCountMapState;

                            @Override
                            public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                                super.open(parameters);
                                vcCountMapState = getRuntimeContext().getMapState(new MapStateDescriptor<Integer, Integer>("vcCountMapState", Types.INT, Types.INT));
                            }

                            @Override
                            public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                                // 1.判断是否存在vc对应的key
                                Integer vc = value.getVc();
                                if (vcCountMapState.contains(vc)) {
                                    // 1.1 如果包含这个vc的key,直接对value+1
                                    Integer count = vcCountMapState.get(vc);
                                    vcCountMapState.put(vc, ++count);
                                } else {
                                    // 1.2 如果不包含这个vc的key,初始化put进去
                                    vcCountMapState.put(vc, 1);
                                }

                                // 2.遍历Map状态,输出每个k-v的值
                                StringBuilder outStr = new StringBuilder();
                                outStr.append("======================================\n");
                                outStr.append("传感器id为" + value.getId() + "\n");
                                for (Map.Entry<Integer, Integer> vcCount : vcCountMapState.entries()) {
                                    outStr.append(vcCount.toString() + "\n");
                                }
                                outStr.append("======================================\n");

                                out.collect(outStr.toString());



//                                vcCountMapState.get();          // 对本组的Map状态,根据key,获取value
//                                vcCountMapState.contains();     // 对本组的Map状态,判断key是否存在
//                                vcCountMapState.put(, );        // 对本组的Map状态,添加一个 键值对
//                                vcCountMapState.putAll();  // 对本组的Map状态,添加多个 键值对
//                                vcCountMapState.entries();      // 对本组的Map状态,获取所有键值对
//                                vcCountMapState.keys();         // 对本组的Map状态,获取所有键
//                                vcCountMapState.values();       // 对本组的Map状态,获取所有值
//                                vcCountMapState.remove();   // 对本组的Map状态,根据指定key,移除键值对
//                                vcCountMapState.isEmpty();      // 对本组的Map状态,判断是否为空
//                                vcCountMapState.iterator();     // 对本组的Map状态,获取迭代器
//                                vcCountMapState.clear();        // 对本组的Map状态,清空
                            }
                        }
                )
                .print();

        env.execute();
    }
}

🐵归约状态(ReducingState)

java 复制代码
package com.atguigu.state;

import com.atguigu.bean.WaterSensor;
import com.atguigu.functions.WaterSensorMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.MapState;
import org.apache.flink.api.common.state.MapStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.state.ReducingState;
import org.apache.flink.api.common.state.ReducingStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

import java.time.Duration;
import java.util.Map;

/**
 * TODO 计算每种传感器的水位和
 *
 * @author cjp
 * @version 1.0
 */
public class KeyedReducingStateDemo {
    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())
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );

        sensorDS.keyBy(r -> r.getId())
                .process(
                        new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

                            ReducingState<Integer> vcSumReducingState;

                            @Override
                            public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                                super.open(parameters);
                                vcSumReducingState = getRuntimeContext()
                                        .getReducingState(
                                                new ReducingStateDescriptor<Integer>(
                                                        "vcSumReducingState",
                                                        new ReduceFunction<Integer>() {
                                                            @Override
                                                            public Integer reduce(Integer value1, Integer value2) throws Exception {
                                                                return value1 + value2;
                                                            }
                                                        },
                                                        Types.INT
                                                )
                                        );
                            }

                            @Override
                            public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                                // 来一条数据,添加到 reducing状态里
                                vcSumReducingState.add(value.getVc());
                                Integer vcSum = vcSumReducingState.get();
                                out.collect("传感器id为" + value.getId() + ",水位值总和=" + vcSum);


//                                vcSumReducingState.get();   // 对本组的Reducing状态,获取结果
//                                vcSumReducingState.add();   // 对本组的Reducing状态,添加数据
//                                vcSumReducingState.clear(); // 对本组的Reducing状态,清空数据
                            }
                        }
                )
                .print();

        env.execute();
    }
}

🐵聚合状态(AggregatingState)

