来自于尚硅谷教程

1. Flink概述

Flink是一个框架和分布式处理引擎，用于对无界和有界数据流进行有状态计算

1.1 特点

• 高吞吐和低延迟
• 精确一次的状态一致性(exactly-once)保证
• 结果准确性：提供事件时间和处理时间语义。
• 可以连接到外部系统，如Kafka、Hive、JDBC等

1.2 与SparkStreaming对比

	Flink	Streaming
计算模型	流计算	微批处理
时间语义	事件时间	处理时间
窗口	多、灵活	少、不灵活(窗口必须是批次的整数倍)
状态	有	无
流式SQL	有	无

2. Flink部署

2.1 集群角色

Flink提交作业和执行任务，需要以下组件

• 客户端: 代码由客户端获取并转换，之后提交给JobManager
• JobManager: 相当于Master，对作业进行中央调度管理，获取到执行的作业后，分发给众多TaskManager
• TaskManager：相当于Worker，真正执行作业的组件

2.2 部署模式

在一些应用场景中，对于集群资源分配和占用的方式，可能会有特定的需求。Flink为各种场景提供了不同的部署模式，主要有以下三种：会话模式（Session Mode）、单作业模式（Per-Job Mode）、应用模式（Application Mode）。

• 会话模式：启动一个集群，保持一个会话，通过客户端向这个会话提交作业。由于集群启动时所有资源都已经确定(只有一个JobManager)，所以提交的作业会竞争集群的资源。
• 单作业模式：为了更好地隔离资源，可以考虑为每一个作业启动一个集群，这就是单作业模式。flink1.16版本及后续版本已将该模式标记为过时，不多介绍
• 应用模式：上述两种模式应用代码都是在客户端执行，然后提交给JobManager。由于客户端会去下载依赖和发送二进制数据给JobManager，所以会占用大量网络带宽。解决办法是：不需要客户端了，直接把应用提交给JobManager，这个JobManger只为这个应用存在，执行完后就关闭，这就是应用模式。

三种模式的区别：

• 会话模式先创建集群后提交作业，单作业和应用先提交作业后创建集群
• 会话和单作业由客户端解析提交作业，应用模式直接由JobManager执行

这里我们所讲到的部署模式，相对是比较抽象的概念。实际应用时，一般需要和资源管理平台结合起来，选择特定的模式来分配资源、部署应用。

2.3 Standalone运行模式

独立模式是独立运行的，不依赖任何外部的资源管理平台；当然独立也是有代价的：如果资源不足，或者出现故障，没有自动扩展或重分配资源的保证，必须手动处理。所以独立模式一般只用在开发测试或作业非常少的场景下。

2.3.1 本地会话模式部署

运行flink下的start-cluster.sh 就是 StandaloneSession

./bin/start-cluster.sh

2.3.2 应用模式

在flink的安装目录下

mv test.jar lib/
# 启动jobManager 类名是com.example.test
./bin/standalone-job.sh start --job-classname com.example.test
# 启动taskManager
bin/taskmanager.sh start# stop
bin/taskmanager.sh stop
bin/standalone-job.sh stop

2.4 YARN运行模式

YARN上部署的过程是：客户端把Flink应用提交给Yarn的ResourceManager，Yarn的ResourceManager会向Yarn的NodeManager申请容器。在这些容器上，Flink会部署JobManager和TaskManager的实例，从而启动集群。Flink会根据运行在JobManger上的作业所需要的Slot数量动态分配TaskManager资源。

相关配置：

vi ~/.bashrcHADOOP_HOME=/opt/module/hadoop-3.3.4
export PATH=$PATH:$HADOOP_HOME/bin:$HADOOP_HOME/sbin
export HADOOP_CONF_DIR=${HADOOP_HOME}/etc/hadoop
export HADOOP_CLASSPATH=`hadoop classpath`

2.4.1 会话模式部署

1. 启动一个集群

bin/yarn-session.sh -nm test -jm 2048 -tm 2048 -s 2 -d

• -d：分离模式，如果你不想让Flink YARN客户端一直前台运行，可以使用这个参数，即使关掉当前对话窗口，YARN session也可以后台运行。
• -jm（–jobManagerMemory）：配置JobManager所需内存，默认单位MB。
• -nm（–name）：配置在YARN UI界面上显示的任务名。
• -qu（–queue）：指定YARN队列名。
• -tm（–taskManager）：配置每个TaskManager所使用内存。
• -s: 一个taskManager的slot数量

2. 提交作业(可多次提交)

bin/flink run -c com.example.test test.jar

3. 停止session

echo "stop" | ./bin/yarn-session.sh -id {application_id}

无论是提交一个作业还是多个作业，都是 1个JobManager + N个TaskManager

2.4.2 应用模式部署

1. 提交作业

bin/flink run-application -t yarn-application -c com.example.test test.jar

2. 查看或取消

# 查看
bin/flink list -t yarn-application -Dyarn.application.id=application_XXXX_YY
# 取消
bin/flink cancel -t yarn-application -Dyarn.application.id=application_XXXX_YY <jobId>

推荐通过上传HDFS后提交作业：

1. 上传flink的lib和plugins到HDFS上

hadoop fs -mkdir /flink-dist
hadoop fs -put lib/ /flink-dist
hadoop fs -put plugins/ /flink-dist

2. 上传自己的jar包到HDFS

hadoop fs -mkdir /flink-jars
hadoop fs -put test.jar /flink-jars

3. 提交作业

bin/flink run-application -t yarn-application	-Dyarn.provided.lib.dirs="hdfs://xxx:8020/flink-dist" -c com.example.test  hdfs://xxx:8020/flink-jars/test.jar

这种方式下，flink本身的依赖和用户jar可以预先上传到HDFS，而不需要单独发送到集群，这就使得作业提交更加轻量了。

该模式下：每个作业就对应 1个JobManager + N个TaskManager

对比会话模式和应用模式：

1. 若服务器资源情况比较紧缺，可考虑使用会话模式。因为只会启动一个JobManager，省去了每个应用一个JobManager的内存消耗；但相对的，会出现资源竞争，并且每个TaskManager的内存都是已经定制好了
2. 若服务器资源足够，则优先使用应用模式。可为每个应用分配不同的JobManager内存和TaskManager内存

2.5 历史服务

运行 Flink job 的集群一旦停止，只能去 yarn 或本地磁盘上查看日志，不再可以查看作业挂掉之前的运行的 Web UI。Flink提供了历史服务器，用来在相应的 Flink 集群关闭后查询已完成作业的统计信息。
1）创建存储目录

hadoop fs -mkdir -p /logs/flink-job

2）在 flink-config.yaml中添加如下配置

jobmanager.archive.fs.dir: hdfs://hadoop:8020/logs/flink-job
historyserver.web.address: hadoop
historyserver.web.port: 8082
historyserver.archive.fs.dir: hdfs://hadoop:8020/logs/flink-job
historyserver.archive.fs.refresh-interval: 5000

3）启动历史服务器

bin/historyserver.sh start

4）停止历史服务器

bin/historyserver.sh stop

5）在浏览器地址栏输入：http://hadoop:8082 查看已经停止的 job 的统计信息

3. 系统架构

1）作业管理器（JobManager）
JobManager是一个Flink集群中任务管理和调度的核心，是控制应用执行的主进程。也就是说，每个应用都应该被唯一的JobManager所控制执行。
JobManger又包含3个不同的组件。
（1）JobMaster
JobMaster是JobManager中最核心的组件，负责处理单独的作业（Job）。所以JobMaster和具体的Job是一一对应的，多个Job可以同时运行在一个Flink集群中, 每个Job都有一个自己的JobMaster。需要注意在早期版本的Flink中，没有JobMaster的概念；而JobManager的概念范围较小，实际指的就是现在所说的JobMaster。

在作业提交时，JobMaster会先接收到要执行的应用。JobMaster会把JobGraph转换成一个物理层面的数据流图，这个图被叫作“执行图”（ExecutionGraph），它包含了所有可以并发执行的任务。JobMaster会向资源管理器（ResourceManager）发出请求，申请执行任务必要的资源。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，JobMaster会负责所有需要中央协调的操作，比如说检查点（checkpoints）的协调。
（2）资源管理器（ResourceManager）
ResourceManager主要负责资源的分配和管理，在Flink 集群中只有一个。所谓“资源”，主要是指TaskManager的任务槽（task slots）。任务槽就是Flink集群中的资源调配单元，包含了机器用来执行计算的一组CPU和内存资源。每一个任务（Task）都需要分配到一个slot上执行。
这里注意要把Flink内置的ResourceManager和其他资源管理平台（比如YARN）的ResourceManager区分开。
（3）分发器（Dispatcher）
Dispatcher主要负责提供一个REST接口，用来提交应用，并且负责为每一个新提交的作业启动一个新的JobMaster 组件。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在架构中并不是必需的，在不同的部署模式下可能会被忽略掉。

2）任务管理器（TaskManager）
TaskManager是Flink中的工作进程，数据流的具体计算就是它来做的。Flink集群中必须至少有一个TaskManager；每一个TaskManager都包含了一定数量的任务槽（task slots）。Slot是资源调度的最小单位，slot的数量限制了TaskManager能够并行处理的任务数量。
启动之后，TaskManager会向资源管理器注册它的slots；收到资源管理器的指令后，TaskManager就会将一个或者多个槽位提供给JobMaster调用，JobMaster就可以分配任务来执行了。
在执行过程中，TaskManager可以缓冲数据，还可以跟其他运行同一应用的TaskManager交换数据。

3.1 并行度

当要处理的数据量非常大时，我们可以把一个算子操作，“复制”多份到多个节点，数据来了之后就可以到其中任意一个执行。这样一来，一个算子任务就被拆分成了多个并行的“子任务”（subtasks），再将它们分发到不同节点，就真正实现了并行计算。

一个特定算子的子任务（subtask）的个数被称之为其并行度（parallelism）。在Flink执行过程中，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完全独立地执行。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。

并行度设置：

• 代码设置

stream.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).setParallelism(2); // 特定算子并行度
env.setParallelism(2); // 代码中的全局并行度

