【Flink】DataStream API：UDF和物理分区算子

目录

• 用户自定义函数（UDF）
• • 函数类
  • 富函数类
• 物理分区算子
• • 随机分区
  • 轮询分区
  • 重缩放分区（rescale）
  • 广播（broadcast）
  • 全局分区（global）
  • 自定义分区

用户自定义函数（UDF）

用户自定义函数（user-defined function，UDF），即用户可以根据自身需求，重新实现算子的逻辑。

用户自定义函数分为：函数类、匿名函数、富函数类

函数类

Flink暴露了所有UDF函数的接口，具体实现方式为接口或者抽象类，例如MapFunction、FilterFunction、ReduceFunction等。所以用户可以自定义一个函数类，实现对应的接口。

需求：用来从用户的点击数据中筛选包含"sensor_1"的内容：

方式一：实现FilterFunction接口

package udf;

import env.WaterSensor;
import org.apache.flink.api.common.functions.FilterFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

public class TransFunctionUDF {

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

        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        DataStreamSource<WaterSensor> source = env.fromElements(
                new WaterSensor("sensor_1", 1L, 1),
                new WaterSensor("sensor_1", 2L, 2),
                new WaterSensor("sensor_2", 2L, 2),
                new WaterSensor("sensor_3", 3L, 3)
        );

        SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> filter = source.filter(new UserFilter());
        filter.print();
        env.execute();

    }

    public static class UserFilter implements FilterFunction<WaterSensor>{

        @Override
        public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception {
            return "sensor_1".equals(value.id);
        }
    }
}

富函数类

"富函数类"也是DataStream API提供的一个函数类的接口，所有的Flink函数类都有其Rich版本。富函数类一般是以抽象类的形式出现的。例如：RichMapFunction、RichFilterFunction、RichReduceFunction等。

与常规函数类的不同主要在于，富函数类可以获取运行环境的上下文，并拥有一些生命周期方法，所以可以实现更复杂的功能。

Rich Function有生命周期的概念。典型的生命周期方法有：

1. open()方法，是Rich
   Function的初始化方法，也就是会开启一个算子的生命周期。当一个算子的实际工作方法例如map()或者filter()方法被调用之前，open()会首先被调用。
2. close()方法，是生命周期中的最后一个调用的方法，类似于结束方法。一般用来做一些清理工作。
   需要注意的是，这里的生命周期方法，对于一个并行子任务来说只会调用一次；而对应的，实际工作方法，例如RichMapFunction中的map()，在每条数据到来后都会触发一次调用。

package transform;

import org.apache.flink.api.common.functions.RichMapFunction;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

public class RichFunctionDemo {

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

        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        env.setParallelism(2);

        DataStreamSource<Integer> source = env.fromElements(1, 2, 3, 4);

        SingleOutputStreamOperator<Integer> map = source.map(new RichMapFunction<Integer, Integer>() {
            @Override
            public Integer map(Integer value) {
                return value + 10;
            }

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

                super.open(parameters);
                System.out.println("当前子任务运行编号是："+getRuntimeContext().getIndexOfThisSubtask()+" "+"当前子任务名称是：" +getRuntimeContext().getTaskNameWithSubtasks()+" open");

            }

            @Override
            public void close() throws Exception {
                super.close();
                System.out.println("当前子任务运行编号是："+getRuntimeContext().getIndexOfThisSubtask()+" "+"当前子任务名称是：" +getRuntimeContext().getTaskNameWithSubtasks()+" close");

            }
        });
        map.print();
        env.execute();
    }
}

RichXXXFunction：富函数

多了生命周期管理方法：

open()：每个子任务在启动时，调用一次
close()：每个子任务在结束时，调用一次
如果是flink程序异常挂掉，不会调用close
如果是正常调用cancel命令，可以close

多了一个运行时上下文

可以获取一些运行时的环境信息，比如，子任务编号、名称等

物理分区算子

常见的物理分区策略有：随机分配（Random）、轮询分配（Round-Robin），重缩放（Rescale）和广播（Broadcast）

随机分区

最简单的重分区方式就是直接"洗牌"。通过调用DataStream的.shuffle()方法，将数据随机地分配到下游算子的并行任务中去。

随机分区服从均匀分布（uniform distribution），所以可以把流中的数据随机打乱，均匀地传递到下游任务分区。因为是完全随机的，所以对于同样的输入数据, 每次执行得到的结果也不会相同。

经过随机分区之后，得到的依然是一个DataStream。

我们可以做个简单测试：将数据读入之后直接打印到控制台，将输出的并行度设置为2，中间经历一次shuffle。执行多次，观察结果是否相同。

package partition;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
public class PartitionDemo {

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

        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        env.setParallelism(2);

        DataStreamSource<String> source = env.socketTextStream("master", 7777);

        source.shuffle().print();

        env.execute();
    }
}

轮询分区

轮询，简单来说就是"发牌"，按照先后顺序将数据做依次分发。通过调用DataStream的.rebalance()方法，就可以实现轮询重分区。rebalance使用的是Round-Robin负载均衡算法，可以将输入流数据平均分配到下游的并行任务中去。

重缩放分区（rescale）

重缩放分区和轮询分区非常相似。当调用rescale()方法时，其实底层也是使用Round-Robin算法进行轮询，但是只会将数据轮询发送到下游并行任务的一部分中。rescale的做法是分成小团体，发牌人只给自己团体内的所有人轮流发牌。

stream.rescale()

广播（broadcast）

发送给下游所有的子任务

这种方式其实不应该叫做"重分区"，因为经过广播之后，数据会在不同的分区都保留一份，可能进行重复处理。可以通过调用DataStream的broadcast()方法，将输入数据复制并发送到下游算子的所有并行任务中去。

stream.broadcast()

全局分区（global）

全局分区也是一种特殊的分区方式。这种做法非常极端，通过调用.global()方法，会将所有的输入流数据都发送到下游算子的第一个并行子任务中去。这就相当于强行让下游任务并行度变成了1，所以使用这个操作需要非常谨慎，可能对程序造成很大的压力。

stream.global()

自定义分区

当Flink提供的所有分区策略都不能满足用户的需求时，我们可以通过使用partitionCustom()方法来自定义分区策略。

1）自定义分区器

public class MyPartitioner implements Partitioner<String> {

    @Override
    public int partition(String key, int numPartitions) {
        return Integer.parseInt(key) % numPartitions;
    }
}

使用自定义分区

package partition;

import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

public class MyPartitionDemo {

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

        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        env.setParallelism(2);


        DataStreamSource<String> source = env.socketTextStream("master", 7777);

        source.partitionCustom(new MyPartitioner(),a -> a ).print();


        env.execute();


    }
}

keyby：按指定key去发送，相同key发往同一个子任务

one-to-one：Forward分区器

总结：Flink提供了7种分区器 + 1种自定义