第二章 Flink之基本架构

Flink基本架构

2.1 JobManager 与 TaskManager

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 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 事件驱动型(Event-driven)

　　事件驱动型应用是一类具有状态的应用，它从一个或多个事件流提取数据，并根据到来的事件触发计算、状态更新或其他外部动作。比较典型的就是以kafka为代表的消息队列几乎都是事件驱动型应用。

与之不同的就是SparkStreaming微批次，如图：

事件驱动型：

2.3 数据流编程模型

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 Flink 抽象级别

　　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（有界或无界流数据）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 以表为中心，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。

2.4 流与批的世界观

　　批处理的特点是有界、持久、大量，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。

　　流处理的特点是无界、实时, 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的世界观中，一切都是由批次组成的，离线数据是一个大批次，而实时数据是由一个一个无限的小批次组成的。

　　而在flink的世界观中，一切都是由流组成的，离线数据是有界限的流，实时数据是一个没有界限的流，这就是所谓的有界流和无界流。

Flink 用于处理有界和无界数据

　　无界数据流：无界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，必须连续处理无界流，也就是说必须在获取后立即处理 event。对于无界数据流我们无法等待所有数据都到达，因为输入是无界的，并且在任何时间点都不会完成。处理无界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，无界流的处理称为流处理。

　　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。

　　　　　　　　　　　　　　　　图 无界数据流与有界数据流

　　在无界数据流和有界数据流中我们提到了批处理和流处理，这是大数据处理系统中常见的两种数据处理方式。

　　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。流处理的特点是无界、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。

　　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无界的；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。

2.5 分层api

　　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（有界或无界流数据）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。

2.6 支持有状态计算

　　Flink在1.4版本中实现了状态管理，所谓状态管理就是在流失计算过程中将算子的中间结果保存在内存或者文件系统中，等下一个事件进入算子后可以让当前事件的值与历史值进行汇总累计。

2.7 支持exactly-once语义

　　在分布式系统中，组成系统的各个计算机是独立的。这些计算机有可能fail。

　　一个sender发送一条message到receiver。根据receiver出现fail时sender如何处理fail，可以将message delivery分为三种语义:

  At Most once: 对于一条message,receiver最多收到一次(0次或1次).

　　可以达成At Most Once的策略:

　　sender把message发送给receiver.无论receiver是否收到message,sender都不再重发message.

  At Least once: 对于一条message,receiver最少收到一次(1次及以上).

　　可以达成At Least Once的策略:

　　sender把message发送给receiver.当receiver在规定时间内没有回复ACK或回复了error信息,那么sender重发这条message给receiver,直到sender收到receiver的ACK.

  Exactly once:对于一条message,receiver确保只收到一次

2.8 支持事件时间（EventTime）

　　目前大多数框架时间窗口计算，都是采用当前系统时间，以时间为单位进行的聚合计算只能反应数据到达计算引擎的时间，而并不是实际业务时间