【Flink】Flink 运行架构及 Flink 流处理 API

1、Flink 的运行时组件

Flink 运行时架构主要包括四个不同的组件，它们会在运行流处理应用程序时协同工作：作业管理器（JobManager）、资源管理器（ResourceManager）、任务管理器（TaskManager），以及分发器（Dispatcher）。因为 Flink 是用 Java 和 Scala 实现的，所以所有组件都会运行在Java 虚拟机上。每个组件的职责如下：

作业管理器（JobManager）

控制一个应用程序执行的主进程，也就是说，每个应用程序都会被一个不同的JobManager 所控制执行。JobManager 会先接收到要执行的应用程序，这个应用程序会包括：作业图（JobGraph）、逻辑数据流图（logical dataflow graph）和打包了所有的类、库和其它资源的 JAR 包。JobManager 会把 JobGraph 转换成一个物理层面的数据流图，这个图被叫做“执行图”（ExecutionGraph），包含了所有可以并发执行的任务。JobManager 会向资源管理器（ResourceManager）请求执行任务必要的资源，也就是任务管理器（TaskManager）上的插槽（slot）。一旦它获取到了足够的资源，就会将执行图分发到真正运行它们的TaskManager 上。而在运行过程中，JobManager 会负责所有需要*协调的操作，比如说检查点（checkpoints）的协调。

资源管理器（ResourceManager）

主要负责管理任务管理器（TaskManager）的插槽（slot），TaskManger 插槽是 Flink 中定义的处理资源单元。Flink 为不同的环境和资源管理工具提供了不同资源管理器，比如YARN、Mesos、K8s，以及 standalone 部署。当 JobManager 申请插槽资源时，ResourceManager 会将有空闲插槽的 TaskManager 分配给 JobManager。如果 ResourceManager 没有足够的插槽来满足 JobManager 的请求，它还可以向资源提供平台发起会话，以提供启动 TaskManager进程的容器。另外，ResourceManager 还负责终止空闲的 TaskManager，释放计算资源。

任务管理器（TaskManager）

Flink 中的工作进程。通常在 Flink 中会有多个 TaskManager 运行，每一个 TaskManager都包含了一定数量的插槽（slots）。插槽的数量限制了 TaskManager 能够执行的任务数量。启动之后，TaskManager 会向资源管理器注册它的插槽；收到资源管理器的指令后，TaskManager 就会将一个或者多个插槽提供给 JobManager 调用。JobManager 就可以向插槽分配任务（tasks）来执行了。在执行过程中，一个 TaskManager 可以跟其它运行同一应用程序的 TaskManager 交换数据。

分发器（Dispatcher）

可以跨作业运行，它为应用提交提供了 REST 接口。当一个应用被提交执行时，分发器就会启动并将应用移交给一个 JobManager。由于是 REST 接口，所以 Dispatcher 可以作为集群的一个 HTTP 接入点，这样就能够不受防火墙阻挡。Dispatcher 也会启动一个 Web UI，用来方便地展示和监控作业执行的信息。Dispatcher 在架构中可能并不是必需的，这取决于应用提交运行的方式。

2、Flink 任务提交流程

当一个应用提交执行时，Flink 的各个组件是如何交互协作的，如下图所示。

上图是从一个较为高层级的视角，来看应用中各组件的交互协作。如果部署的集群环境不同（例如 YARN，Mesos，Kubernetes，standalone 等），其中一些步骤可以被省略，或是有些组件会运行在同一个 JVM 进程中。
具体地，如果我们将 Flink 集群部署到 YARN 上，那么就会有如下的提交流程：

Flink 任务提交后，Client 向 HDFS 上传 Flink 的 Jar 包和配置，之后向 Yarn ResourceManager 提交任务，ResourceManager 分配 Container 资源并通知对应的 NodeManager 启动 ApplicationMaster，ApplicationMaster 启动后加载 Flink 的 Jar 包和配置构建环境，然后启动 JobManager，之后 ApplicationMaster 向 ResourceManager申请资源启动 TaskManager ， ResourceManager 分配 Container 资源后， 由 ApplicationMaster 通知资 源所在节点的 NodeManager 启动 TaskManager ，NodeManager 加载 Flink 的 Jar 包和配置构建环境并启动 TaskManager，TaskManager 启动后向 JobManager 发送心跳包，并等待 JobManager 向其分配任务。

