从 demo 到生产 - 手把手写出实战需求的 Flink窗口处理程序

我们知道因为通常流是无限的（无界的），所以在流上的工作方式与批处理不同，使用相同的方式对流中的所有元素进行计数是不可能的。

但是很多时候又需要使用聚合事件(比如计数、求和)统计流上的数据，这个时候的聚合就用到了 window，因为需要由 window 来划定范围，比如 "计算过去的5分钟" ， "统计最后100个元素的和" 等等。

window 窗口操作是一种可以把无限数据切割为有限数据块的手段。本文就用实际中的经典场景来看看 Flink 中窗口操作的编程套路。

本文结构如下：

1 窗口中重要的概念

Time 分类

EventTime 事件时间
Ingestion Time 事件进入 Flink 的时间
Processing Time 事件被处理时当前系统的时间

spark Streaming 用的的是Processing Time （Spark Streaming 不支持 EventTime ），使用处理时间是不准确的，因为当由延迟的数据涌入时导致数据量不准确。

实际中更多的情况下使用的是事件时间 EventTime，后面的案例也都是基于 Flink EventTime 进行总结的。

Watermark （水位)

Watermark 也就是常说的水位机制目的是处理乱序的数据。

窗口操作需要水位的原因：

在流式处理时间中，从事件产生，到流经source，再到 oprator ，中间是需要时间的。虽然在大部分情况下，流到 operator 的数据都是按事件产生的时间顺序来的，但是依然不排除由于网络延迟等原因导致乱序的产生，特别是在使用 kafka 的情况下，多个分区数据无法保证有序。

而在 window 计算的时候，我们又不会无限期的等下去，必须要有个机制来保证一个特定的时间后，必须要触发 window 计算，这个特别的机制就是 watermark。

窗口类型

window 分类：

tumbling windows 滚动窗口没有重叠
sliding windows 滑动窗口有重叠
session windows 会话窗口
global windows 没有窗口，自定义窗口

timeWindow ：与时间强相关，可能是 session windows ，tumbling windows， sliding windows 。

countWindow ：与数量有关，可能是 tumbling windows ，sliding windows。

小提示：countWindow(3,2) 的意思是每隔 2 条元素统计最新 3 条数据。

常用的函数

window 操作中常用的增量聚合函数，意思是 来一条数据处理一条。

常用的聚合算子有：

reduce(function)
aggregate(function)
sum() ，max() ，min()

window 全量聚合函数，意思是等属于窗口的数据到齐了才开始进行聚合计算（可以实现对窗口内的数据进行排序等需求）

apply(function)
process(function)
processWindowFunction 比 windowFunction 多提供了上下文信息，类似 map 与 richMap 的关系。

触发器和驱逐器

触发器用来触发程序的运行；驱逐器用来驱逐淘汰数据。

触发器 Trigger 返回值说明：

TriggerResult.CONTINUE：表示啥都不做；
TriggerResult.FIRE：表示触发计算，同时保留窗口中的数据；
TriggerResult.PURGE：简单地删除窗口的内容，并保留关于窗口和任何触发器状态的任何潜在元信息；
TriggerResult.FIRE_AND_PURGE：触发计算，然后清除窗口中的元素。（默认情况下，预先实现的触发器只触发而不清除窗口状态。）

2 窗口编程的套路

这部分选取了3种比较经典的场景进行编程套路的总结，分别是求热门 TopN ，黑名单，统计日(月、年)总量三种场景，在步骤套路上是类似的，只有些许的区别。

求 topN 场景

需求：每 5 秒统计近10分钟的前三个热门页面

样例数据：

ip	userId	eventTime	method	url
83.149.9.123	-	17/05/2020:10:05:03 +0000	GET	presentations/logstash-kafkamonitor-2020/images/kibana-search.png

需求步骤总结：

1 获取数据

//数据格式 模拟kafka 中的消费数据
// 83.149.9.123 - - 17/05/2020:10:05:03 +0000 GET /presentations/logstash-kafkamonitor-2020/images/kibana-search.png
        DataStreamSource<String> readTextFileSource = env.readTextFile(".\\data\\data2.log");