与归约状态非常类似,聚合状态也是一个值,用来保存添加进来的所有数据的聚合结果。与 ReducingState 不同的是,它的聚合逻辑是由在描述器中传入一个更加一般化的聚合函数(AggregateFunction)来定义的;这也就是之前我们讲过的 AggregateFunction,里面通过一个累加器(Accumulator)来表示状态,所以聚合的状态类型可以跟添加进来的数据类型完全不同,使用更加灵活。

java 复制代码
package com.atguigu.state;

import com.atguigu.bean.WaterSensor;
import com.atguigu.functions.WaterSensorMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.AggregateFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.AggregatingState;
import org.apache.flink.api.common.state.AggregatingStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.state.ReducingState;
import org.apache.flink.api.common.state.ReducingStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

import java.time.Duration;

/**
 * TODO 计算每种传感器的平均水位
 *
 * @author cjp
 * @version 1.0
 */
public class KeyedAggregatingStateDemo {
    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())
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );

        sensorDS.keyBy(r -> r.getId())
                .process(
                        new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

                            AggregatingState<Integer, Double> vcAvgAggregatingState;

                            @Override
                            public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                                super.open(parameters);
                                vcAvgAggregatingState = getRuntimeContext()
                                        .getAggregatingState(
                                                new AggregatingStateDescriptor<Integer, Tuple2<Integer, Integer>, Double>(
                                                        "vcAvgAggregatingState",
                                                        new AggregateFunction<Integer, Tuple2<Integer, Integer>, Double>() {
                                                            @Override
                                                            public Tuple2<Integer, Integer> createAccumulator() {
                                                                return Tuple2.of(0, 0);
                                                            }

                                                            @Override
                                                            public Tuple2<Integer, Integer> add(Integer value, Tuple2<Integer, Integer> accumulator) {
                                                                return Tuple2.of(accumulator.f0 + value, accumulator.f1 + 1);
                                                            }

                                                            @Override
                                                            public Double getResult(Tuple2<Integer, Integer> accumulator) {
                                                                return accumulator.f0 * 1D / accumulator.f1;
                                                            }

                                                            @Override
                                                            public Tuple2<Integer, Integer> merge(Tuple2<Integer, Integer> a, Tuple2<Integer, Integer> b) {
//                                                                return Tuple2.of(a.f0 + b.f0, a.f1 + b.f1);
                                                                return null;
                                                            }
                                                        },
                                                        Types.TUPLE(Types.INT, Types.INT))
                                        );
                            }

                            @Override
                            public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                                // 将 水位值 添加到  聚合状态中
                                vcAvgAggregatingState.add(value.getVc());
                                // 从 聚合状态中 获取结果
                                Double vcAvg = vcAvgAggregatingState.get();

                                out.collect("传感器id为" + value.getId() + ",平均水位值=" + vcAvg);

//                                vcAvgAggregatingState.get();    // 对 本组的聚合状态 获取结果
//                                vcAvgAggregatingState.add();    // 对 本组的聚合状态 添加数据,会自动进行聚合
//                                vcAvgAggregatingState.clear();  // 对 本组的聚合状态 清空数据
                            }
                        }
                )
                .print();

        env.execute();
    }
}

🐵状态生存时间(TTL)

在实际应用中,很多状态会随着时间的推移逐渐增长,如果不加以限制,最终就会导致存储空间的耗尽。一个优化的思路是直接在代码中调用.clear()方法去清除状态,但是有时候我们的逻辑要求不能直接清除。这时就需要配置一个状态的"生存时间",当状态在内存中存在的时间超出这个值时,就将它清除。

状态的失效其实不需要立即删除,所以我们可以给状态附加一个属性,也就是状态的"失效时间"。状态创建的时候,设置 失效时间 = 当前时间 + TTL;之后如果有对状态的访和修改,我们可以再对失效时间进行更新;当设置的清除条件被触发时(比如,状态被访问的时候,或者每隔一段时间扫描一次失效状态),就可以判断状态是否失效、从而进行清除了。

StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig

.newBuilder(Time.seconds(10))

.setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)

.setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired)

.build();

ValueStateDescriptor<String> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("my state",String.class);

stateDescriptor.enableTimeToLive(ttlConfig);

⚫ .newBuilder()

状态TTL 配置的构造器方法,必须调用,返回一个Builder 之后再调用.build()方法就可以

得到 StateTtlConfig 了。方法需要传入一个 Time 作为参数,这就是设定的状态生存时间。

⚫ .setUpdateType()

设置更新类型。更新类型指定了什么时候更新状态失效时间,这里的 OnCreateAndWrite

表示只有创建状态和更改状态(写操作)时更新失效时间。另一种类型OnReadAndWrite则表示无论读写操作都会更新失效时间,也就是只要对状态进行了访问,就表明它是活跃的,从而延长生存时间。这个配置默认为OnCreateAndWrite。

⚫ .setStateVisibility()

设置状态的可见性。所谓的"状态可见性",是指因为清除操作并不是实时的,所以当状态过期之后还有可能继续存在,这时如果对它进行访问,能否正常读取到就是一个问题了。这里设置的 NeverReturnExpired 是默认行为,表示从不返回过期值,也就是只要过期就认为它已经被清除了,应用不能继续读取;这在处理会话或者隐私数据时比较重要。对应的另一种配置是ReturnExpireDefNotCleanedUp,就是如果过期状态还存在,就返回它的值。

java 复制代码
package com.atguigu.state;

import com.atguigu.bean.WaterSensor;
import com.atguigu.functions.WaterSensorMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.restartstrategy.RestartStrategies;
import org.apache.flink.api.common.state.StateTtlConfig;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.time.Time;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

import java.time.Duration;

/**
 * TODO
 *
 * @author cjp
 * @version 1.0
 */
public class StateTTLDemo {
    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())
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy
                                .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                                .withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L)
                );

        sensorDS.keyBy(r -> r.getId())
                .process(
                        new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {

                            ValueState<Integer> lastVcState;


                            @Override
                            public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                                super.open(parameters);

                                // TODO 1.创建 StateTtlConfig
                                StateTtlConfig stateTtlConfig = StateTtlConfig
                                        .newBuilder(Time.seconds(5)) // 过期时间5s
//                                        .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite) // 状态 创建和写入(更新) 更新 过期时间
                                        .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnReadAndWrite) // 状态 读取、创建和写入(更新) 更新 过期时间
                                        .setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired) // 不返回过期的状态值
                                        .build();

                                // TODO 2.状态描述器 启用 TTL
                                ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("lastVcState", Types.INT);
                                stateDescriptor.enableTimeToLive(stateTtlConfig);


                                this.lastVcState = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);

                            }

                            @Override
                            public void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                                // 先获取状态值,打印 ==》 读取状态
                                Integer lastVc = lastVcState.value();
                                out.collect("key=" + value.getId() + ",状态值=" + lastVc);

                                // 如果水位大于10,更新状态值 ===》 写入状态
                                if (value.getVc() > 10) {
                                    lastVcState.update(value.getVc());
                                }
                            }
                        }
                )
                .print();

        env.execute();
    }
}

🐒*算子状态

算子状态(Operator State)就是一个算子并行实例上定义的状态,作用范围被限定为当前算子任务。算子状态跟数据的 key 无关,所以不同 key 的数据只要被分发到同一个并行子任务,就会访问到同一个Operator State。

当算子的并行度发生变化时,算子状态也支持在并行的算子任务实例之间做重组分配。根据状态的类型不同,重组分配的方案也会不同。

算 子状 态也 支持 不同的 结构 类型 ,主 要有三 种:ListState、UnionListState 和BroadcastState。

🐒状态后端

在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。

🐵状态后端的分类(HashMapStateBackend/RocksDB)