• 提交应用时设置

bin/flink run –p 2 –c test ./test.jar

• 配置文件配置
  flink-conf.yaml

parallelism.default: 2

3.2 算子链

1）算子间的数据传输
一个数据流在算子之间传输数据的形式可以是一对一（one-to-one）的直通（forwarding）模式，也可以是打乱的重分区（redistributing）模式，具体是哪一种形式，取决于算子的种类。
（1）一对一（One-to-one，forwarding）
这种模式下，数据流维护着分区以及元素的顺序。比如图中的source和map算子，source算子读取数据之后，可以直接发送给map算子做处理，它们之间不需要重新分区，也不需要调整数据的顺序。这就意味着map 算子的子任务，看到的元素个数和顺序跟source 算子的子任务产生的完全一样，保证着“一对一”的关系。map、filter、flatMap等算子都是这种one-to-one的对应关系。这种关系类似于Spark中的窄依赖。
（2）重分区（Redistributing）
在这种模式下，数据流的分区会发生改变。比如图中的map和后面的keyBy/window算子之间，以及keyBy/window算子和Sink算子之间，都是这样的关系。
每一个算子的子任务，会根据数据传输的策略，把数据发送到不同的下游目标任务。这些传输方式都会引起重分区的过程，这一过程类似于Spark中的shuffle。

2）合并算子链
在Flink中，并行度相同的一对一（one to one）算子操作，可以直接链接在一起形成一个“大”的任务（task），这样原来的算子就成为了真正任务里的一部分，如下图所示。每个task会被一个线程执行。这样的技术被称为“算子链”（Operator Chain）。

所以合并算子链需要两个条件：1. 并行度相同的算子，2. 没有重分区

上图中Source和map之间满足了算子链的要求，所以可以直接合并在一起，形成了一个任务；因为并行度为2，所以合并后的任务也有两个并行子任务。这样，这个数据流图所表示的作业最终会有5个任务，由5个线程并行执行（优化前是7个线程）。

将算子链接成task是非常有效的优化：可以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。

Flink默认会按照算子链的原则进行链接合并，但有时候在调试时想清晰地看到每个算子的运行状态或定位具体算子的问题，也可以在代码中对算子做一些特定的设置：

// 禁用算子链
.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).disableChaining();// 从当前算子开始新链
.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).startNewChain()关于算子链的api：1）全局禁用算子链：env.disableOperatorChaining();2）某个算子不参与链化：  算子A.disableChaining(),  算子A不会与 前面 和 后面的 算子 串在一起3）从某个算子开启新链条：  算子A.startNewChain()， 算子A不与 前面串在一起，从A开始正常链化

3.3 任务槽(task slot)

1）任务槽（Task Slots）
Flink中每一个TaskManager都是一个JVM进程，它可以启动多个独立的线程，来并行执行多个子任务（subtask）。
很显然，TaskManager的计算资源是有限的，并行的任务越多，每个线程的资源就会越少。那一个TaskManager到底能并行处理多少个任务呢？为了控制并发量，**我们需要在TaskManager上对每个任务运行所占用的资源做出明确的划分，这就是所谓的任务槽（task slots）。**每个任务槽（task slot）其实表示了TaskManager拥有计算资源的一个固定大小的子集。这些资源就是用来独立执行一个子任务的。

2）任务槽数量的设置
在Flink的flink-conf.yaml配置文件中，可以设置TaskManager的slot数量，默认是1个slot。

taskmanager.numberOfTaskSlots: 1

需要注意的是，slot目前仅仅用来隔离内存，不会涉及CPU的隔离。在具体应用时，可以将slot数量配置为机器的CPU核心数，尽量避免不同任务之间对CPU的竞争。这也是开发环境默认并行度设为机器CPU数量的原因。

3）任务对任务槽的共享

默认情况下，Flink是允许子任务共享slot的。如果我们保持sink任务并行度为1不变，而作业提交时设置全局并行度为6，那么前两个任务节点就会各自有6个并行子任务，整个流处理程序则有13个子任务（13个线程）。如上图所示，只要属于同一个作业，那么对于不同任务节点（算子）的并行子任务，就可以放到同一个slot上执行。所以对于第一个任务节点source→map，它的6个并行子任务必须分到不同的slot上，而第二个任务节点keyBy/window/apply的并行子任务却可以和第一个任务节点共享slot。
当我们将资源密集型和非密集型的任务同时放到一个slot中，它们就可以自行分配对资源占用的比例，从而保证最重的活平均分配给所有的TaskManager。
slot共享另一个好处就是允许我们保存完整的作业管道。这样一来，即使某个TaskManager出现故障宕机，其他节点也可以完全不受影响，作业的任务可以继续执行。
当然，Flink默认是允许slot共享的，如果希望某个算子对应的任务完全独占一个slot，或者只有某一部分算子共享slot，我们也可以通过设置“slot共享组”手动指定：

.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).slotSharingGroup("1");

这样，只有属于同一个slot共享组的子任务，才会开启slot共享；不同组之间的任务是完全隔离的，必须分配到不同的slot上。在这种场景下，总共需要的slot数量，就是各个slot共享组最大并行度的总和。

3.4 任务槽和并行度的关系

任务槽和并行度都跟程序的并行执行有关，但两者是完全不同的概念。

• 任务槽是静态的概念，是指TaskManager具有的并发执行能力，可以通过参数taskmanager.numberOfTaskSlots进行配置
• 并行度是动态概念，也就是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。

3.5 作业提交流程

逻辑流图（StreamGraph）→ 作业图（JobGraph）→ 执行图（ExecutionGraph）→ 物理图（Physical Graph）

• 逻辑流图（StreamGraph）：这是根据用户通过 DataStream API编写的代码生成的最初的DAG图，用来表示程序的拓扑结构。这一步一般在客户端完成。
• 作业图（JobGraph）：StreamGraph经过优化后生成的就是作业图，确定了当前作业中所有任务的划分。主要的优化为：形成算子链。JobGraph一般也是在客户端生成的，在作业提交时传递给JobMaster。
• 执行图（ExecutionGraph）：JobMaster收到JobGraph后，会根据它来生成执行图，ExecutionGraph是JobGraph的并行化版本，是调度层最核心的数据结构。与JobGraph最大的区别就是按照并行度对并行子任务进行了拆分，并明确了任务间数据传输的方式。
• 物理图（Physical Graph）：JobMaster生成执行图后，会将它分发给TaskManager；各个TaskManager会根据执行图部署任务，最终的物理执行过程也会形成一张“图”，一般就叫作物理图（Physical Graph）

YARN应用模式提交流程：

4. 时间和窗口

Flink中窗口并不是静态准备好的，而是动态创建——当有落在这个窗口区间范围的数据达到时，才创建对应的窗口。

4.1 窗口分类

1）按照驱动类型分

• 时间窗口：以时间点定义窗口的开始和结束
• 计数窗口：基于元素个数来截取数据

2）按照窗口分配数据的规则分类
滚动窗口（Tumbling Window）、滑动窗口（Sliding Window）、会话窗口（Session Window），以及全局窗口（Global Window）

4.2 窗口分配器

定义窗口分配器（Window Assigners）是构建窗口算子的第一步，它的作用就是定义数据应该被“分配”到哪个窗口。所以可以说，窗口分配器其实就是在指定窗口的类型。

4.2.1 时间窗口

其中按照时间语义分为不同的API

• 滚动时间

stream.keyBy(...)// 滚动处理时间(每5s一个窗口)// .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(5))) // 滚动事件时间(每5s一个窗口).window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))

• 滑动时间

stream.keyBy(...)// 滑动处理时间 长度为10秒、滑动步长为5秒的滑动窗口// .window(SlidingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)，Time.seconds(5)))// 滑动事件时间 长度为10秒、滑动步长为5秒的滑动窗口.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)，Time.seconds(5)))

• 会话时间

stream.keyBy(...)// 处理时间 静态会话超时时间为10秒的会话窗口// .window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)))// 事件时间 静态会话超时时间为10秒的会话窗口.window(EventTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)))

4.2.2 计数窗口

• 滚动窗口

stream.keyBy(...).countWindow(10)

• 滑动窗口

stream.keyBy(...).countWindow(10，3)

• 全局窗口
  需要注意使用全局窗口，必须自行定义触发器才能实现窗口计算，否则起不到任何作用。

stream.keyBy(...).window(GlobalWindows.create());

4.3 窗口函数

定义了窗口分配器，知道数据属于哪个窗口，可以将数据收集起来；但收集起来后要做什么还不知道。所以接下来要定义窗口如何进行计算的操作，这就是窗口函数。

窗口函数定义了要对窗口中收集的数据做的计算操作，根据处理的方式可以分为两类：增量聚合函数和全窗口函数

4.3.1 增量聚合函数(ReduceFunction / AggregateFunction)

每来一个数据就在之前结果上聚合一次，这就是“增量聚合”。

1）归约函数（ReduceFunction）

public class WindowReduceDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction()).keyBy(r -> r.getId())// 设置滚动事件时间窗口.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10))).reduce(new ReduceFunction<WaterSensor>() {@Overridepublic WaterSensor reduce(WaterSensor value1, WaterSensor value2) throws Exception {System.out.println("调用reduce方法，之前的结果:"+value1 + ",现在来的数据:"+value2);return new WaterSensor(value1.getId(), System.currentTimeMillis(),value1.getVc()+value2.getVc());}}).print();env.execute();}
}

2）聚合函数（AggregateFunction）
ReduceFunction可以解决大多数归约聚合的问题，但是这个接口有一个限制，就是聚合状态的类型、输出结果的类型都必须和输入数据类型一样。

AggregateFunction可以看作是ReduceFunction的通用版本，这里有三种类型：输入类型（IN）、累加器类型（ACC）和输出类型（OUT）。输入类型IN就是输入流中元素的数据类型；累加器类型ACC则是我们进行聚合的中间状态类型；而输出类型就是最终计算结果的类型。

public class WindowAggregateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());// 1. 窗口分配器WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));SingleOutputStreamOperator<String> aggregate = sensorWS.aggregate(new AggregateFunction<WaterSensor, Integer, String>() {@Overridepublic Integer createAccumulator() {System.out.println("创建累加器");return 0;}@Overridepublic Integer add(WaterSensor value, Integer accumulator) {System.out.println("调用add方法,value="+value);return accumulator + value.getVc();}@Overridepublic String getResult(Integer accumulator) {System.out.println("调用getResult方法");return accumulator.toString();}@Overridepublic Integer merge(Integer a, Integer b) {System.out.println("调用merge方法");return null;}});aggregate.print();env.execute();}
}

