一、flink--架构、运行、调度原理

一、flink概述

1.1 流处理技术语义

At most once（最多一次）：每条数据记录最多被处理一次，潜台词也表明数据会有丢失（没被处理掉）的可能。

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At least once（最少一次）：每条数据记录至少被处理一次。这个比上一点强的地方在于这里至少保证数据不会丢，至少被处理过，唯一不足之处在于数据可能会被重复处理。

Exactly once（恰好一次）：每条数据记录正好被处理一次。没有数据丢失，也没有重复的数据处理。这一点是3个语义里要求最高的。

1.2 flink是什么

​ Flink主页在其顶部展示了该项目的理念：“Apache Flink是为分布式、高性能、随时可用以及准确的流处理应用程序打造的开源流处理框架”。Apache Flink是一个框架和分布式处理引擎，用于对***和有界数据流进行有状态计算。Flink被设计在所有常见的集群环境中运行，以内存执行速度和任意规模来执行计算。

1.3 flink基本框架

​ 批处理的特点是有界、持久、大量，批处理非常适合需要访问全套记录才能完成的计算工作，一般用于离线统计。流处理的特点是***、实时，流处理方式无需针对整个数据集执行操作，而是对通过系统传输的每个数据项执行操作，一般用于实时统计。
在Spark生态体系中，对于批处理和流处理采用了不同的技术框架，批处理由SparkSQL实现，流处理由Spark Streaming实现，这也是大部分框架采用的策略，使用独立的处理器实现批处理和流处理，而Flink可以同时实现批处理和流处理。
​ Flink是如何同时实现批处理与流处理的呢？答案是，Flink将批处理（即处理有限的静态数据）视作一种特殊的流处理。
​ Flink的核心计算架构是下图中的Flink Runtime执行引擎，它是一个分布式系统，能够接受数据流程序并在一台或多台机器上以容错方式执行。
​ Flink Runtime执行引擎可以作为YARN（Yet Another Resource Negotiator）的应用程序在集群上运行，也可以在Mesos集群上运行，还可以在单机上运行（这对于调试Flink应用程序来说非常有用）。

​ 图1.1 flink--基本架构

​ 上图为Flink技术栈的核心组成部分，值得一提的是，Flink分别提供了面向流式处理的接口（DataStream API）和面向批处理的接口（DataSet API）。因此，Flink既可以完成流处理，也可以完成批处理。Flink支持的拓展库涉及机器学习（FlinkML）、复杂事件处理（CEP）、以及图计算（Gelly），还有分别针对流处理和批处理的Table API。
​ 能被Flink Runtime执行引擎接受的程序很强大，但是这样的程序有着冗长的代码，编写起来也很费力，基于这个原因，Flink提供了封装在Runtime执行引擎之上的API，以帮助用户方便地生成流式计算程序。Flink 提供了用于流处理的DataStream API和用于批处理的DataSet API。值得注意的是，尽管Flink Runtime执行引擎是基于流处理的，但是DataSet API先于DataStream API被开发出来，这是因为工业界对无限流处理的需求在Flink诞生之初并不大。
​ DataStream API可以流畅地分析无限数据流，并且可以用Java或者Scala来实现。开发人员需要基于一个叫DataStream的数据结构来开发，这个数据结构用于表示永不停止的分布式数据流。
​ Flink的分布式特点体现在它能够在成百上千台机器上运行，它将大型的计算任务分成许多小的部分，每个机器执行一部分。Flink能够自动地确保发生机器故障或者其他错误时计算能够持续进行，或者在修复bug或进行版本升级后有计划地再执行一次。这种能力使得开发人员不需要担心运行失败。Flink本质上使用容错性数据流，这使得开发人员可以分析持续生成且永远不结束的数据（即流处理）。

1.4 无穷数据流和有限数据流

无穷数据集：无穷的持续集合的数据集合
有限数据集：有限不会改变的数据集合

常见的无穷数据集合有：
用户与客户端的实时交互数据
应用实时产生的日志
金融市场的实时交易记录

1.5 Flink和storm对比

1.6 flink特性

1、高吞吐和低延迟性

2、支持 Event Time 和乱序事件
Flink 支持了流处理和 Event Time 语义的窗口机制。
Event time 使得计算乱序到达的事件或可能延迟到达的事件更加简单。