Flink 中提供了两类不同的状态后端,一种是"哈希表状态后端"(HashMapStateBackend),另一种是"内嵌 RocksDB 状态后端"(EmbeddedRocksDBStateBackend)。系统默认的状态后端是HashMapStateBackend。

(1)哈希表状态后端(HashMapStateBackend)

HashMapStateBackend是把状态存放在内存里。具体实现上,哈希表状态后端在内部会直接把状态当作对象(objects),保存在Taskmanager 的JVM 堆上。普通的状态,以及窗口中收集的数据和触发器,都会以键值对的形式存储起来,所以底层是一个哈希表(HashMap),这种状态后端也因此得名。

2)内嵌RocksDB 状态后端(EmbeddedRocksDBStateBackend)

RocksDB 是一种内嵌的 key-value 存储介质,可以把数据持久化到本地硬盘。配置EmbeddedRocksDBStateBackend 后,会将处理中的数据全部放入 RocksDB 数据库中,RocksDB 默认存储在 TaskManager 的本地数据目录里。

RocksDB 的状态数据被存储为序列化的字节数组,读写操作需要序列化/反序列化,因此状态的访问性能要差一些。另外,因为做了序列化,key 的比较也会按照字节进行,而不是直接调用.hashCode()和.equals()方法。

EmbeddedRocksDBStateBackend 始终执行的是异步快照,所以不会因为保存检查点而阻塞数据的处理;而且它还提供了增量式保存检查点的机制,这在很多情况下可以大大提升保存效率。

🐵如何选择正确的状态后端

HashMap 和RocksDB 两种状态后端最大的区别,就在于本地状态存放在哪里。

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。

而 RocksDB 是硬盘存储,所以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。

🐵状态后端的配置

在不做配置的时候,应用程序使用的默认状态后端是由集群配置文件flink-conf.yaml中指定的,配置的键名称为 state.backend。这个默认配置对集群上运行的所有作业都有效,我们可以通过更改配置值来改变默认的状态后端。另外,我们还可以在代码中为当前作业单独配置状态后端,这个配置会覆盖掉集群配置文件的默认值。

(1)配置默认的状态后端

在 flink-conf.yaml 中,可以使用state.backend 来配置默认状态后端。

  • 配置项的可能值为 hashmap,这样配置的就是 HashMapStateBackend;
  • 如果配置项的值是rocksdb,这样配置的就是EmbeddedRocksDBStateBackend。

默认状态后端

state.backend: hashmap

存放检查点的文件路径

state.checkpoints.dir: hdfs://hadoop102:8020/flink/checkpoints

(2)为每个作业(Per-job/Application)单独配置状态后端

通过执行环境设置,HashMapStateBackend。

env.setStateBackend(new HashMapStateBackend());

env.setStateBackend(new EmbeddedRocksDBStateBackend());
需要注意,如果想在IDE 中使用EmbeddedRocksDBStateBackend,需要为Flink 项目添加

依赖:

<dependency>

<groupId>org.apache.flink</groupId>

<artifactId>flink-statebackend-rocksdb</artifactId>

<version>${flink.version}</version>

</dependency>

🦍容错机制

在 Flink 中,有一套完整的容错机制来保证故障后的恢复,其中最重要的就是检查点。

🐒检查点(Checkpoint)

在流处理中,我们可以用存档读档的思路,就是将之前某个时间点所有的状态保存下来,这份"存档"就是所谓的"检查点"(checkpoint)。

所谓的"检查",其实是针对故障恢复的结果而言的:故障恢复之后继续处理的结果,应该与发生故障前完全一致,我们需要"检查"结果的正确性。所以,有时又会把checkpoint叫做"一致性检查点

🐵检查点的保存

1)周期性的触发保存

"随时存档"确实恢复起来方便,可是需要我们不停地做存档操作。如果每处理一条数据就进行检查点的保存,当大量数据同时到来时,就会耗费很多资源来频繁做检查点,数据处理的速度就会受到影响。所以在Flink 中,检查点的保存是周期性触发的,间隔时间可以进行设置。