2 解析数据

//将日志数据转成自定义的 MyApacheLogEvent 对象 方便后续处理
SingleOutputStreamOperator<MyApacheLogEvent> mapResult = readTextFileSource.map(new MyParseLogFunction());

3 添加水位

 //添加水位 是为了处理延迟过来的数据 ，并且这一步是固定模式 ，可以直接复用
  SingleOutputStreamOperator<MyApacheLogEvent> watermarkResult = mapResult.assignTimestampsAndWatermarks(
                WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyPeriodWatermarkGenerator())//指定水位计算方式，单位毫秒
                        .withTimestampAssigner((context -> new MyTimeStampExtactor()))//指定时间字段，单位毫秒
        );

4 根据业务分组

// 这里需求用到日志中最后的字段 url 统计热门页面 以 url 分组
 KeyedStream<MyApacheLogEvent, String> urlResult = watermarkResult.keyBy(log -> log.getUrl());

5 滑动窗口/滚动窗口

//需求每5秒统计近10分钟的数据  使用 滑动窗口 SlidingEventTimeWindows
WindowedStream<MyApacheLogEvent, String, TimeWindow> windowResult = urlResult.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.minutes(10), Time.seconds(5)));

6 窗口分组

//先使用增量聚合函数统计每个 URL 出现的次数 
 SingleOutputStreamOperator<MyUrlView> aggregateResult = windowResult.aggregate(new MyPageCountAgg(), new MyPageWndowResult());
//因为需求为 topN ，统计的肯定是同一窗口期的数据 ，所以需求将窗口分组
        KeyedStream<MyUrlView, Long> windowKeyByResult = aggregateResult.keyBy(urlView -> urlView.getWindowEnd());//按窗口分组

7 求topN

// 使用全量聚合函数 process 求 topN ，使用 MapState 进行统计，详见完整代码
  SingleOutputStreamOperator<String> process = windowKeyByResult.process(new MyTopNHotPage(3));

完整代码：

//由于完整代码太长影响阅读，这里只贴出主类 ，完整版见文末 public static void main(String[] args) throws Exception {
        //1 获取数据        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);        //2 解析数据        //模拟读 kafka
        //数据格式        // 83.149.9.123 - - 17/05/2020:10:05:03 +0000 GET /presentations/logstash-kafkamonitor-2020/images/kibana-search.png        DataStreamSource<String> readTextFileSource = env.readTextFile(".\\data\\data2.log");
        SingleOutputStreamOperator<MyApacheLogEvent> mapResult = readTextFileSource.map(new MyParseLogFunction());

        //3 添加水位        //context  WatermarkGenerator.context  这里添加水位一定要加 context
        SingleOutputStreamOperator<MyApacheLogEvent> watermarkResult = mapResult.assignTimestampsAndWatermarks(                WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyPeriodWatermarkGenerator())//指定水位计算方式                        .withTimestampAssigner((context -> new MyTimeStampExtactor()))//指定时间字段        );
        //4 按url分组        KeyedStream<MyApacheLogEvent, String> urlResult = watermarkResult.keyBy(log -> log.getUrl());        //5 实现滑动窗口        WindowedStream<MyApacheLogEvent, String, TimeWindow> windowResult = urlResult.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.minutes(10), Time.seconds(5))); //每 5秒 统计 近 10分钟的数据
        //6 按窗口分组  两个参数 第一个是 计算函数 ，第二个是 窗口函数        SingleOutputStreamOperator<MyUrlView> aggregateResult = windowResult.aggregate(new MyPageCountAgg(), new MyPageWndowResult());//统计每个 URL 出现的次数
        KeyedStream<MyUrlView, Long> windowKeyByResult = aggregateResult.keyBy(urlView -> urlView.getWindowEnd());//按窗口分组
        //7 求TopN
        SingleOutputStreamOperator<String> process = windowKeyByResult.process(new MyTopNHotPage(3));
        //8 打印需求        process.print();
        env.execute("HotPage");    }