3、Flink 任务调度原理

客户端不是运行时和程序执行的一部分， 但它用于准备并发送dataflow（JobGraph）给 Master（JobManager），然后客户端断开连接或者维持连接以等待接收计算结果。
当 Flink 集群启动后， 首先会启动一个 JobManger 和一个或多个的TaskManager。由 Client 提交任务给 JobManager，JobManager 再调度任务到各个 TaskManager 去执行，然后 TaskManager 将心跳和统计信息汇报给 JobManager。TaskManager 之间以流的形式进行数据的传输。上述三者均为独立的 JVM 进程。
Client 为提交 Job 的客户端，可以是运行在任何机器上（与 JobManager 环境连通即可）。提交 Job 后，Client 可以结束进程（Streaming 的任务），也可以不结束并等待结果返回。
JobManager 主要负责调度 Job 并协调 Task 做 checkpoint，职责上很像Storm 的 Nimbus。从 Client 处接收到 Job 和 JAR 包等资源后，会生成优化后的执行计划，并以 Task 的单元调度到各个 TaskManager 去执行。
TaskManager 在启动的时候就设置好了槽位数（Slot），每个 slot 能启动一个Task，Task 为线程。从 JobManager 处接收需要部署的 Task，部署启动后，与自己的上游建立 Netty 连接，接收数据并处理。

TaskManager 与 Slots

Flink 中每一个 worker(TaskManager)都是一个 JVM 进程，它可能会在独立的线程上执行一个或多个 subtask。为了控制一个 worker 能接收多少个task，worker 通过 task slot 来进行控制（一个 worker 至少有一个 task slot）。
每个 task slot 表示 TaskManager 拥有资源的 一个固定大小的子集。假如一个TaskManager 有三个 slot，那么它会将其管理的内存分成三份给各个 slot。资源 slot 化意味着一个 subtask 将不需要跟来自其他 job 的 subtask 竞争被管理的内存，取而代之的是它将拥有一定数量的内存储备。需要注意的是，这里不会涉及到 CPU 的隔离，slot 目前仅仅用来隔离 task 的受管理的内存。
通过调整 task slot 的数量，允许用户定义 subtask 之间如何互相隔离。如果一个 TaskManager 一个 slot，那将意味着每个 task group 运行在独立的 JVM 中（该 JVM 可能是通过一个特定的容器启动的），而一个TaskManager 多个 slot 意味着更多的 subtask 可以共享同一个 JVM。而在同一个 JVM 进程中的 task 将共享 TCP 连接（基于多路复用）和心跳消息。它们也可能共享数据集和数据结构，因此这减少了每个 task 的负载。

默认情况下，Flink 允许子任务共享 slot，即使它们是不同任务的子任务（前提是它们来自同一个 job）。 这样的结果是，一个 slot 可以保存作业的整个管道。
Task Slot 指是静态的概念，是指 TaskManager 具有的并发执行能力，可以通过参数 taskmanager.numberOfTaskSlots 进行配置；而 并行度 parallelism 是动态概念，即 TaskManager 运行程序时实际使用的并发能力，可以通过参数 parallelism.default进行配置。
也就是说，假设一共有 3 个 TaskManager，每一个 TaskManager 中的分配 3 个TaskSlot，也就是每个 TaskManager 可以接收 3 个 task，一共 9 个 TaskSlot，如果我们设置 parallelism.default=1，即运行程序默认的并行度为 1，9个 TaskSlot 只用了 1个，有 8 个空闲，因此，设置合适的并行度才能提高效率。

程序与数据流（DataFlow ）

所有的 Flink 程序都是由三部分组成的： Source 、Transformation 和 Sink。Source 负责读取数据源，Transformation 利用各种算子进行处理加工，Sink 负责输出。
在运行时，Flink 上运行的程序会被映射成“逻辑数据流”（dataflows），它包含了这三部分。个 每一个 dataflow 个 以一个或多个 sources 个 开始以一个或多个 sinks 结束。dataflow 类似于任意的有向无环图（DAG）。在大部分情况下，程序中的转换运算（transformations）跟 dataflow 中的算子（operator）是一一对应的关系，但有时候，一个 transformation 可能对应多个 operator。