2)保存的时间点

我们应该在所有任务(算子)都恰好处理完一个相同的输入数据的时候,将它们的状态保存下来。

如果出现故障,我们恢复到之前保存的状态,故障时正在处理的所有数据都需要重新处理;我们只需要让源(source)任务向数据源重新提交偏移量、请求重放数据就可以了。当然这需要源任务可以把偏移量作为算子状态保存下来,而且外部数据源能够重置偏移量;kafka 就是满足这些要求的一个最好的例子。

3)保存的具体流程

检查点的保存,最关键的就是要等所有任务将"同一个数据"处理完毕。

🐵恢复状态

🐵检查点算法

采用了基于 Chandy-Lamport 算法的分布式快照,可以在不暂停整体流处理的前提下,将状态备份保存到检查点

检查点分界线(Barrier)

借鉴水位线的设计,在数据流中插入一个特殊的数据结构,专门用来表示触发检查点保存的时间点。收到保存检查点的指令后,Source 任务可以在当前数据流中插入这个结构;之后的所有任务只要遇到它就开始对状态做持久化快照保存。由于数据流是保持顺序依次处理的,因此遇到这个标识就代表之前的数据都处理完了,可以保存一个检查点;而在它之后的数据,引起的状态改变就不会体现在这个检查点中,而需要保存到下一个检查点。 这种特殊的数据形式,把一条流上的数据按照不同的检查点分隔开,所以就叫做检查点的"分界线"(Checkpoint Barrier)。

在JobManager中有一个"检查点协调器",专门用来协调处理检查点的相关工作。检查点协调器会定期向TaskManager发出指令,要求保存检查点(带着检查点ID);TaskManager会让所有的Source任务把自己的偏移量(算子状态)保存起来,并将带有检查点ID的分界线插入到当前的数据流中,然后像正常的数据一样像下游传递;之后Source任务就可以继续读入新的数据了。

分布式快照算法(Barrier 对齐的精准一次)

分布式快照算法(Barrier 对齐的至少一次)

分布式快照算法(非 Barrier 对齐的精准一次)

🐵配置

检查点的作用是为了故障恢复,我们不能因为保存检查点占据了大量时间、导致数据处理性能明显降低。为了兼顾容错性和处理性能,我们可以在代码中对检查点进行各种配置

默认情况下,Flink 程序是禁用检查点的。如果想要为 Flink 应用开启自动保存快照的功能,需要在代码中显式地调用执行环境的.enableCheckpointing()方法:

env.enableCheckpointing(1000); // 每隔1 秒启动一次检查点保存

默认情况下,检查点存储在JobManager 的堆内存中。而对于大状态的持久化保存,Flink 也提供了在其他存储位置进行保存的接口。

具体可以通过调用检查点配置的.setCheckpointStorage()来配置,需要传入一个CheckpointStorage 的实现类。Flink 主要提供了两种 CheckpointStorage:作业管理器的堆内存和文件系统。

// 配置存储检查点到 JobManager 堆内存

env.getCheckpointConfig().setCheckpointStorage(new JobManagerCheckpointStorage());

// 配置存储检查点到文件系统

env.getCheckpointConfig().setCheckpointStorage(new FileSystemCheckpointStorage("hdfs://namenode:40010/flink/checkpoint

s"));

不同于产生一个包含所有数据的全量备份,增量快照中只包含自上一次快照完成之后被修改的记录,因此可以显著减少快照完成的耗时。 (*目前标记为实验性功能)

EmbeddedRocksDBStateBackend backend = new EmbeddedRocksDBStateBackend(true);

如果数据源是有界的,就可能出现部分 Task 已经处理完所有数据,变成 finished 状态,不继续工作。从 Flink 1.14 开始,这些 finished 状态的Task,也可以继续执行检查点。自 1.15 起默认启用此功能,并且可以通过功能标志禁用它:

Configuration config = new Configuration();

config.set(ExecutionCheckpointingOptions.ENABLE_CHECKPOINTS_AFTER_TASKS_FINISH, false);

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(config);