3、状态计算的 exactly-once 语义
故障状态下，需要重启计算任务，这时候需要避免已经处理过的数据的重复处理。
流程序可以在计算过程中维护自定义状态。
Flink 的 checkpointing 机制保证了即时在故障发生下也能保障状态的 exactly once 语义。

4、高度灵活的流式窗口
Flink 支持在时间窗口，统计窗口，session 窗口，以及数据驱动的窗口
窗口可以通过灵活的触发条件来定制，以支持复杂的流计算模式。

5、带反压的连续流模型
数据流应用执行的是不间断的（常驻）operators。
Flink streaming 在运行时有着天然的流控：慢的数据 sink 节点会反压（backpressure）快的数据源（sources）。

6、容错性
Flink 的容错机制是基于 Chandy-Lamport distributed snapshots 来实现的。
这种机制是非常轻量级的，允许系统拥有高吞吐率的同时还能提供强一致性的保障。

7、Batch 和 Streaming 一个系统流处理和批处理共用一个引擎
Flink 为流处理和批处理应用公用一个通用的引擎。批处理应用可以以一种特殊的流处理应用高效地运行。

8、内存管理
Flink 在 JVM 中实现了自己的内存管理。
应用可以超出主内存的大小限制，并且承受更少的垃圾收集的开销。

9、迭代和增量迭代
Flink 具有迭代计算的专门支持（比如在机器学习和图计算中）。
增量迭代可以利用依赖计算来更快地收敛。

10、程序调优
批处理程序会自动地优化一些场景，比如避免一些昂贵的操作（如 shuffles 和 sorts），还有缓存一些中间数据。

1.7 flink应用场景

​ Apache Flink 功能强大，支持开发和运行多种不同种类的应用程序。它的主要特性包括：批流一体化、精密的状态管理、事件时间支持以及精确一次的状态一致性保障等。Flink 不仅可以运行在包括 YARN、 Mesos、Kubernetes 在内的多种资源管理框架上，还支持在裸机集群上独立部署。在启用高可用选项的情况下，它不存在单点失效问题。事实证明，Flink 已经可以扩展到数千核心，其状态可以达到 TB 级别，且仍能保持高吞吐、低延迟的特性。世界各地有很多要求严苛的流处理应用都运行在 Flink 之上。

1.7.1 事件驱动型应用

反欺诈
异常检测
基于规则的报警
业务流程监控
Web应用

1.7.2 数据分析应用

电信网路质量监控
移动应用中的产品更新及实验评估分析
大规模图分析

1.7.3 数据管道应用

电子商务中的实时查询索引构建
电子商务中的持续ETL

二、Flink基本架构

2.1 flink中的角色

Flink运行时包含了两种类型的处理器：
JobManager处理器：也称之为Master，用于协调分布式执行，它们用来调度task，协调检查点，协调失败时恢复等。Flink运行时至少存在一个master处理器，如果配置高可用模式则会存在多个master处理器，它们其中有一个是leader，而其他的都是standby。

TaskManager处理器：也称之为Worker，用于执行一个dataflow的task(或者特殊的subtask)、数据缓冲和data stream的交换，Flink运行时至少会存在一个worker处理器。

​ 图2.1 flink--JobManager与TaskManager

Master和Worker处理器可以直接在物理机上启动，或者通过像YARN这样的资源调度框架。Worker连接到Master，告知自身的可用性进而获得任务分配。

2.2 ***数据流与有界数据流

***数据流：
***数据流有一个开始但是没有结束，它们不会在生成时终止并提供数据，必须连续处理***流，也就是说必须在获取后立即处理event。对于***数据流我们无法等待所有数据都到达，因为输入是***的，并且在任何时间点都不会完成。处理***数据通常要求以特定顺序（例如事件发生的顺序）获取event，以便能够推断结果完整性。