执行图（ExecutionGraph ）

由 Flink 程序直接映射成的数据流图是 StreamGraph，也被称为逻辑流图，因为它们表示的是计算逻辑的高级视图。为了执行一个流处理程序，Flink 需要将逻辑流图转换为物理数据流图（也叫执行图），详细说明程序的执行方式。
Flink 中的执行图可以分成四层：StreamGraph -> JobGraph -> ExecutionGraph -> 物理执行图。
StreamGraph： 是根据用户通过 Stream API 编写的代码生成的最初的图。用来表示程序的拓扑结构。
JobGraph： StreamGraph 经过优化后生成了 JobGraph，提交给 JobManager 的数据结构。主要的优化为，将多个符合条件的节点 chain 在一起作为一个节点，这样可以减少数据在节点之间流动所需要的序列化/反序列化/传输消耗。
ExecutionGraph ： JobManager 根 据 JobGraph 生 成 ExecutionGraph 。ExecutionGraph 是 JobGraph 的并行化版本，是调度层最核心的数据结构。
物理执行图： JobManager 根据 ExecutionGraph 对 Job 进行调度后，在各个 TaskManager 上部署 Task 后形成的“图”，并不是一个具体的数据结构。

并行度 （Parallelism ）

Flink 程序的执行具有 并行、分布式的特性。
在执行过程中，一个流（stream）包含一个或多个分区（stream partition），而每一个算子（operator）可以包含一个或多个子任务（operator subtask），这些子任务在不同的线程、不同的物理机或不同的容器中彼此互不依赖地执行。
一个特定算子的（ 子任务（subtask）） 的个数被称之为其 并行度（parallelism）。一般情况下，一个流程序的并行度，可以认为就是其所有算子中最大的并行度。一个程序中，不同的算子可能具有不同的并行度。

Stream 在算子之间传输数据的形式可以是 one-to-one(forwarding)的模式也可以是 redistributing 的模式，具体是哪一种形式，取决于算子的种类。
One-to-one： stream（比如在 source 和 map operator 之间）维护着分区以及元素的顺序。那意味着 map 算子的子任务看到的元素的个数以及顺序跟 source 算子的子任务生产的元素的个数、顺序相同，map、fliter、flatMap 等算子都是 one-to-one 的对应关系。类似于 spark 中的窄依赖。
Redistributing： stream（map()跟 keyBy/window 之间或者keyBy/window 跟 sink之间）的分区会发生改变。每一个算子的子任务依据所选择的 transformation 发送数据到不同的目标任务。例如，keyBy() 基于 hashCode 重分区、broadcast 和 rebalance 会随机重新分区，这些算子都会引起 redistribute 过程，而 redistribute 过程就类似于Spark 中的 shuffle 过程。类似于 spark 中的宽依赖。

任务链（Operator Chains ）

Flink采用了一种称为任务链的优化技术，可以在特定条件下减少本地通信的开销。为了满足任务链的要求，必须将两个或多个算子设为相同的并行度，并通过本地转发（local forward）的方式进行连接。相同并行度的 one to one 操作，Flink 这样相连的算子链接在一起形成一个 task，原来的算子成为里面的一部分，即subtask。将算子链接成 task 是非常有效的优化：它能减少线程之间的切换和基于缓存区的数据交换，在减少时延的同时提升吞吐量。链接的行为可以在编程 API 中进行指定。并行度相同，并且是one-to-one操作，两个条件缺一不可。

4、Flink 流处理API

Environment

getExecutionEnvironment

创建一个执行环境，表示当前执行程序的上下文。 如果程序是独立调用的，则此方法返回本地执行环境；如果从命令行客户端调用程序以提交到集群，则此方法返回此集群的执行环境，也就是说，getExecutionEnvironment 会根据查询运行的方式决定返回什么样的运行环境，是最常用的一种创建执行环境的方式。

val env: ExecutionEnvironment = ExecutionEnvironment. getExecutionEnvironment
val env = StreamExecutionEnvironment. getExecutionEnvironment

如果没有设置并行度，会以 flink-conf.yaml 中的配置为准，默认是 1。

# The parallelism used for programs that did not specify and other parallelism.
parallelism.default: 1

createLocalEnvironment

返回本地执行环境，需要在调用时指定默认的并行度。

val env = StreamExecutionEnvironment.createLocalEnvironment(1)

createRemoteEnvironment

返回集群执行环境，将 Jar 提交到远程服务器。需要在调用时指定 JobManager的 IP 和端口号，并指定要在集群中运行的 Jar 包。

val  env  =  ExecutionEnvironment.createRemoteEnvironment("jobmanage-hostname", 6123,"YOURPATH//wordcount.jar")