4.3.2 全窗口函数

有些场景下，我们要做的计算必须基于全部的数据才有效，这时做增量聚合就没什么意义了；另外，输出的结果有可能要包含上下文中的一些信息（比如窗口的起始时间），这是增量聚合函数做不到的。
1）处理窗口函数（ProcessWindowFunction）

public class WindowProcessDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());// 1. 窗口分配器WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));SingleOutputStreamOperator<String> process = sensorWS.process(new ProcessWindowFunction<WaterSensor, String, String, TimeWindow>() {@Overridepublic void process(String s, Context context, Iterable<WaterSensor> elements, Collector<String> out) throws Exception {long count = elements.spliterator().estimateSize();long windowStartTs = context.window().getStart();long windowEndTs = context.window().getEnd();String windowStart = DateFormatUtils.format(windowStartTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");String windowEnd = DateFormatUtils.format(windowEndTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());}});process.print();env.execute();}
}

4.3.3 增量聚合和全窗口函数的结合使用

在实际应用中，我们往往希望兼具这两者的优点，把它们结合在一起使用。Flink的Window API就给我们实现了这样的用法。

public class WindowAggregateAndProcessDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());// 1. 窗口分配器WindowedStream<WaterSensor, String, TimeWindow> sensorWS = sensorKS.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)));// 2. 窗口函数：/*** 增量聚合 Aggregate + 全窗口 process* 1、增量聚合函数处理数据： 来一条计算一条* 2、窗口触发时， 增量聚合的结果（只有一条） 传递给 全窗口函数* 3、经过全窗口函数的处理包装后，输出** 结合两者的优点：* 1、增量聚合： 来一条计算一条，存储中间的计算结果，占用的空间少* 2、全窗口函数： 可以通过 上下文 实现灵活的功能*///        sensorWS.reduce()   //也可以传两个SingleOutputStreamOperator<String> result = sensorWS.aggregate(new MyAgg(),new MyProcess());result.print();env.execute();}public static class MyAgg implements AggregateFunction<WaterSensor, Integer, String>{@Overridepublic Integer createAccumulator() {System.out.println("创建累加器");return 0;}@Overridepublic Integer add(WaterSensor value, Integer accumulator) {System.out.println("调用add方法,value="+value);return accumulator + value.getVc();}@Overridepublic String getResult(Integer accumulator) {System.out.println("调用getResult方法");return accumulator.toString();}@Overridepublic Integer merge(Integer a, Integer b) {System.out.println("调用merge方法");return null;}}// 全窗口函数的输入类型 = 增量聚合函数的输出类型public static class MyProcess extends ProcessWindowFunction<String,String,String,TimeWindow>{@Overridepublic void process(String s, Context context, Iterable<String> elements, Collector<String> out) throws Exception {long startTs = context.window().getStart();long endTs = context.window().getEnd();String windowStart = DateFormatUtils.format(startTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");String windowEnd = DateFormatUtils.format(endTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");long count = elements.spliterator().estimateSize();out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());}}
}

4.4 触发器和移除器

对于一个窗口算子而言，窗口分配器和窗口函数是必不可少的。除此之外，Flink还提供了其他一些可选的API，让我们可以更加灵活地控制窗口行为。

• 触发器（Trigger）
  触发器主要是用来控制窗口什么时候触发计算。所谓的“触发计算”，本质上就是执行窗口函数，所以可以认为是计算得到结果并输出的过程。
  基于WindowedStream调用.trigger()方法，就可以传入一个自定义的窗口触发器（Trigger）。

stream.keyBy(...).window(...).trigger(new MyTrigger())

• 移除器（Evictor）
  移除器主要用来定义移除某些数据的逻辑。基于WindowedStream调用.evictor()方法，就可以传入一个自定义的移除器（Evictor）。Evictor是一个接口，不同的窗口类型都有各自预实现的移除器。

stream.keyBy(...).window(...).evictor(new MyEvictor())

4.5 窗口知识总结

1、窗口什么时候触发 输出？
时间进展 >= 窗口的最大时间戳（end - 1ms）

2、窗口是怎么划分的？
start = 向下取整，取窗口长度的整数倍
end = start + 窗口长度
窗口左闭右开 ，本窗口的 最大时间戳 = end - 1ms

3、窗口的生命周期？
创建： 属于本窗口的第一条数据来的时候，现new的，放入一个singleton单例的集合中
销毁（关窗）： 时间进展 >= 窗口的最大时间戳（end - 1ms） + 允许迟到的时间（默认0）
所以窗口触发和窗口关窗其实两个动作

那什么是时间进展？为什么要-1ms？这涉及到水位线(Watermark)

4.6 水位线(watermark)

4.6.1 什么是水位线

在说水位线之前，涉及到时间语义：

• 处理时间：服务器处理数据的服务器时间
• 事件事件：数据发生(产生)的时间

在实际应用中，事件时间语义会更为常见。一般情况下，业务日志数据中都会记录数据生成的时间戳（timestamp），它就可以作为事件时间的判断基础。从Flink1.12版本开始，Flink已经将事件时间作为默认的时间语义了。

用来衡量事件时间进展的标记，就被称作“水位线”（Watermark）。具体实现上，水位线可以看作一条特殊的数据记录，它是插入到数据流中的一个标记点，主要内容就是一个时间戳，用来指示当前的事件时间。

特性：

• 是数据流中的一个标记，可以认为是一个特殊数据
• 数据内容是一个时间戳，基于数据的时间戳生成的，用来表示当前事件时间的进展
• 水位线时间戳必须单调递增，确保时钟一直向前推进
• 水位线可以设置延迟，来处理乱序数据
• 水位线t，表示当前流中事件时间已经到达时间戳t，这代表t之前的所有数据都到齐了，不会再出现t’≤t的数据

水位线通常与窗口一起配合完成数据处理

4.6.2 水位线生成

完美的水位线是“绝对正确”的，也就是一个水位线一旦出现，就表示这个时间之前的数据已经全部到齐、之后再也不会出现了。不过如果要保证绝对正确，就必须等足够长的时间，这会带来更高的延迟。
如果我们希望处理得更快、实时性更强，那么可以将水位线延迟设得低一些。这种情况下，可能很多迟到数据会在水位线之后才到达，就会导致窗口遗漏数据，计算结果不准确。当然，如果我们对准确性完全不考虑、一味地追求处理速度，可以直接使用处理时间语义，这在理论上可以得到最低的延迟。
所以Flink中的水位线，其实是流处理中对低延迟和结果正确性的一个权衡机制，而且把控制的权力交给了程序员，我们可以在代码中定义水位线的生成策略。

1）有序流中内置水位线设置
对于有序流，主要特点就是时间戳单调增长，所以永远不会出现迟到数据的问题，直接调用WatermarkStrategy.forMonotonousTimestamps()方法就可以实现。

public class WatermarkMonoDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("hadoop102", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());// TODO 1.定义Watermark策略WatermarkStrategy<WaterSensor> watermarkStrategy = WatermarkStrategy// 1.1 指定watermark生成：升序的watermark，没有等待时间.<WaterSensor>forMonotonousTimestamps()// 1.2 指定 时间戳分配器，从数据中提取.withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<WaterSensor>() {@Overridepublic long extractTimestamp(WaterSensor element, long recordTimestamp) {// 返回的时间戳，要 毫秒System.out.println("数据=" + element + ",recordTs=" + recordTimestamp);return element.getTs() * 1000L;}});// TODO 2. 指定 watermark策略SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDSwithWatermark = sensorDS.assignTimestampsAndWatermarks(watermarkStrategy);sensorDSwithWatermark.keyBy(sensor -> sensor.getId())// TODO 3.使用 事件时间语义 的窗口.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10))).process(new ProcessWindowFunction<WaterSensor, String, String, TimeWindow>() {@Overridepublic void process(String s, Context context, Iterable<WaterSensor> elements, Collector<String> out) throws Exception {long startTs = context.window().getStart();long endTs = context.window().getEnd();String windowStart = DateFormatUtils.format(startTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");String windowEnd = DateFormatUtils.format(endTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");long count = elements.spliterator().estimateSize();out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());}}).print();env.execute();}
}

2）乱序流中内置水位线设置
由于乱序流中需要等待迟到数据到齐，所以必须设置一个固定量的延迟时间。这时生成水位线的时间戳，就是当前数据流中最大的时间戳减去延迟的结果，调用WatermarkStrategy. forBoundedOutOfOrderness()方法就可以实现。这个方法需要传入一个maxOutOfOrderness参数，表示“最大乱序程度”，它表示数据流中乱序数据时间戳的最大差值

public class WatermarkOutOfOrdernessDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("hadoop102", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());// TODO 1.定义Watermark策略WatermarkStrategy<WaterSensor> watermarkStrategy = WatermarkStrategy// 1.1 指定watermark生成：乱序的，等待3s.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))// 1.2 指定 时间戳分配器，从数据中提取.withTimestampAssigner((element, recordTimestamp) -> {// 返回的时间戳，要 毫秒System.out.println("数据=" + element + ",recordTs=" + recordTimestamp);return element.getTs() * 1000L;});// TODO 2. 指定 watermark策略SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDSwithWatermark = sensorDS.assignTimestampsAndWatermarks(watermarkStrategy);sensorDSwithWatermark.keyBy(sensor -> sensor.getId())// TODO 3.使用 事件时间语义 的窗口.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10))).process(new ProcessWindowFunction<WaterSensor, String, String, TimeWindow>() {@Overridepublic void process(String s, Context context, Iterable<WaterSensor> elements, Collector<String> out) throws Exception {long startTs = context.window().getStart();long endTs = context.window().getEnd();String windowStart = DateFormatUtils.format(startTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");String windowEnd = DateFormatUtils.format(endTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");long count = elements.spliterator().estimateSize();out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());}}).print();env.execute();}
}

3）自定义水位线生成器
（1）周期性水位线生成器（Periodic Generator）
周期性生成器一般是通过onEvent()观察判断输入的事件，而在onPeriodicEmit()里发出水位线。

import com.atguigu.bean.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.*;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;// 自定义水位线的产生
public class CustomPeriodicWatermarkExample {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.addSource(new ClickSource()).assignTimestampsAndWatermarks(new CustomWatermarkStrategy()).print();env.execute();}public static class CustomWatermarkStrategy implements WatermarkStrategy<Event> {@Overridepublic TimestampAssigner<Event> createTimestampAssigner(TimestampAssignerSupplier.Context context) {return new SerializableTimestampAssigner<Event>() {@Overridepublic long extractTimestamp(Event element，long recordTimestamp) {return element.timestamp; // 告诉程序数据源里的时间戳是哪一个字段}};}@Overridepublic WatermarkGenerator<Event> createWatermarkGenerator(WatermarkGeneratorSupplier.Context context) {return new CustomBoundedOutOfOrdernessGenerator();}}/*** 自定义水位生成器*/public static class CustomBoundedOutOfOrdernessGenerator implements WatermarkGenerator<Event> {private Long delayTime = 5000L; // 延迟时间private Long maxTs = -Long.MAX_VALUE + delayTime + 1L; // 观察到的最大时间戳@Overridepublic void onEvent(Event event，long eventTimestamp，WatermarkOutput output) {// 每来一条数据就调用一次maxTs = Math.max(event.timestamp，maxTs); // 更新最大时间戳}@Overridepublic void onPeriodicEmit(WatermarkOutput output) {// 发射水位线，默认200ms调用一次output.emitWatermark(new Watermark(maxTs - delayTime - 1L));}}
}