黑名单场景

需求：每个用户每个广告点击次数大于 100

样例数据：

用户ID	广告ID	省份	城市	时间
662867	2244074	广东	广州	1511658060

需求步骤总结：

1 获取数据

//加载测试数据 模拟kafka消费 

DataStreamSource<String> streamSource = env.readTextFile(".\\data\\data3.csv");

2 数据转换

//数据转换将日志转为对象 --> MyAdClickBean
SingleOutputStreamOperator<MyAdClickBean> mapStream = streamSource.map(new MyAdClickMapFuntion());

3 添加水位

//添加水位 是为了处理延迟过来的数据 ，并且这一步是固定模式 ，可以直接复用

SingleOutputStreamOperator<MyAdClickBean> adStreamWatermark = mapStream.assignTimestampsAndWatermarks(
WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyWatermarkBlackAgg())//指定水位计算方式，单位毫秒
.withTimestampAssigner((ctx) -> new MyWatermarkBlackAssgin())//指定水位计算方式，单位毫秒
);

4 按业务分组

 //由于需要统计每个用户对每个广告的点击，这里使用自定义分组策略 ，按用户id、广告id 分组
  KeyedStream<MyAdClickBean, Tuple2<String, String>> keyedStream = adStreamWatermark.keyBy(new MyBlackKey());

5 统计次数

//使用全量聚合函数 统计每个分组中的数据量，这里没有进行窗口分组，而是在处理过程中使用了定时器机制，于每天凌晨进行统计，详见完整代码
SingleOutputStreamOperator<MyAdClickBean> blackListOutput = keyedStream.process(new MyFilterBlackListUser(100));

完整代码：

//1
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setParallelism(1);

//2
DataStreamSource<String> streamSource = env.readTextFile("D:\\fpy\\workspace\\study\\flink-window-stream\\src\\main\\data\\data3.csv");

SingleOutputStreamOperator<MyAdClickBean> outPut = streamSource.map(new MyAdClickMapFuntion())
        .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyWatermarkBlackAgg()).withTimestampAssigner((ctx) -> new MyWatermarkBlackAssgin()))
        .keyBy(new MyBlackKey())  //没有窗口
        .process(new MyFilterBlackListUser(100));


//将上游结果输出到侧输出流 方便下游使用
outPut.getSideOutput(blackListOutputTag).print();



env.execute("AdClickCount");

统计日(月/年)指标场景

需求：统计每日的订单金额数量

样例数据：

订单编号	订单金额	订单状态	用户id	支付方式	支付流水	创建时间	支付时间
6623957652	248800	18	3887511420	CFT	null	2020-09-18 00:00:02	2020-09-18 00:30:02

需求步骤总结：

1 获取数据

//加载测试数据 模拟kafka消费
DataStreamSource<String> dataStreamSource = env.readTextFile(".\\data\\order_test");

2 解析数据

 // 日志数据转成三元组 类似对象 Tuple3<String, String, Double> <时间(截取到日)，完整时间，金额>
 SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, String, Double>> orderMapStream = dataStreamSource.map(new MyOrderInfoMoneyFunction());

3 添加水位

 //添加水位 是为了处理延迟过来的数据 ，并且这一步是固定模式 ，可以直接复用
SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, String, Double>> orderStreamAddWatermark = orderMapStream.assignTimestampsAndWatermarks(
                WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyWaterMarkAggOrd())//指定水位计算方式，单位毫秒
                       . withTimestampAssigner((context) -> new OrderWatermarkAssign())//指定水位字段，单位毫秒
        );

4 按需求分组

 //按天分组 也就是三元组的第一个元素分组
  KeyedStream<Tuple3<String, String, Double>, String> tuple3StringKeyedStream = orderStreamAddWatermark.keyBy(tuple3 -> tuple3.f0);

5 窗口操作

 //由于需要按天统计 没有时间重叠部分 使用滚动窗口
 //这里为什么 要用 Time.hours(-8)呢？ Flink 使用的是时间纪元，而我们使用的是 东八区，所以FLink窗口的时间要比我们当前时间少8小时
 
 // 有时候 TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8)) 会报错 解决办法：
 // 改为 TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(16)) ，最新版本已经修复
 
