Flink学习（八） Flink SQL & Table 编程和案例
Flink Table & SQL 概述
背景
我们在前面的课时中讲过 Flink 的分层模型，Flink 自身提供了不同级别的抽象来支持我们开发流式或者批量处理程序，下图描述了 Flink 支持的 4 种不同级别的抽象。
Table API 和 SQL 处于最顶端，是 Flink 提供的高级 API 操作。Flink SQL 是 Flink 实时计算为简化计算模型，降低用户使用实时计算门槛而设计的一套符合标准 SQL 语义的开发语言。
Flink 在编程模型上提供了 DataStream 和 DataSet 两套 API，并没有做到事实上的批流统一，因为用户和开发者还是开发了两套代码。正是因为 Flink Table & SQL 的加入，可以说 Flink 在某种程度上做到了事实上的批流一体。
原理
你之前可能都了解过 Hive，在离线计算场景下 Hive 几乎扛起了离线数据处理的半壁江山。它的底层对 SQL 的解析用到了 Apache Calcite，Flink 同样把 SQL 的解析、优化和执行教给了 Calcite。
下图是一张经典的 Flink Table & SQL 实现原理图，可以看到 Calcite 在整个架构中处于绝对核心地位。
从图中可以看到无论是批查询 SQL 还是流式查询 SQL，都会经过对应的转换器 Parser 转换成为节点树 SQLNode tree，然后生成逻辑执行计划 Logical Plan，逻辑执行计划在经过优化后生成真正可以执行的物理执行计划，交给 DataSet 或者 DataStream 的 API 去执行。
在这里不对 Calcite 的原理过度展开，有兴趣的可以直接在官网上学习。
一个完整的 Flink Table & SQL Job 也是由 Source、Transformation、Sink 构成：
Source 部分来源于外部数据源，我们经常用的有 Kafka、MySQL 等；
Transformation 部分则是 Flink Table & SQL 支持的常用 SQL 算子，比如简单的 Select、Groupby 等，当然在这里也有更为复杂的多流 Join、流与维表的 Join 等；
Sink 部分是指的结果存储比如 MySQL、HBase 或 Kakfa 等。
动态表
与传统的表 SQL 查询相比，Flink Table & SQL 在处理流数据时会时时刻刻处于动态的数据变化中，所以便有了一个动态表的概念。
动态表的查询与静态表一样，但是，在查询动态表的时候，SQL 会做连续查询，不会终止。
我们举个简单的例子，Flink 程序接受一个 Kafka 流作为输入，Kafka 中为用户的购买记录：
首先，Kafka 的消息会被源源不断的解析成一张不断增长的动态表，我们在动态表上执行的 SQL 会不断生成新的动态表作为结果表。
Flink Table & SQL 算子和内置函数
我们在讲解 Flink Table & SQL 所支持的常用算子前，需要说明一点，Flink 自从 0.9 版本开始支持 Table & SQL 功能一直处于完善开发中，且在不断进行迭代。
我们在官网中也可以看到这样的提示：
Please note that the Table API and SQL are not yet feature complete and are being actively developed. Not all operations are supported by every combination of [Table API, SQL] and [stream, batch] input.
Flink Table & SQL 的开发一直在进行中，并没有支持所有场景下的计算逻辑。从我个人实践角度来讲，在使用原生的 Flink Table & SQL 时，务必查询官网当前版本对 Table & SQL 的支持程度，尽量选择场景明确，逻辑不是极其复杂的场景。
常用算子
目前 Flink SQL 支持的语法主要如下：
query:
values
| {
select
| selectWithoutFrom
| query UNION [ ALL ] query
| query EXCEPT query
| query INTERSECT query
}
[ ORDER BY orderItem [, orderItem ]* ]
[ LIMIT { count | ALL } ]
[ OFFSET start { ROW | ROWS } ]
[ FETCH { FIRST | NEXT } [ count ] { ROW | ROWS } ONLY]
orderItem:
expression [ ASC | DESC ]
select:
SELECT [ ALL | DISTINCT ]
{ * | projectItem [, projectItem ]* }
FROM tableExpression
[ WHERE booleanExpression ]
[ GROUP BY { groupItem [, groupItem ]* } ]
[ HAVING booleanExpression ]
[ WINDOW windowName AS windowSpec [, windowName AS windowSpec ]* ]
selectWithoutFrom:
SELECT [ ALL | DISTINCT ]
{ * | projectItem [, projectItem ]* }
projectItem:
expression [ [ AS ] columnAlias ]
| tableAlias . *
tableExpression:
tableReference [, tableReference ]*
| tableExpression [ NATURAL ] [ LEFT | RIGHT | FULL ] JOIN tableExpression [ joinCondition ]
joinCondition:
ON booleanExpression
| USING '(' column [, column ]* ')'
tableReference:
tablePrimary
[ matchRecognize ]
[ [ AS ] alias [ '(' columnAlias [, columnAlias ]* ')' ] ]
tablePrimary:
[ TABLE ] [ [ catalogName . ] schemaName . ] tableName
| LATERAL TABLE '(' functionName '(' expression [, expression ]* ')' ')'
| UNNEST '(' expression ')'
values:
VALUES expression [, expression ]*
groupItem:
expression
| '(' ')'
| '(' expression [, expression ]* ')'
| CUBE '(' expression [, expression ]* ')'
| ROLLUP '(' expression [, expression ]* ')'
| GROUPING SETS '(' groupItem [, groupItem ]* ')'
windowRef:
windowName
| windowSpec
windowSpec:
[ windowName ]
'('
[ ORDER BY orderItem [, orderItem ]* ]
[ PARTITION BY expression [, expression ]* ]
[
RANGE numericOrIntervalExpression {PRECEDING}
| ROWS numericExpression {PRECEDING}
]
')'
...