有界数据流：
有界数据流有明确定义的开始和结束，可以在执行任何计算之前通过获取所有数据来处理有界流，处理有界流不需要有序获取，因为可以始终对有界数据集进行排序，有界流的处理也称为批处理。

​ Apache Flink是一个面向分布式数据流处理和批量数据处理的开源计算平台，它能够基于同一个Flink运行时(Flink Runtime)，提供支持流处理和批处理两种类型应用的功能。现有的开源计算方案，会把流处理和批处理作为两种不同的应用类型，因为它们要实现的目标是完全不相同的：流处理一般需要支持低延迟、Exactly-once保证，而批处理需要支持高吞吐、高效处理，所以在实现的时候通常是分别给出两套实现方法，或者通过一个独立的开源框架来实现其中每一种处理方案。例如，实现批处理的开源方案有MapReduce、Tez、Crunch、Spark，实现流处理的开源方案有Samza、Storm。
Flink在实现流处理和批处理时，与传统的一些方案完全不同，它从另一个视角看待流处理和批处理，将二者统一起来：Flink是完全支持流处理，也就是说作为流处理看待时输入数据流是***的；批处理被作为一种特殊的流处理，只是它的输入数据流被定义为有界的。基于同一个Flink运行时(Flink Runtime)，分别提供了流处理和批处理API，而这两种API也是实现上层面向流处理、批处理类型应用框架的基础。

2.3 flink数据流编程接口抽象

Flink提供了不同级别的抽象，以开发流或批处理作业，如下图所示：

​ 图2.3 flink编程接口抽象
​ 最底层级的抽象仅仅提供了有状态流，它将通过过程函数（Process Function）被嵌入到DataStream API中。底层过程函数（Process Function） 与 DataStream API 相集成，使其可以对某些特定的操作进行底层的抽象，它允许用户可以自由地处理来自一个或多个数据流的事件，并使用一致的容错的状态。除此之外，用户可以注册事件时间并处理时间回调，从而使程序可以处理复杂的计算。
​ 实际上，大多数应用并不需要上述的底层抽象，而是针对核心API（Core APIs） 进行编程，比如DataStream API（有界或***流数据）以及DataSet API（有界数据集）。这些API为数据处理提供了通用的构建模块，比如由用户定义的多种形式的转换（transformations），连接（joins），聚合（aggregations），窗口操作（windows）等等。DataSet API 为有界数据集提供了额外的支持，例如循环与迭代。这些API处理的数据类型以类（classes）的形式由各自的编程语言所表示。
​ Table API 是以表为中心的声明式编程，其中表可能会动态变化（在表达流数据时）。Table API遵循（扩展的）关系模型：表有二维数据结构（schema）（类似于关系数据库中的表），同时API提供可比较的操作，例如select、project、join、group-by、aggregate等。Table API程序声明式地定义了什么逻辑操作应该执行，而不是准确地确定这些操作代码的看上去如何 。 尽管Table API可以通过多种类型的用户自定义函数（UDF）进行扩展，其仍不如核心API更具表达能力，但是使用起来却更加简洁（代码量更少）。除此之外，Table API程序在执行之前会经过内置优化器进行优化。
你可以在表与 DataStream/DataSet 之间无缝切换，以允许程序将 Table API 与 DataStream 以及 DataSet 混合使用。
​ Flink提供的最高层级的抽象是 SQL 。这一层抽象在语法与表达能力上与 Table API 类似，但是是以SQL查询表达式的形式表现程序。SQL抽象与Table API交互密切，同时SQL查询可以直接在Table API定义的表上执行。

三、flink运行架构

3.1 提交任务到yarn的流程

flink在生产中，一般是使用yarn作为资源调度平台，比较少使用standalone的方式进行资源调度。所以这里以yarn为例，说明flink提交任务到yarn的流程。

​ 图3.1 flink--提交任务到yarn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。

3.2 任务调度组件

​ 图3.2 flink--任务调度
1、 Program Code：我们编写的 Flink 应用程序代码

2、 Job Client：Job Client 不是 Flink 程序执行的内部部分，但它是任务执行的起点。 Job Client 负责接受用户的程序代码，然后创建数据流，将数据流提交给 Job Manager 以便进一步执行。 执行完成后，Job Client 将结果返回给用户