 WindowedStream<Tuple3<String, String, Double>, String, TimeWindow> windowWindowedStream = tuple3StringKeyedStream.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8)));

6 触发器

//每个5秒触发一次计算，数据会滚动一次 类似 实时大屏效果
 WindowedStream<Tuple3<String, String, Double>, String, TimeWindow> triggerCountStream = windowWindowedStream.trigger(ContinuousEventTimeTrigger.of(Time.seconds(5)));//每5秒

7 驱逐器

//将老数据删除掉 意思就是将老的计算的数据丢掉，只保留最新计算的数据
WindowedStream<Tuple3<String, String, Double>, String, TimeWindow> evictorCountStream = triggerCountStream.evictor(TimeEvictor.of(Time.seconds(0), true));

8 统计计算

//使用全量聚合函数 统计每天的订单金额  valueState 记录金额总量 ，详见完整代码
 SingleOutputStreamOperator<String> orderSumStream = evictorCountStream.process(new OrderInfoSumMoney());

完整代码：

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


        //1
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        //2
        DataStreamSource<String> dataStreamSource = env.readTextFile("D:\\fpy\\workspace\\study\\flink-window-stream\\src\\main\\data\\order_test");


     /* 分步操作

     SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, String, Double>> orderMapStream = dataStreamSource.map(new MyOrderInfoMoneyFunction());


        SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, String, Double>> orderStreamAddWatermark = orderMapStream.assignTimestampsAndWatermarks(
                WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyWaterMarkAggOrd()).
                        withTimestampAssigner((context) -> new OrderWatermarkAssign())
        );


        KeyedStream<Tuple3<String, String, Double>, String> tuple3StringKeyedStream = orderStreamAddWatermark.keyBy(tuple3 -> tuple3.f0);


        WindowedStream<Tuple3<String, String, Double>, String, TimeWindow> windowWindowedStream = tuple3StringKeyedStream.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8)));


        WindowedStream<Tuple3<String, String, Double>, String, TimeWindow> triggerCountStream = windowWindowedStream.trigger(ContinuousEventTimeTrigger.of(Time.seconds(5)));//每5秒


        WindowedStream<Tuple3<String, String, Double>, String, TimeWindow> evictorCountStream = triggerCountStream.evictor(TimeEvictor.of(Time.seconds(0), true));


        SingleOutputStreamOperator<String> orderSumStream = evictorCountStream.process(new OrderInfoSumMoney());*/


        DataStreamSink<String> streamSink = dataStreamSource.map(new MyOrderInfoMoneyFunction())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.forGenerator((context) -> new MyWaterMarkAggOrd()).withTimestampAssigner((context) -> new OrderWatermarkAssign()))
                .keyBy(tuple3 -> tuple3.f0)
                .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8))) // 每天 凌晨刷新 最近1天的数据
                .trigger(ContinuousEventTimeTrigger.of(Time.seconds(5)))
                .evictor(TimeEvictor.of(Time.seconds(0), true))// 去掉原来的数据
                .process(new OrderInfoSumMoney()).print();




        env.execute("sumcount");


    }

大致可总结为如下几步：

1 获取数据

2 解析数据

3 添加水位

4 根据业务需求分组 (可以是多个角度分组)

5 实现滑动窗口/滚动

6 按窗口分组 (增量函数使用)

7 触发器和驱逐器

8 最终的全量数据处理 ( 可能使用到定时器窗口结束的时候触发定时器）

PS: 公号后台回复 "Flink窗口或窗口"，查看完整案例代码。

— THE END —

posted @ 2021-05-19 13:35 大数据江湖阅读(340) 评论(1) 编辑收藏举报

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大数据江湖

公号-大数据江湖，知乎-时光-Time，一名技术爱好者，用技术来武装头脑，一名期望多元化发展的程序猿，技术、数据、产品、运营……，统统都是我的菜~

从 demo 到生产 - 手把手写出实战需求的 Flink窗口处理程序

Time 分类

Watermark （水位)

窗口类型

常用的函数

触发器和驱逐器

求 topN 场景

黑名单场景

统计日(月/年)指标场景

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