如果想修改默认周期时间，可以通过下面方法修改。例如：修改为400ms
env.getConfig().setAutoWatermarkInterval(400L);

(2）断点式水位线生成器（Punctuated Generator）
断点式生成器会不停地检测onEvent()中的事件，当发现带有水位线信息的事件时，就立即发出水位线。我们把发射水位线的逻辑写在onEvent方法当中即可。

(3）在数据源中发送水位线
我们也可以在自定义的数据源中抽取事件时间，然后发送水位线。这里要注意的是，在自定义数据源中发送了水位线以后，就不能再在程序中使用assignTimestampsAndWatermarks方法来生成水位线了。在自定义数据源中生成水位线和在程序中使用assignTimestampsAndWatermarks方法生成水位线二者只能取其一。示例程序如下：
env.fromSource(
kafkaSource, WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)), “kafkasource”
)

4）总结

• Watermark生成原理:
  1、都是周期性生成的： 默认200ms
  2、有序流： watermark = 当前最大的事件时间 - 1ms
  3、乱序流： watermark = 当前最大的事件时间 - 延迟时间 - 1ms

• 为什么都要 -1ms？
  假如没有-1ms，例如来了一条5s的数据，当前最大事件时间是5s，watermark=5s，则会立刻触发窗口输出，假如接下来刚好又来了一条5s的数据，这条数据实际上并没有迟到，但窗口已经触发了，该如何是好？
  所以考虑到同一秒有多条数据生成，故意-1ms，例如watermark=4999，则认为4999ms之前的数据都到齐

4.7 迟到数据的处理

主要有三种方法：
1. 推迟水印推进
在水印产生时，设置一个乱序容忍度，推迟系统时间的推进，保证窗口计算被延迟执行，为乱序的数据争取更多的时间进入窗口。
WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(10));
2. 设置窗口延迟关闭
Flink的窗口，也允许迟到数据。当触发了窗口计算后，会先计算当前的结果，但是此时并不会关闭窗口。
以后每来一条迟到数据，就触发一次这条数据所在窗口计算(增量计算)。直到wartermark 超过了窗口结束时间+推迟时间，此时窗口会真正关闭。注意：允许迟到只能运用在event time上

推迟关窗时间，在关窗之前，迟到数据来了，还能被窗口计算，来一条迟到数据触发一次计算，但关窗后，迟到数据不会被计算

.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
.allowedLateness(Time.seconds(3))

3. 使用侧流接收迟到的数据
   那对于关窗后的数据该如何处理？关窗后的迟到数据，可以放入侧输出流

.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
.allowedLateness(Time.seconds(3))
.sideOutputLateData(lateWS)

public class WatermarkLateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());WatermarkStrategy<WaterSensor> watermarkStrategy = WatermarkStrategy.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((element, recordTimestamp) -> element.getTs() * 1000L);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDSwithWatermark = sensorDS.assignTimestampsAndWatermarks(watermarkStrategy);OutputTag<WaterSensor> lateTag = new OutputTag<>("late-data", Types.POJO(WaterSensor.class));SingleOutputStreamOperator<String> process = sensorDSwithWatermark.keyBy(sensor -> sensor.getId()).window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10))).allowedLateness(Time.seconds(2)) // 推迟2s关窗.sideOutputLateData(lateTag) // 关窗后的迟到数据，放入侧输出流.process(new ProcessWindowFunction<WaterSensor, String, String, TimeWindow>() {@Overridepublic void process(String s, Context context, Iterable<WaterSensor> elements, Collector<String> out) throws Exception {long startTs = context.window().getStart();long endTs = context.window().getEnd();String windowStart = DateFormatUtils.format(startTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");String windowEnd = DateFormatUtils.format(endTs, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");long count = elements.spliterator().estimateSize();out.collect("key=" + s + "的窗口[" + windowStart + "," + windowEnd + ")包含" + count + "条数据===>" + elements.toString());}});process.print();// 从主流获取侧输出流，打印process.getSideOutput(lateTag).printToErr("关窗后的迟到数据");env.execute();}
}

问题：如果 watermark等待3s，窗口允许迟到2s， 为什么不直接 watermark等待5s 或者 窗口允许迟到5s？

1. watermark等待时间不会设太大，因为会影响的计算延迟
   如果设置3s => 窗口第一次触发计算和输出是13s的数据来（13-3=10s）
   如果设置5s => 窗口第一次触发计算和输出是15s的数据来（15-5=10s）
2. 窗口允许迟到，是对 大部分迟到数据的 处理， 尽量让结果准确，但每来一条数据就会触发一次这条数据所在窗口计算(增量计算) ，即如果只设置 允许迟到5s， 那么 就会导致 频繁 窗口计算

4.8 双流联结

4.8.1 窗口联结（Window Join）

Flink为基于一段时间的双流合并专门提供了一个窗口联结算子，可以定义时间窗口，并将两条流中共享一个公共键（key）的数据放在窗口中进行配对处理。
类似于SQL inner join

SELECT * FROM table1 t1, table2 t2 WHERE t1.id = t2.id;

public class WindowJoinDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Integer>> ds1 = env.fromElements(Tuple2.of("a", 1),Tuple2.of("a", 2),Tuple2.of("b", 3),Tuple2.of("c", 4)).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Tuple2<String, Integer>>forMonotonousTimestamps().withTimestampAssigner((value, ts) -> value.f1 * 1000L));SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, Integer,Integer>> ds2 = env.fromElements(Tuple3.of("a", 1,1),Tuple3.of("a", 11,1),Tuple3.of("b", 2,1),Tuple3.of("b", 12,1),Tuple3.of("c", 14,1),Tuple3.of("d", 15,1)).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Tuple3<String, Integer,Integer>>forMonotonousTimestamps().withTimestampAssigner((value, ts) -> value.f1 * 1000L));// TODO window join// 1. 落在同一个时间窗口范围内才能匹配// 2. 根据keyby的key，来进行匹配关联// 3. 只能拿到匹配上的数据，类似有固定时间范围的inner joinDataStream<String> join = ds1.join(ds2).where(r1 -> r1.f0)  // ds1的keyby.equalTo(r2 -> r2.f0) // ds2的keyby.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10))).apply(new JoinFunction<Tuple2<String, Integer>, Tuple3<String, Integer, Integer>, String>() {/*** 关联上的数据，调用join方法* @param first  ds1的数据* @param second ds2的数据* @return* @throws Exception*/@Overridepublic String join(Tuple2<String, Integer> first, Tuple3<String, Integer, Integer> second) throws Exception {return first + "<----->" + second;}});join.print();env.execute();}
}

4.8.2 间隔联结（Interval Join）

在有些场景下，我们要处理的时间间隔可能并不是固定的。这时显然不应该用滚动窗口或滑动窗口来处理——因为匹配的两个数据有可能刚好“卡在”窗口边缘两侧，于是窗口内就都没有匹配了。为了应对这样的需求，Flink提供了一种叫作“间隔联结”（interval join）的合流操作。顾名思义，间隔联结的思路就是针对一条流的每个数据，开辟出其时间戳前后的一段时间间隔，看这期间是否有来自另一条流的数据匹配。

间隔联结具体的定义方式是，我们给定两个时间点，分别叫作间隔的“上界”（upperBound）和“下界”（lowerBound）；于是对于一条流（不妨叫作A）中的任意一个数据元素a，就可以开辟一段时间间隔：[a.timestamp + lowerBound, a.timestamp + upperBound],即以a的时间戳为中心，下至下界点、上至上界点的一个闭区间：我们就把这段时间作为可以匹配另一条流数据的“窗口”范围。所以对于另一条流（不妨叫B）中的数据元素b，如果它的时间戳落在了这个区间范围内，a和b就可以成功配对，进而进行计算输出结果。所以匹配的条件为：
a.timestamp + lowerBound <= b.timestamp <= a.timestamp + upperBound
这里需要注意，做间隔联结的两条流A和B，也必须基于相同的key；下界lowerBound应该小于等于上界upperBound，两者都可正可负；间隔联结目前只支持事件时间语义。

public class IntervalJoinWithLateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Integer>> ds1 = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {@Overridepublic Tuple2<String, Integer> map(String value) throws Exception {String[] datas = value.split(",");return Tuple2.of(datas[0], Integer.valueOf(datas[1]));}}).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Tuple2<String, Integer>>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((value, ts) -> value.f1 * 1000L));SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, Integer, Integer>> ds2 = env.socketTextStream("localhost", 8888).map(new MapFunction<String, Tuple3<String, Integer, Integer>>() {@Overridepublic Tuple3<String, Integer, Integer> map(String value) throws Exception {String[] datas = value.split(",");return Tuple3.of(datas[0], Integer.valueOf(datas[1]), Integer.valueOf(datas[2]));}}).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Tuple3<String, Integer, Integer>>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((value, ts) -> value.f1 * 1000L));/*** TODO Interval join* 1、只支持事件时间* 2、指定上界、下界的偏移，负号代表时间往前，正号代表时间往后* 3、process中，只能处理 join上的数据* 4、两条流关联后的watermark，以两条流中最小的为准* 5、如果 当前数据的事件时间 < 当前的watermark，就是迟到数据， 主流的process不处理*  => between后，可以指定将 左流 或 右流 的迟到数据 放入侧输出流*///1. 分别做keyby，key其实就是关联条件KeyedStream<Tuple2<String, Integer>, String> ks1 = ds1.keyBy(r1 -> r1.f0);KeyedStream<Tuple3<String, Integer, Integer>, String> ks2 = ds2.keyBy(r2 -> r2.f0);//2. 调用 interval joinOutputTag<Tuple2<String, Integer>> ks1LateTag = new OutputTag<>("ks1-late", Types.TUPLE(Types.STRING, Types.INT));OutputTag<Tuple3<String, Integer, Integer>> ks2LateTag = new OutputTag<>("ks2-late", Types.TUPLE(Types.STRING, Types.INT, Types.INT));SingleOutputStreamOperator<String> process = ks1.intervalJoin(ks2).between(Time.seconds(-2), Time.seconds(2)).sideOutputLeftLateData(ks1LateTag)  // 将 ks1的迟到数据，放入侧输出流.sideOutputRightLateData(ks2LateTag) // 将 ks2的迟到数据，放入侧输出流.process(new ProcessJoinFunction<Tuple2<String, Integer>, Tuple3<String, Integer, Integer>, String>() {/*** 两条流的数据匹配上，才会调用这个方法* @param left  ks1的数据* @param right ks2的数据* @param ctx   上下文* @param out   采集器* @throws Exception*/@Overridepublic void processElement(Tuple2<String, Integer> left, Tuple3<String, Integer, Integer> right, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {// 进入这个方法，是关联上的数据out.collect(left + "<------>" + right);}});process.print("主流");process.getSideOutput(ks1LateTag).printToErr("ks1迟到数据");process.getSideOutput(ks2LateTag).printToErr("ks2迟到数据");env.execute();}
}