Source

从集合读取数据

//  定义样例类，传感器id，时间戳，温度
case class SensorReading(id: String, timestamp: Long, temperature: Double)

object Sensor {
	def main(args: Array[String]): Unit = {
		val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
		val stream1 = env
			.fromCollection(List(
				SensorReading("sensor_1", 1547718199, 35.80018327300259),
				SensorReading("sensor_6", 1547718201, 15.402984393403084),
				SensorReading("sensor_7", 1547718202, 6.720945201171228),
				SensorReading("sensor_10", 1547718205, 38.101067604893444)
			))
		stream1.print("stream1:").setParallelism(1)
		env.execute()
	}
}

从文件读取数据

val stream2 = env.readTextFile("YOUR_FILE_PATH")

以 kafka 消息队列的数据作为来源

pom文件中需要引入 kafka 连接器的依赖：

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.flink/flink-connector-kafka-0.11 -->
<dependency>
	<groupId>org.apache.flink</groupId>
	<artifactId>flink-connector-kafka-0.11_2.11</artifactId>
	<version>1.7.2</version>
</dependency>

具体代码如下：

val properties = new Properties()
properties.setProperty("bootstrap.servers", "localhost:9092")
properties.setProperty("group.id", "consumer-group")
properties.setProperty("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer")
properties.setProperty("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer")
properties.setProperty("auto.offset.reset", "latest")
val stream3 = env.addSource(new FlinkKafkaConsumer011[String]("sensor", new SimpleStringSchema(), properties))

自定义 Source

除了以上的 source 数据来源，我们还可以自定义 source。需要做的，只是传入一个 SourceFunction 就可以。具体调用如下：

val stream4 = env.addSource(new MySensorSource())

我们希望可以随机生成传感器数据，MySensorSource 具体的代码实现如下：

class MySensorSource extends SourceFunction[SensorReading]{
	// flag:  表示数据源是否还在正常运行
	var running: Boolean = true
	
	override def cancel(): Unit = {
		running = false
	}
	
	override def run(ctx: SourceFunction.SourceContext[SensorReading]): Unit = {
		//  初始化一个随机数发生器
		val rand = new Random()
		var curTemp = 1.to(10).map(
			i => ( "sensor_" + i, 65 + rand.nextGaussian() * 20 )
		)
		while(running){
			//  更新温度值
			curTemp = curTemp.map(
				t => (t._1, t._2 + rand.nextGaussian() )
			)
			//  获取当前时间戳
			val curTime = System.currentTimeMillis()
			curTemp.foreach(
				t => ctx.collect(SensorReading(t._1, curTime, t._2))
			)
			Thread.sleep(100)
		}
	}
}

Transform 转换算子

map

val streamMap = stream.map { x => x * 2 }

flatMap

flatMap 的函数声明：def flatMap[A,B](as: List[A])(f: A ⇒ List[B]): List[B]
例如：flatMap(List(1,2,3))(i ⇒ List(i,i))，结果是List(1,1,2,2,3,3)。
而List("a b", "c d").flatMap(line ⇒ line.split(" "))，结果是List(a, b, c, d)。

val streamFlatMap = stream.flatMap{
	x => x.split(" ")
}

Filter

val streamFilter = stream.filter{
	x => x == 1
}

KeyBy

DataStream → KeyedStream：逻辑地将一个流拆分成不相交的分区，每个分区包含具有相同 key 的元素，在内部以 hash 的形式实现的。

滚动聚合算子（Rolling Aggregation ）

这些算子可以针对 KeyedStream 的每一个支流做聚合：

• sum()
• min()
• max()
• minBy()
• maxBy()

Reduce

KeyedStream → DataStream：一个分组数据流的聚合操作，合并当前的元素和上次聚合的结果，产生一个新的值，返回的流中包含每一次聚合的结果，而不是只返回最后一次聚合的最终结果。

val stream2 = env.readTextFile("YOUR_PATH\\sensor.txt")
		.map( data => {
			val dataArray = data.split(",")
			SensorReading(dataArray(0).trim, dataArray(1).trim.toLong, dataArray(2).trim.toDouble)
		})
		.keyBy("id")
		.reduce( (x, y) => SensorReading(x.id, x.timestamp + 1, y.temperature) )