Flink2.0学习笔记：Stream API 窗口

https://github.com/stevensu1/EC0720/tree/master/FLINKTASK-TEST-STREAM/demo

Apache Flink 是一个高性能、高吞吐、低延迟的分布式流处理框架 ，广泛用于实时数据处理。在流处理中，数据是无限、持续到达的，因此无法像批处理那样对"全部数据"进行计算。为此，Flink 引入了 窗口（Window）机制，将无限流数据划分为有限的"块"进行处理。

一、Flink 窗口的基本原理

1. 什么是窗口（Window）？

窗口是将无限流数据 按时间或数量等条件划分为有限的、可处理的数据块，然后对每个窗口内的数据进行聚合或计算。

✅ 举个例子：

想要"每5分钟统计一次网站的访问量"，就需要把持续不断的用户访问日志按5分钟划分成一个个"窗口"，然后在每个窗口内进行计数。

2. 窗口的核心组成

Flink 中的窗口机制由以下几部分构成：

组件	说明
Window Assigner	决定元素属于哪个窗口（如滚动窗口、滑动窗口等）
Trigger	触发器，决定何时计算窗口中的数据（如时间到达、元素数量满足等）
Evictor（可选）	在触发计算前，移除某些元素（较少使用）
Window Function	实际处理窗口中数据的函数（如 ReduceFunction、AggregateFunction、ProcessWindowFunction）

二、Flink 窗口类型

1. 按时间划分：Time Window

（1）滚动窗口（Tumbling Window）

固定长度，无重叠。
适用于周期性统计。

java 复制代码

        /**
         * 滚动窗口（Tumbling Window）
         * 固定长度，无重叠。
         * 适用于周期性统计。
         */
        stream.print().name("printer");
        // 将字符串映射为元组 (word, 1)，然后进行窗口聚合
        stream
                .map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Integer> map(String word) throws Exception {
                        return Tuple2.of(word, 1);
                    }
                })
                .name("map-to-tuple")
                .keyBy(tuple -> tuple.f0) // 按照元组的第一个元素（即单词）分组
                .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Duration.ofSeconds(5))) // 5秒的滚动窗口
                .sum(1) // 对元组的第二个字段（即计数）求和
                .map(new MapFunction<Tuple2<String, Integer>, String>() {
                    @Override
                    public String map(Tuple2<String, Integer> tuple) throws Exception {
                        // 获取当前时间并格式化为 hh:mm:ss
                        String currentTime = LocalDateTime.now()
                                .format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss"));
                        return String.format("[%s] %s: %d", currentTime, tuple.f0, tuple.f1);
                    }
                })
                .name("add-timestamp")
                .print("window-result")
                .name("window-aggregation");
    }

📊 示例：

（2）滑动窗口（Sliding Window）

固定长度，但可以重叠。
滑动步长 < 窗口长度。

java 复制代码

// 窗口长10秒，每5秒滑动一次
        // 窗口长10秒，每5秒滑动一次
        stream
                .map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Integer> map(String word) throws Exception {
                        return Tuple2.of(word, 1);
                    }
                })
                .name("map-to-sliding-tuple")
                .keyBy(tuple -> tuple.f0) // 按照元组的第一个元素（即单词）分组
                .window(SlidingProcessingTimeWindows.of(Duration.ofSeconds(10), Duration.ofSeconds(5))) // 5秒的滚动窗口
                .sum(1) // 对元组的第二个字段（即计数）求和
                .map(new MapFunction<Tuple2<String, Integer>, String>() {
                    @Override
                    public String map(Tuple2<String, Integer> tuple) throws Exception {
                        // 获取当前时间并格式化为 hh:mm:ss
                        String currentTime = LocalDateTime.now()
                                .format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss"));
                        return String.format("[%s] %s: %d", currentTime, tuple.f0, tuple.f1);
                    }
                })
                .name("add-timestamp")
                .print("window-result")
                .name("window-aggregation");