5. 处理函数

如果当前的API满足不了需求，则可以尝试使用底层的处理函数。
stream.process(new MyProcessFunction())

Flink提供了8个不同的处理函数：

• ProcessFunction: 最基本的处理函数，基于DataStream直接调用.process()时作为参数传入
• KeyedProcessFunction: 对流按键分区后的处理函数，基于KeyedStream调用.process()时作为参数传入
• ProcessWindowFunction: 开窗之后的处理函数，也是全窗口函数的代表。基于WindowedStream调用.process()时作为参数传入
• ProcessAllWindowFunction: 同样是开窗之后的处理函数，基于AllWindowedStream调用.process()时作为参数传入
• CoProcessFunction: 合并（connect）两条流之后的处理函数，基于ConnectedStreams调用.process()时作为参数传入
• ProcessJoinFunction: 间隔连接（interval join）两条流之后的处理函数，基于IntervalJoined调用.process()时作为参数传入
• BroadcastProcessFunction: 广播连接流处理函数，基于BroadcastConnectedStream调用.process()时作为参数传入。这里的“广播连接流”BroadcastConnectedStream，是一个未keyBy的普通DataStream与一个广播流（BroadcastStream）做连接（conncet）之后的产物。
• KeyedBroadcastProcessFunction: 按键分区的广播连接流处理函数，同样是基于BroadcastConnectedStream调用.process()时作为参数传入。与BroadcastProcessFunction不同的是，这时的广播连接流，是一个KeyedStream与广播流（BroadcastStream）做连接之后的产物

5.1 按键分区处理函数（KeyedProcessFunction）

KeyedStream中支持使用TimerService设置定时器的操作。
ProcessFunction的上下文（Context）中提供了.timerService()方法，可以直接返回一个TimerService对象。TimerService是Flink关于时间和定时器的基础服务接口，包含以下六个方法：

// 获取当前的处理时间
long currentProcessingTime();// 获取当前的水位线（事件时间）
long currentWatermark();// 注册处理时间定时器，当处理时间超过time时触发
void registerProcessingTimeTimer(long time);// 注册事件时间定时器，当水位线超过time时触发
void registerEventTimeTimer(long time);// 删除触发时间为time的处理时间定时器
void deleteProcessingTimeTimer(long time);// 删除触发时间为time的处理时间定时器
void deleteEventTimeTimer(long time);

代码：

public class KeyedProcessTimerDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction()).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L));KeyedStream<WaterSensor, String> sensorKS = sensorDS.keyBy(sensor -> sensor.getId());// TODO Process:keyedSingleOutputStreamOperator<String> process = sensorKS.process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {/*** 来一条数据调用一次* @param value* @param ctx* @param out* @throws Exception*/@Overridepublic void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {//获取当前数据的keyString currentKey = ctx.getCurrentKey();// 定时器注册TimerService timerService = ctx.timerService();// 事件时间的案例Long currentEventTime = ctx.timestamp(); // 数据中提取出来的事件时间timerService.registerEventTimeTimer(5000L);System.out.println("当前key=" + currentKey + ",当前时间=" + currentEventTime + ",注册了一个5s的定时器");// api介绍// 注册定时器： 处理时间、事件时间
//                        timerService.registerProcessingTimeTimer();
//                        timerService.registerEventTimeTimer();// 删除定时器： 处理时间、事件时间
//                        timerService.deleteEventTimeTimer();
//                        timerService.deleteProcessingTimeTimer();// 获取当前时间进展： 处理时间-当前系统时间，  事件时间-当前watermark
//                        long currentTs = timerService.currentProcessingTime();
//                        long wm = timerService.currentWatermark();}/*** TODO 2.时间进展到定时器注册的时间，调用该方法* @param timestamp 当前时间进展，就是定时器被触发时的时间* @param ctx       上下文* @param out       采集器* @throws Exception*/@Overridepublic void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {super.onTimer(timestamp, ctx, out);String currentKey = ctx.getCurrentKey();System.out.println("key=" + currentKey + "现在时间是" + timestamp + "定时器触发");}});process.print();env.execute();}
}

事件时间定时器，通过watermark来触发的（watermark >= 注册的时间）
注意： watermark = 当前最大事件时间 - 等待时间 -1ms， 因为 -1ms，所以会推迟一条数据
比如， 5s的定时器，
如果 等待=3s， watermark = 8s - 3s -1ms = 4999ms,不会触发5s的定时器
需要 watermark = 9s -3s -1ms = 5999ms ，才能去触发 5s的定时器

5.2 窗口处理函数（ProcessWindowFunction & ProcessAllWindowFunction）

public abstract class ProcessWindowFunction<IN, OUT, KEY, W extends Window> extends AbstractRichFunction {...public abstract void process(KEY key, Context context, Iterable<IN> elements, Collector<OUT> out) throws Exception;public void clear(Context context) throws Exception {}public abstract class Context implements java.io.Serializable {...}
}

ProcessWindowFunction依然是一个继承了AbstractRichFunction的抽象类，它有四个类型参数：

• IN：input，数据流中窗口任务的输入数据类型。
• OUT：output，窗口任务进行计算之后的输出数据类型。
• KEY：数据中键key的类型。
• W：窗口的类型，是Window的子类型。一般情况下我们定义时间窗口，W就是TimeWindow。

ProcessWindowFunction里面处理数据的核心方法.process()。方法包含四个参数：

• key：窗口做统计计算基于的键，也就是之前keyBy用来分区的字段。
• context：当前窗口进行计算的上下文，它的类型就是ProcessWindowFunction内部定义的抽象类Context。
• elements：窗口收集到用来计算的所有数据，这是一个可迭代的集合类型。
• out：用来发送数据输出计算结果的收集器，类型为Collector。

5.3 侧输出流（Side Output）

之前讲到的绝大多数转换算子，输出的都是单一流，流里的数据类型只能有一种。而侧输出流可以认为是“主流”上分叉出的“支流”，所以可以由一条流产生出多条流，而且这些流中的数据类型还可以不一样。利用这个功能可以很容易地实现“分流”操作。

DataStream<Integer> stream = env.fromSource(...);OutputTag<String> outputTag = new OutputTag<String>("side-output") {};SingleOutputStreamOperator<Long> longStream = stream.process(new ProcessFunction<Integer, Long>() {@Overridepublic void processElement( Integer value, Context ctx, Collector<Integer> out) throws Exception {// 转换成Long，输出到主流中out.collect(Long.valueOf(value));// 转换成String，输出到侧输出流中ctx.output(outputTag, "side-output: " + String.valueOf(value));}
});

6. 状态管理

1）托管状态（Managed State）和原始状态（Raw State）
Flink的状态有两种：托管状态（Managed State）和原始状态（Raw State）。托管状态就是由Flink统一管理的，状态的存储访问、故障恢复和重组等一系列问题都由Flink实现，我们只要调接口就可以；而原始状态则是自定义的，相当于就是开辟了一块内存，需要我们自己管理，实现状态的序列化和故障恢复。
通常我们采用Flink托管状态来实现需求。

2）算子状态（Operator State）和按键分区状态（Keyed State）
我们知道在Flink中，一个算子任务会按照并行度分为多个并行子任务执行，而不同的子任务会占据不同的任务槽（task slot）。由于不同的slot在计算资源上是物理隔离的，所以Flink能管理的状态在并行任务间是无法共享的，每个状态只能针对当前子任务的实例有效。
而很多有状态的操作（比如聚合、窗口）都是要先做keyBy进行按键分区的。按键分区之后，任务所进行的所有计算都应该只针对当前key有效，所以状态也应该按照key彼此隔离。在这种情况下，状态的访问方式又会有所不同。
基于这样的想法，我们又可以将托管状态分为两类：算子状态和按键分区状态。

• 按键分区状态：根据输入流中定义的键(key)来访问和维护，所以只能在keyBy之后使用
• 算子状态：作用范围为当前算子的任务实例，只对并行子任务实例有效

无论是Keyed State还是Operator State，它们都是在本地实例上维护的，也就是说每个并行子任务维护着对应的状态，算子的子任务之间状态不共享。

6.1 按键分区状态

6.1.1 值状态（ValueState）

案例需求：检测每种传感器的水位值，如果连续的两个水位值超过10，就输出报警。

public class KeyedValueStateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction()).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L));sensorDS.keyBy(r -> r.getId()).process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {// TODO 1.定义状态ValueState<Integer> lastVcState;@Overridepublic void open(Configuration parameters) throws Exception {super.open(parameters);// TODO 2.在open方法中，初始化状态// 状态描述器两个参数：第一个参数，起个名字，不重复；第二个参数，存储的类型lastVcState = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<Integer>("lastVcState", Types.INT));}@Overridepublic void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
//                                lastVcState.value();  // 取出 本组 值状态 的数据
//                                lastVcState.update(); // 更新 本组 值状态 的数据
//                                lastVcState.clear();  // 清除 本组 值状态 的数据// 1. 取出上一条数据的水位值(Integer默认值是null，判断)int lastVc = lastVcState.value() == null ? 0 : lastVcState.value();// 2. 求差值的绝对值，判断是否超过10Integer vc = value.getVc();if (Math.abs(vc - lastVc) > 10) {out.collect("传感器=" + value.getId() + "==>当前水位值=" + vc + ",与上一条水位值=" + lastVc + ",相差超过10！！！！");}// 3. 更新状态里的水位值lastVcState.update(vc);}}).print();env.execute();}
}

6.1.2 列表状态（ListState）

ListState<Integer> vcListState;vcListState = getRuntimeContext().getListState(new ListStateDescriptor<Integer>("vcListState", Types.INT));vcListState.get();
vcListState.update(vcList);

6.1.3 Map状态（MapState）

MapState<Integer, Integer> vcCountMapState;
vcCountMapState = getRuntimeContext().getMapState(new MapStateDescriptor<Integer, Integer>("vcCountMapState", Types.INT, Types.INT));
...