可以看到 Flink SQL 和传统的 SQL 一样，支持了包含查询、连接、聚合等场景，另外还支持了包括窗口、排序等场景。下面我就以最常用的算子来做详细的讲解。
SELECT/AS/WHERE
SELECT、WHERE 和传统 SQL 用法一样，用于筛选和过滤数据，同时适用于 DataStream 和 DataSet。
SELECT * FROM Table;
SELECT name，age FROM Table;
GROUP BY / DISTINCT/HAVING
GROUP BY 用于进行分组操作，DISTINCT 用于结果去重。
HAVING 和传统 SQL 一样，可以用来在聚合函数之后进行筛选。
SELECT DISTINCT name FROM Table;
SELECT name, SUM(score) as TotalScore FROM Table GROUP BY name;
SELECT name, SUM(score) as TotalScore FROM Table GROUP BY name HAVING
SUM(score) > 300;
JOIN
JOIN 可以用于把来自两个表的数据联合起来形成结果表，目前 Flink 的 Join 只支持等值连接。Flink 支持的 JOIN 类型包括：
JOIN - INNER JOIN
LEFT JOIN - LEFT OUTER JOIN
RIGHT JOIN - RIGHT OUTER JOIN
FULL JOIN - FULL OUTER JOIN
例如，用用户表和商品表进行关联：
SELECT *
FROM User LEFT JOIN Product ON User.name = Product.buyer
SELECT *
FROM User RIGHT JOIN Product ON User.name = Product.buyer
SELECT *
FROM User FULL OUTER JOIN Product ON User.name = Product.buyer
LEFT JOIN、RIGHT JOIN 、FULL JOIN 相与我们传统 SQL 中含义一样。
WINDOW
根据窗口数据划分的不同，目前 Apache Flink 有如下 3 种：
滚动窗口，窗口数据有固定的大小，窗口中的数据不会叠加；
滑动窗口，窗口数据有固定大小，并且有生成间隔；
会话窗口，窗口数据没有固定的大小，根据用户传入的参数进行划分，窗口数据无叠加；
滚动窗口
滚动窗口的特点是：有固定大小、窗口中的数据不会重叠，如下图所示：
滚动窗口的语法：
SELECT
[gk],
[TUMBLE_START(timeCol, size)],
[TUMBLE_END(timeCol, size)],
agg1(col1),
...
aggn(colN)
FROM Tab1
GROUP BY [gk], TUMBLE(timeCol, size)
举例说明，我们需要计算每个用户每天的订单数量：
SELECT user, TUMBLE_START(timeLine, INTERVAL '1' DAY) as winStart, SUM(amount) FROM Orders GROUP BY TUMBLE(timeLine, INTERVAL '1' DAY), user;
其中，TUMBLE_START 和 TUMBLE_END 代表窗口的开始时间和窗口的结束时间，TUMBLE (timeLine, INTERVAL '1' DAY) 中的 timeLine 代表时间字段所在的列，INTERVAL '1' DAY 表示时间间隔为一天。
滑动窗口
滑动窗口有固定的大小，与滚动窗口不同的是滑动窗口可以通过 slide 参数控制滑动窗口的创建频率。需要注意的是，多个滑动窗口可能会发生数据重叠，具体语义如下：
滑动窗口的语法与滚动窗口相比，只多了一个 slide 参数：
SELECT
[gk],
[HOP_START(timeCol, slide, size)] ,
[HOP_END(timeCol, slide, size)],
agg1(col1),
...