📊 示例：

（3）会话窗口（Session Window）

基于"活跃期"划分，当一段时间内无数据到达时，自动关闭窗口。
常用于用户行为分析（如一次会话）。

java 复制代码

        // 会话间隔为7秒
        stream
                .map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Integer> map(String word) throws Exception {
                        return Tuple2.of(word, 1);
                    }
                })
                .name("map-to-session")
                .keyBy(tuple -> tuple.f0) // 按照元组的第一个元素（即单词）分组
                .window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Duration.ofSeconds(7))) // 会话间隔为7秒
                .sum(1) // 对元组的第二个字段（即计数）求和
                .map(new MapFunction<Tuple2<String, Integer>, String>() {
                    @Override
                    public String map(Tuple2<String, Integer> tuple) throws Exception {
                        // 获取当前时间并格式化为 hh:mm:ss
                        String currentTime = LocalDateTime.now()
                                .format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss"));
                        return String.format("[%s] %s: %d", currentTime, tuple.f0, tuple.f1);
                    }
                })
                .name("add-timestamp")
                .print("window-result")
                .name("window-aggregation");

📊 示例：

用户操作密集 → 属于同一会话；超过7秒无操作 → 新会话开始。

2. 按元素数量划分：Count Window

（1）滚动计数窗口

每收集 N 个元素就触发一次计算。

java 复制代码

        // 会话间隔为7秒
        stream
                .map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Integer> map(String word) throws Exception {
                        return Tuple2.of(word, 1);
                    }
                })
                .name("map-to-countWindowAll")
                .keyBy(tuple -> tuple.f0) // 按照元组的第一个元素（即单词）分组
                .countWindowAll(10) // 每10条数据触发一次
                .sum(1) // 对元组的第二个字段（即计数）求和
                .map(new MapFunction<Tuple2<String, Integer>, String>() {
                    @Override
                    public String map(Tuple2<String, Integer> tuple) throws Exception {
                        // 获取当前时间并格式化为 hh:mm:ss
                        String currentTime = LocalDateTime.now()
                                .format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss"));
                        return String.format("[%s] %s: %d", currentTime, tuple.f0, tuple.f1);
                    }
                })
                .name("add-timestamp")
                .print("window-result")
                .name("window-aggregation");

（2）滑动计数窗口

窗口大小为 N，滑动步长为 S。

java 复制代码

    private static void test6(DataStream<String> stream) {
        stream.print().name("printer");
        // 会话间隔为7秒
        stream
                .map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Integer> map(String word) throws Exception {
                        return Tuple2.of(word, 1);
                    }
                })
                .name("map-to-countWindowAll")
                .keyBy(tuple -> tuple.f0) // 按照元组的第一个元素（即单词）分组
                .countWindowAll(10,5) // 窗口大小为 N，滑动步长为 S。
                .sum(1) // 对元组的第二个字段（即计数）求和
                .map(new MapFunction<Tuple2<String, Integer>, String>() {
                    @Override
                    public String map(Tuple2<String, Integer> tuple) throws Exception {
                        // 获取当前时间并格式化为 hh:mm:ss
                        String currentTime = LocalDateTime.now()
                                .format(DateTimeFormatter.ofPattern("HH:mm:ss"));
                        return String.format("[%s] %s: %d", currentTime, tuple.f0, tuple.f1);
                    }
                })
                .name("add-timestamp")
                .print("window-result")
                .name("window-aggregation");
    }

⚠️ 注意：Count Window 不支持事件时间（Event Time），仅支持处理时间（Processing Time）或摄入时间（Ingestion Time）。

3. 事件时间 vs 处理时间

时间语义	说明
Processing Time	以 Flink 系统处理时间为准，延迟低但可能不准确
Event Time	以数据本身携带的时间戳为准，支持乱序处理，更精确
Ingestion Time	数据进入 Flink 的时间，介于两者之间