6.1.4 归约状态（ReducingState）

类似于值状态（Value），不过需要对添加进来的所有数据进行归约，将归约聚合之后的值作为状态保存下来。

.process(new KeyedProcessFunction<String， WaterSensor， Integer>() {private ReducingState<Integer> sumVcState;@Overridepublic void open(Configuration parameters) throws Exception {sumVcState = this.getRuntimeContext().getReducingState(new ReducingStateDescriptor<Integer>("sumVcState"，Integer::sum，Integer.class));}@Overridepublic void processElement(WaterSensor value， Context ctx， Collector<Integer> out) throws Exception {sumVcState.add(value.getVc());out.collect(sumVcState.get());}
})

6.1.5 聚合状态（AggregatingState）

与归约状态非常类似，聚合状态也是一个值，用来保存添加进来的所有数据的聚合结果。与ReducingState不同的是，它的聚合逻辑是由在描述器中传入一个更加一般化的聚合函数（AggregateFunction）来定义的。

案例需求：计算每种传感器的平均水位

public class KeyedAggregatingStateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction()).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L));sensorDS.keyBy(r -> r.getId()).process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {AggregatingState<Integer, Double> vcAvgAggregatingState;@Overridepublic void open(Configuration parameters) throws Exception {super.open(parameters);vcAvgAggregatingState = getRuntimeContext().getAggregatingState(new AggregatingStateDescriptor<Integer, Tuple2<Integer, Integer>, Double>("vcAvgAggregatingState",new AggregateFunction<Integer, Tuple2<Integer, Integer>, Double>() {@Overridepublic Tuple2<Integer, Integer> createAccumulator() {return Tuple2.of(0, 0);}@Overridepublic Tuple2<Integer, Integer> add(Integer value, Tuple2<Integer, Integer> accumulator) {return Tuple2.of(accumulator.f0 + value, accumulator.f1 + 1);}@Overridepublic Double getResult(Tuple2<Integer, Integer> accumulator) {return accumulator.f0 * 1D / accumulator.f1;}@Overridepublic Tuple2<Integer, Integer> merge(Tuple2<Integer, Integer> a, Tuple2<Integer, Integer> b) {
//                                                                return Tuple2.of(a.f0 + b.f0, a.f1 + b.f1);return null;}},Types.TUPLE(Types.INT, Types.INT)));}@Overridepublic void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {// 将 水位值 添加到  聚合状态中vcAvgAggregatingState.add(value.getVc());// 从 聚合状态中 获取结果Double vcAvg = vcAvgAggregatingState.get();out.collect("传感器id为" + value.getId() + ",平均水位值=" + vcAvg);//                                vcAvgAggregatingState.get();    // 对 本组的聚合状态 获取结果
//                                vcAvgAggregatingState.add();    // 对 本组的聚合状态 添加数据，会自动进行聚合
//                                vcAvgAggregatingState.clear();  // 对 本组的聚合状态 清空数据}}).print();env.execute();}
}

6.1.6 状态生存时间（TTL）

配置一个状态的“生存时间”（time-to-live，TTL），当状态在内存中存在的时间超出这个值时，就将它清除。设置 失效时间 = 当前时间 + TTL；之后如果有对状态的访问和修改，我们可以再对失效时间进行更新；当设置的清除条件被触发时（比如，状态被访问的时候，或者每隔一段时间扫描一次失效状态），就可以判断状态是否失效、从而进行清除了。

目前的TTL设置只支持处理时间。

案例

public class StateTTLDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(1);SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction()).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)).withTimestampAssigner((element, ts) -> element.getTs() * 1000L));sensorDS.keyBy(r -> r.getId()).process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {ValueState<Integer> lastVcState;@Overridepublic void open(Configuration parameters) throws Exception {super.open(parameters);// TODO 1.创建 StateTtlConfigStateTtlConfig stateTtlConfig = StateTtlConfig.newBuilder(Time.seconds(5)) // 过期时间5s
//                                        .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite) // 状态 创建和写入（更新） 更新 过期时间.setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnReadAndWrite) // 状态 读取、创建和写入（更新） 更新 过期时间.setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired) // 不返回过期的状态值.build();// TODO 2.状态描述器 启用 TTLValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("lastVcState", Types.INT);stateDescriptor.enableTimeToLive(stateTtlConfig);this.lastVcState = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);}@Overridepublic void processElement(WaterSensor value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {// 先获取状态值，打印 ==》 读取状态Integer lastVc = lastVcState.value();out.collect("key=" + value.getId() + ",状态值=" + lastVc);// 如果水位大于10，更新状态值 ===》 写入状态if (value.getVc() > 10) {lastVcState.update(value.getVc());}}}).print();env.execute();}
}

6.2 算子状态（Operator State）

算子状态（Operator State）就是一个算子并行实例上定义的状态，作用范围被限定为当前算子任务。算子状态跟数据的key无关，所以不同key的数据只要被分发到同一个并行子任务，就会访问到同一个Operator State。

算子状态也支持不同的结构类型，主要有三种：ListState、UnionListState和BroadcastState。

6.2.1 列表状态（ListState）

与Keyed State中的列表状态的区别是：在算子状态的上下文中，不会按键（key）分别处理状态，所以每一个并行子任务上只会保留一个“列表”（list），也就是当前并行子任务上所有状态项的集合。列表中的状态项就是可以重新分配的最细粒度，彼此之间完全独立。

当算子并行度进行缩放调整时，算子的列表状态中的所有元素项会被统一收集起来，相当于把多个分区的列表合并成了一个“大列表”，然后再均匀地分配给所有并行任务。这种“均匀分配”的具体方法就是“轮询”（round-robin），与之前介绍的rebanlance数据传输方式类似，是通过逐一“发牌”的方式将状态项平均分配的。这种方式也叫作“平均分割重组”（even-split redistribution）。

案例：在map算子中计算数据的个数。

public class OperatorListStateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(2);env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new MyCountMapFunction()).print();env.execute();}// TODO 1.实现 CheckpointedFunction 接口public static class MyCountMapFunction implements MapFunction<String, Long>, CheckpointedFunction {private Long count = 0L;private ListState<Long> state;@Overridepublic Long map(String value) throws Exception {return ++count;}/*** TODO 2.本地变量持久化：将 本地变量 拷贝到 算子状态中,开启checkpoint时才会调用** @param context* @throws Exception*/@Overridepublic void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {System.out.println("snapshotState...");// 2.1 清空算子状态state.clear();// 2.2 将 本地变量 添加到 算子状态 中state.add(count);}/*** TODO 3.初始化本地变量：程序启动和恢复时， 从状态中 把数据添加到 本地变量，每个子任务调用一次** @param context* @throws Exception*/@Overridepublic void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {System.out.println("initializeState...");// 3.1 从 上下文 初始化 算子状态state = context.getOperatorStateStore().getListState(new ListStateDescriptor<Long>("state", Types.LONG));// 3.2 从 算子状态中 把数据 拷贝到 本地变量if (context.isRestored()) {for (Long c : state.get()) {count += c;}}}}
}

6.2.2 联合列表状态（UnionListState）

UnionListState的重点就在于“联合”（union）。在并行度调整时，常规列表状态是轮询分配状态项，而联合列表状态的算子则会直接广播状态的完整列表。这样，并行度缩放之后的并行子任务就获取到了联合后完整的“大列表”，可以自行选择要使用的状态项和要丢弃的状态项。这种分配也叫作“联合重组”（union redistribution）。如果列表中状态项数量太多，为资源和效率考虑一般不建议使用联合重组的方式。

tate = context.getOperatorStateStore().getUnionListState(new ListStateDescriptor<Long>("union-state", Types.LONG));

6.2.3 广播状态（BroadcastState）

有时我们希望算子并行子任务都保持同一份“全局”状态，用来做统一的配置和规则设定。这时所有分区的所有数据都会访问到同一个状态，状态就像被“广播”到所有分区一样，这种特殊的算子状态，就叫作广播状态（BroadcastState）。

适用场景：将配置数据存放于mysql，flink cdc使用广播流读取mysql广播给数据流，动态修改配置

案例：水位超过指定的阈值发送告警，阈值可以动态修改。

public class OperatorBroadcastStateDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();env.setParallelism(2);// 数据流SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env.socketTextStream("localhost", 7777).map(new WaterSensorMapFunction());// 配置流（用来广播配置）DataStreamSource<String> configDS = env.socketTextStream("localhost", 8888);// TODO 1. 将 配置流 广播MapStateDescriptor<String, Integer> broadcastMapState = new MapStateDescriptor<>("broadcast-state", Types.STRING, Types.INT);BroadcastStream<String> configBS = configDS.broadcast(broadcastMapState);// TODO 2.把 数据流 和 广播后的配置流 connectBroadcastConnectedStream<WaterSensor, String> sensorBCS = sensorDS.connect(configBS);// TODO 3.调用 processsensorBCS.process(new BroadcastProcessFunction<WaterSensor, String, String>() {/*** 数据流的处理方法： 数据流 只能 读取 广播状态，不能修改* @param value* @param ctx* @param out* @throws Exception*/@Overridepublic void processElement(WaterSensor value, ReadOnlyContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {// TODO 5.通过上下文获取广播状态，取出里面的值（只读，不能修改）ReadOnlyBroadcastState<String, Integer> broadcastState = ctx.getBroadcastState(broadcastMapState);Integer threshold = broadcastState.get("threshold");// 判断广播状态里是否有数据，因为刚启动时，可能是数据流的第一条数据先来threshold = (threshold == null ? 0 : threshold);if (value.getVc() > threshold) {out.collect(value + ",水位超过指定的阈值：" + threshold + "!!!");}}/*** 广播后的配置流的处理方法:  只有广播流才能修改 广播状态* @param value* @param ctx* @param out* @throws Exception*/@Overridepublic void processBroadcastElement(String value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {// TODO 4. 通过上下文获取广播状态，往里面写数据BroadcastState<String, Integer> broadcastState = ctx.getBroadcastState(broadcastMapState);broadcastState.put("threshold", Integer.valueOf(value));}}).print();env.execute();}
}