aggN(colN)
FROM Tab1
GROUP BY [gk], HOP(timeCol, slide, size)
例如，我们要每间隔一小时计算一次过去 24 小时内每个商品的销量：
SELECT product, SUM(amount) FROM Orders GROUP BY HOP(rowtime, INTERVAL '1' HOUR, INTERVAL '1' DAY), product
上述案例中的 INTERVAL '1' HOUR 代表滑动窗口生成的时间间隔。
会话窗口
会话窗口定义了一个非活动时间，假如在指定的时间间隔内没有出现事件或消息，则会话窗口关闭。
会话窗口的语法如下：
SELECT
[gk],
SESSION_START(timeCol, gap) AS winStart,
SESSION_END(timeCol, gap) AS winEnd,
agg1(col1),
...
aggn(colN)
FROM Tab1
GROUP BY [gk], SESSION(timeCol, gap)
举例，我们需要计算每个用户过去 1 小时内的订单量：
SELECT user, SESSION_START(rowtime, INTERVAL '1' HOUR) AS sStart, SESSION_ROWTIME(rowtime, INTERVAL '1' HOUR) AS sEnd, SUM(amount) FROM Orders GROUP BY SESSION(rowtime, INTERVAL '1' HOUR), user
内置函数
Flink 中还有大量的内置函数，我们可以直接使用，将内置函数分类如下：
比较函数
逻辑函数
算术函数
字符串处理函数
时间函数
Flink Table & SQL 案例
上面分别介绍了 Flink Table & SQL 的原理和支持的算子，我们模拟一个实时的数据流，然后讲解 SQL JOIN 的用法。
之前利用 Flink 提供的自定义 Source 功能来实现一个自定义的实时数据源，具体实现如下：
package wyh.tableApi; import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction; import wyh.datastreamingApi.Item; import java.util.ArrayList; import java.util.Random; class MyStreamingSourceTable implements SourceFunction<Item> { private boolean isRunning = true; /** * 重写run方法产生一个源源不断的数据发送源 * @param ctx * @throws Exception */ @Override public void run(SourceContext<Item> ctx) throws Exception { while(isRunning){ Item item = generateItem(); ctx.collect(item); //每秒产生一条数据 Thread.sleep(1000); } } @Override public void cancel() { isRunning = false; } //随机产生一条商品数据 private Item generateItem(){ int i = new Random().nextInt(1000); ArrayList<String> list = new ArrayList<>(); list.add("HAT"); list.add("TIE"); list.add("SHOE"); Item item = new Item(); item.setName(list.get(new Random().nextInt(3))); item.setId(i); return item; } }
我们把实时的商品数据流进行分流，分成 even 和 odd 两个流进行 JOIN，条件是名称相同，最后，把两个流的 JOIN 结果输出。
package wyh.tableApi; import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction; import org.apache.flink.api.common.typeinfo.TypeHint; import org.apache.flink.api.common.typeinfo.TypeInformation; import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple4; import org.apache.flink.streaming.api.collector.selector.OutputSelector; import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream; import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator; import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SplitStream; import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment; import org.apache.flink.table.api.EnvironmentSettings; import org.apache.flink.table.api.Table; import org.apache.flink.table.api.java.StreamTableEnvironment; import wyh.datastreamingApi.Item; import java.util.ArrayList; public class StreamingDemoTable { public static void main(String[] args) throws Exception{ //BlinkPlanner 对SQl进行了一些优化 比如去重，取TopN EnvironmentSettings bsSettings = EnvironmentSettings.newInstance().useBlinkPlanner().inStreamingMode().build(); //流处理环境 StreamExecutionEnvironment bsEnv = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(); //支持table sql环境 StreamTableEnvironment bsTableEnv = StreamTableEnvironment.create(bsEnv, bsSettings); SingleOutputStreamOperator<Item> source = bsEnv.addSource(new MyStreamingSourceTable()).map(new MapFunction<Item, Item>() { @Override public Item map(Item item) throws Exception { return item; } }); DataStream<Item> splitAll = source.split(new OutputSelector<Item>() { @Override public Iterable<String> select(Item item) { //将实时商品流分成even和odd两个流 ArrayList<String> output = new ArrayList<>(); if (item.getId() % 2 == 0) { output.add("even"); } else { output.add("odd"); } return output; } }); //将两个流筛选出来 DataStream<Item> evenSelect = ((SplitStream<Item>) splitAll).select("even"); DataStream<Item> oddSelect = ((SplitStream<Item>) splitAll).select("odd"); //把这两个流在我们的Flink环境中注册为临时表 bsTableEnv.createTemporaryView("evenTable",evenSelect,"name,id"); bsTableEnv.createTemporaryView("oddTable",oddSelect,"name,id"); Table quertTable = bsTableEnv.sqlQuery("select a.id,a.name,b.id,b.name from evenTable as a join oddTable as b on a.name=b.name"); quertTable.printSchema(); bsTableEnv.toRetractStream(quertTable,TypeInformation.of(new TypeHint<Tuple4<Integer,String,Integer,String>>() {})).print(); bsEnv.execute("streaming sql job"); } }
直接右键运行，在控制台可以看到输出：