✅ 推荐使用 Event Time ，结合 Watermark 处理乱序事件。

三、Watermark 与乱序处理

在事件时间窗口中，数据可能因网络延迟而乱序到达。Flink 使用 Watermark 机制来标记"时间进度"，表示"在此时间之前的数据已全部到达"。

java 复制代码

// 允许最大延迟10秒
stream
    .assignTimestampsAndWatermarks(
        WatermarkStrategy
            .<Event>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(10))
            .withTimestampAssigner((event, timestamp) -> event.getTimestamp())
    )
    .keyBy(event -> event.userId)
    .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.minutes(5)))
    .trigger(EventTimeTrigger.create())
    .sum("amount");

当 Watermark 超过窗口结束时间，窗口触发计算。
延迟超过 Watermark 的数据默认被丢弃，但可通过 Allowed Lateness 允许迟到数据：

java 复制代码

.window(...)
.allowedLateness(Time.minutes(1)) // 允许1分钟内迟到
.sideOutputLateData(lateOutputTag); // 将超时数据输出到侧输出流

四、窗口函数（Window Function）

1. 增量聚合函数

每来一条数据就进行聚合，内存友好。
如：ReduceFunction, AggregateFunction

java 复制代码

.aggregate(new AverageAggregate())

2. 全窗口函数（Full Window Function）

先缓存所有数据，窗口触发时再处理。
如：ProcessWindowFunction，可访问上下文信息（如窗口元数据）。

java 复制代码

.process(new ProcessWindowFunction<Integer, String, String, TimeWindow>() {
    public void process(String key, Context context, Iterable<Integer> input, Collector<String> out) {
        long windowStart = context.window().getStart();
        long windowEnd = context.window().getEnd();
        int sum = 0;
        for (Integer value : input) {
            sum += value;
        }
        out.collect("Window: [" + windowStart + ", " + windowEnd + ") Sum: " + sum);
    }
});

✅ 可结合增量聚合 + 全窗口函数：

使用 reduce() 或 aggregate() 预聚合，再用 ProcessWindowFunction 包装结果，既高效又灵活。

五、实际使用案例

✅ 案例1：实时统计每分钟订单金额（滚动事件时间窗口）

java 复制代码

// 数据源：订单流（orderId, amount, timestamp）
DataStream<Order> orderStream = env.addSource(new OrderSource());

orderStream
    .assignTimestampsAndWatermarks(
        WatermarkStrategy
            .<Order>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(5))
            .withTimestampAssigner((order, ts) -> order.getTimestamp())
    )
    .keyBy(order -> order.sellerId)
    .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.minutes(1)))
    .sum("amount")
    .print();

输出：每分钟每个商家的销售额。

✅ 案例2：滑动窗口检测异常登录（每10秒检查过去1分钟的登录次数）

java 复制代码

loginStream
    .keyBy(login -> login.userId)
    .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.minutes(1), Time.seconds(10)))
    .count()
    .filter(count -> count > 10)
    .map(count -> "User login too frequently: " + count)
    .addSink(new AlertSink());

用于实时风控：短时间内频繁登录 → 触发告警。

✅ 案例3：用户会话分析（Session Window）

java 复制代码

userActionStream
    .keyBy(action -> action.userId)
    .window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Time.minutes(5)))
    .aggregate(new SessionStatsAggregate())
    .print();

统计每个用户会话的：

会话时长

页面浏览数

最后一次操作时间

六、窗口常见问题与优化

问题	解决方案
数据延迟导致结果不准	使用 Watermark + Allowed Lateness
窗口内存占用高	使用增量聚合，避免全量缓存
窗口触发不及时	检查 Watermark 生成策略
大量小窗口导致性能差	合理设置窗口大小和滑动步长

七、总结

特性	说明
核心作用	将无限流划分为有限块进行计算
主要类型	滚动、滑动、会话、计数窗口
时间语义	推荐使用 Event Time + Watermark
适用场景	实时统计、监控、告警、用户行为分析等
优势	支持精确一次语义（Exactly-once）、低延迟、高吞吐

✅ Flink 窗口是流处理的灵魂，掌握其原理和使用方法，是构建实时数据系统的基石。结合业务场景选择合适的窗口类型和时间语义，才能实现准确、高效的实时计算。