7. 容错机制

7.1 检查点

这样做可以实现一个数据被所有任务（算子）完整地处理完，状态得到了保存。
如果出现故障，我们恢复到之前保存的状态，故障时正在处理的所有数据都需要重新处理；我们只需要让源（source）任务向数据源重新提交偏移量、请求重放数据就可以了。当然这需要源任务可以把偏移量作为算子状态保存下来，而且外部数据源能够重置偏移量；kafka就是满足这些要求的一个最好的例子。

7.1.1 检查点算法

在Flink中，采用了基于Chandy-Lamport算法的分布式快照，可以在不暂停整体流处理的前提下，将状态备份保存到检查点。

借鉴水位线的设计，在数据流中插入一个特殊的数据结构，专门用来表示触发检查点保存的时间点。收到保存检查点的指令后，Source任务可以在当前数据流中插入这个结构；之后的所有任务只要遇到它就开始对状态做持久化快照保存。由于数据流是保持顺序依次处理的，因此遇到这个标识就代表之前的数据都处理完了，可以保存一个检查点；而在它之后的数据，引起的状态改变就不会体现在这个检查点中，而需要保存到下一个检查点。

这种特殊的数据形式，把一条流上的数据按照不同的检查点分隔开，所以就叫做检查点的“分界线”（Checkpoint Barrier）。

• 分布式快照算法（Barrier对齐的精准一次）

当上游任务向多个并行下游任务发送barrier时，需要广播出去；
而当多个上游任务向同一个下游任务传递分界线时，需要在下游任务执行“分界线对齐”操作，也就是需要等到所有并行分区的barrier都到齐，才可以开始状态的保存。

（1）触发检查点：JobManager向Source发送Barrier；
（2）Barrier发送：向下游广播发送；
（3）Barrier对齐：下游需要收到上游所有并行度传递过来的Barrier才做自身状态的保存；
（4）状态保存：有状态的算子将状态保存至持久化。
（5）先处理缓存数据，然后正常继续处理

完成检查点保存之后，任务就可以继续正常处理数据了。这时如果有等待分界线对齐时缓存的数据，需要先做处理；然后再按照顺序依次处理新到的数据。当JobManager收到所有任务成功保存状态的信息，就可以确认当前检查点成功保存。之后遇到故障就可以从这里恢复了。

（补充）由于分界线对齐要求先到达的分区做缓存等待，一定程度上会影响处理的速度；当出现背压时，下游任务会堆积大量的缓冲数据，检查点可能需要很久才可以保存完毕。
为了应对这种场景，Barrier对齐中提供了至少一次语义以及Flink 1.11之后提供了非Barrier对齐的精准一次的检查点保存方式，可以将未处理的缓冲数据也保存进检查点。这样，当我们遇到一个分区barrier时就不需等待对齐，而是可以直接启动状态的保存了。

总结：
1、Barrier对齐： 一个Task 收到 所有上游 同一个编号的 barrier之后，才会对自己的本地状态做 备份

• 精准一次： 在barrier对齐过程中，barrier后面的数据 阻塞等待（不会越过barrier）
• 至少一次： 在barrier对齐过程中，先到的barrier，其后面的数据 不阻塞 接着计算

2、非Barrier对齐： 一个Task 收到 第一个 barrier时，就开始 执行备份，能保证 精准一次（flink 1.11出的新算法）
先到的barrier，将 本地状态 备份， 其后面的数据接着计算输出
未到的barrier，其 前面的数据 接着计算输出，同时 也保存到 备份中
最后一个barrier到达 该Task时，这个Task的备份结束

7.1.2 代码配置

1、常用配置

• 检查点模式（CheckpointingMode）
  设置检查点一致性的保证级别，有“精确一次”（exactly-once）和“至少一次”（at-least-once）两个选项。默认级别为exactly-once，而对于大多数低延迟的流处理程序，at-least-once就够用了，而且处理效率会更高。
• 超时时间（checkpointTimeout）
  用于指定检查点保存的超时时间，超时没完成就会被丢弃掉。传入一个长整型毫秒数作为参数，表示超时时间。
• 最小间隔时间（minPauseBetweenCheckpoints）
  用于指定在上一个检查点完成之后，检查点协调器最快等多久可以出发保存下一个检查点的指令。这就意味着即使已经达到了周期触发的时间点，只要距离上一个检查点完成的间隔不够，就依然不能开启下一次检查点的保存。这就为正常处理数据留下了充足的间隙。当指定这个参数>0时，实际并发为1。
• 最大并发检查点数量（maxConcurrentCheckpoints）
  用于指定运行中的检查点最多可以有多少个。由于每个任务的处理进度不同，完全可能出现后面的任务还没完成前一个检查点的保存、前面任务已经开始保存下一个检查点了。这个参数就是限制同时进行的最大数量。
• 开启外部持久化存储（enableExternalizedCheckpoints）
  用于开启检查点的外部持久化，而且默认在作业失败的时候不会自动清理，如果想释放空间需要自己手工清理。里面传入的参数ExternalizedCheckpointCleanup指定了当作业取消的时候外部的检查点该如何清理。
  • DELETE_ON_CANCELLATION：在作业取消的时候会自动删除外部检查点，但是如果是作业失败退出，则会保留检查点。
  • RETAIN_ON_CANCELLATION：作业取消的时候也会保留外部检查点。
• 检查点连续失败次数（tolerableCheckpointFailureNumber）
  用于指定检查点连续失败的次数，当达到这个次数，作业就失败退出。默认为0，这意味着不能容忍检查点失败，并且作业将在第一次报告检查点失败时失败。

2、开启非对齐检查点

• 非对齐检查点（enableUnalignedCheckpoints）
  不再执行检查点的分界线对齐操作，启用之后可以大大减少产生背压时的检查点保存时间。这个设置要求检查点模式（CheckpointingMode）必须为exctly-once，并且最大并发的检查点个数为1。
• 对齐检查点超时时间（alignedCheckpointTimeout）
  该参数只有在启用非对齐检查点的时候有效。参数默认是0，表示一开始就直接用非对齐检查点。如果设置大于0，一开始会使用对齐的检查点，当对齐时间超过该参数设定的时间，则会自动切换成非对齐检查点。

public class CheckpointConfigDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.createLocalEnvironmentWithWebUI(new Configuration());env.setParallelism(1);// 代码中用到hdfs，需要导入hadoop依赖、指定访问hdfs的用户名System.setProperty("HADOOP_USER_NAME", "atguigu");// TODO 检查点配置// 1、启用检查点: 默认是barrier对齐的，周期为5s, 精准一次env.enableCheckpointing(5000, CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);CheckpointConfig checkpointConfig = env.getCheckpointConfig();// 2、指定检查点的存储位置checkpointConfig.setCheckpointStorage("hdfs://hadoop102:8020/chk");// 3、checkpoint的超时时间: 默认10分钟checkpointConfig.setCheckpointTimeout(60000);// 4、同时运行中的checkpoint的最大数量checkpointConfig.setMaxConcurrentCheckpoints(1);// 5、最小等待间隔: 上一轮checkpoint结束 到 下一轮checkpoint开始 之间的间隔，设置了>0,并发就会变成1checkpointConfig.setMinPauseBetweenCheckpoints(1000);// 6、取消作业时，checkpoint的数据 是否保留在外部系统// DELETE_ON_CANCELLATION:主动cancel时，删除存在外部系统的chk-xx目录 （如果是程序突然挂掉，不会删）// RETAIN_ON_CANCELLATION:主动cancel时，外部系统的chk-xx目录会保存下来checkpointConfig.setExternalizedCheckpointCleanup(CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);// 7、允许 checkpoint 连续失败的次数，默认0--》表示checkpoint一失败，job就挂掉checkpointConfig.setTolerableCheckpointFailureNumber(10);// TODO 开启 非对齐检查点（barrier非对齐）// 开启的要求： Checkpoint模式必须是精准一次，最大并发必须设为1checkpointConfig.enableUnalignedCheckpoints();// 开启非对齐检查点才生效： 默认0，表示一开始就直接用 非对齐的检查点// 如果大于0， 一开始用 对齐的检查点（barrier对齐）， 对齐的时间超过这个参数，自动切换成 非对齐检查点（barrier非对齐）checkpointConfig.setAlignedCheckpointTimeout(Duration.ofSeconds(1));env.socketTextStream("hadoop102", 7777).flatMap((String value, Collector<Tuple2<String, Integer>> out) -> {String[] words = value.split(" ");for (String word : words) {out.collect(Tuple2.of(word, 1));}}).returns(Types.TUPLE(Types.STRING, Types.INT)).keyBy(value -> value.f0).sum(1).print();env.execute();}
}

7.2 保存点（Savepoint）

除了检查点外，Flink还提供了另一个非常独特的镜像保存功能——保存点（savepoint）。
从名称就可以看出，这也是一个存盘的备份，它的原理和算法与检查点完全相同，只是多了一些额外的元数据。

保存点与检查点最大的区别，就是触发的时机。检查点是由Flink自动管理的，定期创建，发生故障之后自动读取进行恢复，这是一个“自动存盘”的功能；而保存点不会自动创建，必须由用户明确地手动触发保存操作，所以就是“手动存盘”。

需要注意的是，保存点能够在程序更改的时候依然兼容，前提是状态的拓扑结构和数据类型不变。我们知道保存点中状态都是以算子ID-状态名称这样的key-value组织起来的，算子ID可以在代码中直接调用SingleOutputStreamOperator的.uid()方法来进行指定：

DataStream<String> stream = env.addSource(new StatefulSource()).uid("source-id").map(new StatefulMapper()).uid("mapper-id").print();

7.2.1 使用保存点

如果是基于yarn的运行模式还需要加上 -yid application-id

1. 停止时使用

bin/flink stop --savepointPath [:targetDirectory] :jobId

2. 从保存点重启应用

bin/flink run -s :savepointPath [:runArgs]

问题：状态、状态后端、Checkpoint 三者之间的区别及关系？

拿五个字做比喻：“铁锅炖大鹅”，铁锅是状态后端，大鹅是状态，Checkpoint 是炖的动作。

状态：本质来说就是数据，在 Flink 中，其实就是 Flink 提供给用户的状态编程接口。比如 flink 中的 MapState，ValueState，ListState。