🐵保存点

除了检查点外,Flink 还提供了另一个非常独特的镜像保存功能------保存点(savepoint)。

从名称就可以看出,这也是一个存盘的备份,它的原理和算法与检查点完全相同,只是多了一些额外的元数据

而保存点不会自动创建,必须由用户明确地手动触发保存操作,所以就是"手动存盘"。

需要注意的是,保存点能够在程序更改的时候依然兼容,前提是状态的拓扑结构和数据类型不变。我们知道保存点中状态都是以算子 ID-状态名称这样的 key-value 组织起来的,算子 ID 可以在代码中直接调用 SingleOutputStreamOperator 的.uid()方法来进行指定:

DataStream<String> stream = env

.addSource(new StatefulSource()).uid("source-id")

.map(new StatefulMapper()).uid("mapper-id")

.print();

对于没有设置 ID 的算子,Flink 默认会自动进行设置,所以在重新启动应用后可能会导致 ID 不同而无法兼容以前的状态。所以为了方便后续的维护,强烈建议在程序中为每一个算子手动指定ID。

要在命令行中为运行的作业创建一个保存点镜像,只需要执行:

bin/flink savepoint :jobId [:targetDirectory]

这里 jobId 需要填充要做镜像保存的作业 ID,目标路径 targetDirectory 可选,表示保存点存储的路径。

除了对运行的作业创建保存点,我们也可以在停掉一个作业时直接创建保存点:

bin/flink stop --savepointPath [:targetDirectory] :jobId

对于保存点的默认路径,可以通过配置文件 flink-conf.yaml 中的 state.savepoints.dir 项来设定:

state.savepoints.dir: hdfs:///flink/savepoints

现在要从保存点重启

bin/flink run -s :savepointPath [:runArgs]

🐒状态一致性

一致性其实就是结果的正确性,一般从数据丢失、数据重复来评估。

一般说来,状态一致性有三种级别:

⚫ 最多一次(At-Most-Once)

⚫ 至少一次(At-Least-Once)

⚫ 精确一次(Exactly-Once)

所以完整的流处理应用,应该包括了数据源、流处理器和外部存储系统三个部分。

这个完整应用的一致性,就叫做"端到端(end-to-end)的状态一致性",它取决于三个组件中最弱的那一环。

🐒端到端精确一次(End-To-End Exactly-Once)

端到端一致性的关键点,就在于输入的数据源端和输出的外部存储端。

🐵输入端保证

输入端主要指的就是Flink 读取的外部数据源。对于一些数据源来说,并不提供数据的缓冲或是持久化保存,数据被消费之后就彻底不存在了,例如 socket 文本流。对于这样的数据源,故障后我们即使通过检查点恢复之前的状态,可保存检查点之后到发生故障期间的数据已不能重发了,这就会导致数据丢失。所以就只能保证at-most-once的一致性语义,相当于没有保证。

常见的做法就对数据进行持久化保存,并且可以重设数据的读取位置。一个最经典的应用就是 Kafka。

🐵输出端保证

有了 Flink 的检查点机制,以及可重放数据的外部数据源,我们已经能做到 at-least-once了。但是想要实现 exactly-once 却有更大的困难:数据有可能重复写入外部系统。

幂等(Idempotent)写入

所谓"幂等"操作,就是说一个操作可以重复执行很多次,但只导致一次结果更改。也就是说,后面再重复执行就不会对结果起作用了。

事务(Transactional)写入

如果说幂等写入对应用场景限制太多,那么事务写入可以说是更一般化的保证一致性的方式。

输出端最大的问题,就是写入到外部系统的数据难以撤回。而利用事务就可以实现对已写入数据的撤回。

(1)预写日志(write-ahead-log,WAL)

(2)两阶段提交(two-phase-commit,2PC)

🐵kafka

也就是说,我们写入 Kafka 的过程实际上是一个两段式的提交:处理完毕得到结果,写入 Kafka 时是基于事务的"预提交";等到检查点保存完毕,才会提交事务进行"正式提交"。

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