3、 JobManager：主进程（也称为作业管理器）协调和管理程序的执行。 它的主要职责包括安排任务，管理checkpoint ，故障恢复等。机器集群中至少要有一个 master，master 负责调度 task，协调 checkpoints 和容灾，高可用设置的话可以有多个 master，但要保证一个是active, 其他是 standby; Job Manager 包含 Actor system(通信系统)、Scheduler（调度）、Check pointing 三个重要的组件

4、 Task Manager：从 Job Manager 处接收需要部署的 Task。Task Manager 是在 JVM 中的一个或多个线程中执行任务的工作节点。 任务执行的并行性由每个 Task Manager 上可用的任务槽（task slot）决定。 每个任务代表分配给任务槽的一组资源。 例如，如果 Task Manager 有四个插槽，那么它将为每个插槽分配 25％ 的内存。 可以在任务槽中运行一个或多个线程。 同一插槽中的线程共享相同的 JVM。 同一 JVM 中的任务共享 TCP 连接和心跳消息。Task Manager 的一个 Slot 代表一个可用线程，该线程具有固定的内存，注意 Slot 只对内存隔离，没有对 CPU 隔离。默认情况下，Flink 允许子任务共享 Slot，即使它们是不同 task 的 subtask，只要它们来自相同的 job。这种共享可以有更好的资源利用率。

3.3 TaskManager和slots原理

​ 每一个worker(TaskManager)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平均分成三份给各个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。

​ 图3.3 taskManager和slots
​ Task Slot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。实际上slots限制的限制了该taskmanager在整个集群中能够并行运行task的数目，而parallelism.default则是限制单个job能够使用slot的数量，但是允许多个job同时运行，所以实际上是对单个job的并发限制。

3.4 程序与数据流

​ Flink程序的基础构建模块是 流（streams） 与 转换（transformations）（需要注意的是，Flink的DataSet API所使用的DataSets其内部也是stream）。一个stream可以看成一个中间结果，而一个transformations是以一个或多个stream作为输入的某种operation，该operation利用这些stream进行计算从而产生一个或多个result stream。
​ 在运行时，Flink上运行的程序会被映射成streaming dataflows，它包含了streams和transformations operators。每一个dataflow以一个或多个sources开始以一个或多个sinks结束。dataflow类似于任意的有向无环图（DAG），当然特定形式的环可以通过iteration构建。在大部分情况下，程序中的transformations跟dataflow中的operator是一一对应的关系，但有时候，一个transformation可能对应多个operator。

​ 图3.4 程序与数据流

3.5 并行数据流（operator并行）

​ Flink程序的执行具有并行、分布式的特性。在执行过程中，一个 stream 包含一个或多个 stream partition ，而每一个 operator 包含一个或多个 operator subtask，这些operator subtasks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得执行。
​ 一个特定operator的subtask的个数被称之为其parallelism(并行度)。一个stream的并行度总是等同于其producing operator的并行度。一个程序中，不同的operator可能具有不同的并行度。

​ 图3.5 并行数据流
​ Stream在operator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operator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 operator的subtask看到的元素的个数以及顺序跟source operator的subtask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。不会改变分区的情况下，才能是该模式。
​ 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operator subtask依据所选择的transformation发送数据到不同的目标subtask。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。

3.6 task和operator chains

​ 出于分布式执行的目的，Flink将同一类operator的subtask链接在一起形成task，每个task在一个线程中执行。将operators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。这个task链的方式其实和spark中的划分stage，然后构建task链的方式是一模一样的，如果理解不了，可以看之前spark的文章。
下面这幅图，展示了5个subtask以5个并行的线程来执行：

​ 图3.6 flink--operator chains
看到上面的图，因为keyBy这个算子是会导致重分区的，那么以这里为界限，划分stage，然后前面的 source 和map可以独立构建task链，后面的keyBy、window另外构建task链。加上最后统一的sink操作，其实是5个task链，然后根据先后顺序运行。这个机制和spark的一样。