状态后端：Flink 提供的用于管理状态的组件，状态后端决定了以什么样数据结构，什么样的存储方式去存储和管理我们的状态。Flink 目前官方提供了 memory、filesystem，rocksdb 三种状态后端来存储我们的状态。

Checkpoint（状态管理）：Flink 提供的用于定时将状态后端中存储的状态同步到远程的存储系统的组件或者能力。为了防止 long run 的 Flink 任务挂了导致状态丢失，产生数据质量问题，Flink 提供了状态管理（Checkpoint，Savepoint）的能力把我们使用的状态给管理起来，定时的保存到远程。然后可以在 Flink 任务 failover 时，从远程把状态数据恢复到 Flink 任务中，保障数据质量。

7.3 状态一致性

一般说来，状态一致性有三种级别：

• 最多一次（At-Most-Once）
• 至少一次（At-Least-Once）
• 精确一次（Exactly-Once）

7.3.1 端到端精确一次（End-To-End Exactly-Once）

实际应用中，最难做到、也最希望做到的一致性语义，无疑就是端到端（end-to-end）的“精确一次”。我们知道，对于Flink内部来说，检查点机制可以保证故障恢复后数据不丢（在能够重放的前提下），并且只处理一次，所以已经可以做到exactly-once的一致性语义了。

所以端到端一致性的关键点，就在于输入的数据源端和输出的外部存储端。

1. 输入端保证

想要在故障恢复后不丢数据，外部数据源就必须拥有重放数据的能力。常见的做法就是对数据进行持久化保存，并且可以重设数据的读取位置。一个最经典的应用就是Kafka。在Flink的Source任务中将数据读取的偏移量保存为状态，这样就可以在故障恢复时从检查点中读取出来，对数据源重置偏移量，重新获取数据。

数据源可重放数据，或者说可重置读取数据偏移量，加上Flink的Source算子将偏移量作为状态保存进检查点，就可以保证数据不丢。这是达到at-least-once一致性语义的基本要求，当然也是实现端到端exactly-once的基本要求。

2. 输出端保证
检查点保存之后，继续到来的数据也会一一处理，任务的状态也会更新，最终通过Sink任务将计算结果输出到外部系统；只是状态改变还没有存到下一个检查点中。这时如果出现故障，这些数据都会重新来一遍，就计算了两次。我们知道对Flink内部状态来说，重复计算的动作是没有影响的，因为状态已经回滚，最终改变只会发生一次；但对于外部系统来说，已经写入的结果就是泼出去的水，已经无法收回了，再次执行写入就会把同一个数据写入两次。
所以这时，我们只保证了端到端的at-least-once语义。
为了实现端到端exactly-once，我们还需要对外部存储系统、以及Sink连接器有额外的要求。能够保证exactly-once一致性的写入方式有两种：

• 幂等写入
• 事务写入

1）幂等（Idempotent）写入
所谓“幂等”操作，就是说一个操作可以重复执行很多次，但只导致一次结果更改。也就是说，后面再重复执行就不会对结果起作用了。

这相当于说，我们并没有真正解决数据重复计算、写入的问题；而是说，重复写入也没关系，结果不会改变。所以这种方式主要的限制在于外部存储系统必须支持这样的幂等写入：比如Redis中键值存储，或者关系型数据库（如MySQL）中满足查询条件的更新操作。

需要注意，对于幂等写入，遇到故障进行恢复时，有可能会出现短暂的不一致。因为保存点完成之后到发生故障之间的数据，其实已经写入了一遍，回滚的时候并不能消除它们。如果有一个外部应用读取写入的数据，可能会看到奇怪的现象：短时间内，结果会突然“跳回”到之前的某个值，然后“重播”一段之前的数据。不过当数据的重放逐渐超过发生故障的点的时候，最终的结果还是一致的。

2）事务（Transactional）写入
输出端最大的问题，就是写入到外部系统的数据难以撤回。而利用事务就可以实现对已写入数据的撤回。

在Flink流处理的结果写入外部系统时，如果能够构建一个事务，让写入操作可以随着检查点来提交和回滚，那么自然就可以解决重复写入的问题了。所以事务写入的基本思想就是：用一个事务来进行数据向外部系统的写入，这个事务是与检查点绑定在一起的。当Sink任务遇到barrier时，开始保存状态的同时就开启一个事务，接下来该检查点之后到下一个检查点之间的所有数据的写入都在这个事务中；待到当前检查点保存完毕时，将事务提交，所有写入的数据就真正可用了。如果中间过程出现故障，状态会回退到上一个检查点，而当前事务没有正常关闭（因为当前检查点没有保存完），所以也会回滚，写入到外部的数据就被撤销了。

具体来说，又有两种实现方式：预写日志（WAL）和两阶段提交（2PC）
（1）预写日志（write-ahead-log，WAL）
预写日志（WAL）就是一种非常简单的方式。具体步骤是：
①先把结果数据作为日志（log）状态保存起来
②进行检查点保存时，也会将这些结果数据一并做持久化存储
③在收到检查点完成的通知时，将所有结果一次性写入外部系统。
④在成功写入所有数据后，在内部再次确认相应的检查点，将确认信息也进行持久化保存。这才代表着检查点的真正完成。

我们会发现，这种方式类似于检查点完成时做一个批处理，一次性的写入会带来一些性能上的问题；而优点就是比较简单，由于数据提前在状态后端中做了缓存，所以无论什么外部存储系统，理论上都能用这种方式一批搞定。

（2）两阶段提交（two-phase-commit，2PC）
它的想法是分成两个阶段：先做“预提交”，等检查点完成之后再正式提交。这种提交方式是真正基于事务的，它需要外部系统提供事务支持。
具体的实现步骤为：
①当第一条数据到来时，或者收到检查点的分界线时，Sink任务都会启动一个事务。
②接下来接收到的所有数据，都通过这个事务写入外部系统；这时由于事务没有提交，所以数据尽管写入了外部系统，但是不可用，是“预提交”的状态。
③当Sink任务收到JobManager发来检查点完成的通知时，正式提交事务，写入的结果就真正可用了。

7.3.2 Flink和Kafka连接时的精确一次保证

需要的配置
在具体应用中，实现真正的端到端exactly-once，还需要有一些额外的配置：
（1）必须启用检查点
（2）指定KafkaSink的发送级别为DeliveryGuarantee.EXACTLY_ONCE
（3）配置Kafka读取数据的消费者的隔离级别
这里所说的Kafka，是写入的外部系统。预提交阶段数据已经写入，只是被标记为“未提交”（uncommitted），而Kafka中默认的隔离级别isolation.level是read_uncommitted，也就是可以读取未提交的数据。这样一来，外部应用就可以直接消费未提交的数据，对于事务性的保证就失效了。所以应该将隔离级别配置
为read_committed，表示消费者遇到未提交的消息时，会停止从分区中消费数据，直到消息被标记为已提交才会再次恢复消费。当然，这样做的话，外部应用消费数据就会有显著的延迟。
（4）事务超时配置
Flink的Kafka连接器中配置的事务超时时间transaction.timeout.ms默认是1小时，而Kafka集群配置的事务最大超时时间transaction.max.timeout.ms默认是15分钟。所以在检查点保存时间很长时，有可能出现Kafka已经认为事务超时了，丢弃了预提交的数据；而Sink任务认为还可以继续等待。如果接下来检查点保存成功，发生故障后回滚到这个检查点的状态，这部分数据就被真正丢掉了。所以这两个超时时间，前者应该小于等于后者。

public class KafkaEOSDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();// 代码中用到hdfs，需要导入hadoop依赖、指定访问hdfs的用户名System.setProperty("HADOOP_USER_NAME", "atguigu");// TODO 1、启用检查点,设置为精准一次env.enableCheckpointing(5000, CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);CheckpointConfig checkpointConfig = env.getCheckpointConfig();checkpointConfig.setCheckpointStorage("hdfs://hadoop102:8020/chk");checkpointConfig.setExternalizedCheckpointCleanup(CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);// TODO 2.读取kafkaKafkaSource<String> kafkaSource = KafkaSource.<String>builder().setBootstrapServers("hadoop102:9092,hadoop103:9092,hadoop104:9092").setGroupId("atguigu").setTopics("topic_1").setValueOnlyDeserializer(new SimpleStringSchema()).setStartingOffsets(OffsetsInitializer.latest()).build();DataStreamSource<String> kafkasource = env.fromSource(kafkaSource, WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)), "kafkasource");/*** TODO 3.写出到Kafka* 精准一次 写入Kafka，需要满足以下条件，缺一不可* 1、开启checkpoint* 2、sink设置保证级别为 精准一次* 3、sink设置事务前缀* 4、sink设置事务超时时间： checkpoint间隔 <  事务超时时间  < max的15分钟*/KafkaSink<String> kafkaSink = KafkaSink.<String>builder()// 指定 kafka 的地址和端口.setBootstrapServers("hadoop102:9092,hadoop103:9092,hadoop104:9092")// 指定序列化器：指定Topic名称、具体的序列化.setRecordSerializer(KafkaRecordSerializationSchema.<String>builder().setTopic("ws").setValueSerializationSchema(new SimpleStringSchema()).build())// TODO 3.1 精准一次,开启 2pc.setDeliveryGuarantee(DeliveryGuarantee.EXACTLY_ONCE)// TODO 3.2 精准一次，必须设置 事务的前缀.setTransactionalIdPrefix("atguigu-")// TODO 3.3 精准一次，必须设置 事务超时时间: 大于checkpoint间隔，小于 max 15分钟.setProperty(ProducerConfig.TRANSACTION_TIMEOUT_CONFIG, 10*60*1000+"").build();kafkasource.sinkTo(kafkaSink);env.execute();}
}
// 后续读取“ws”这个topic的消费者，要设置事务的隔离级别为“读已提交”，如下：
public class KafkaEOSDemo2 {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();// 消费 在前面使用两阶段提交写入的TopicKafkaSource<String> kafkaSource = KafkaSource.<String>builder().setBootstrapServers("hadoop102:9092,hadoop103:9092,hadoop104:9092").setGroupId("atguigu").setTopics("ws").setValueOnlyDeserializer(new SimpleStringSchema()).setStartingOffsets(OffsetsInitializer.latest())// TODO 作为 下游的消费者，要设置 事务的隔离级别 = 读已提交.setProperty(ConsumerConfig.ISOLATION_LEVEL_CONFIG, "read_committed").build();env.fromSource(kafkaSource, WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)), "kafkasource").print();env.execute();}
}