我们在学习Flink的时候,到底在学习什么?

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这是一篇指南和大纲性质的文章。

Flink经过2年左右的官方和社区的大规模推广,现在国内的一众大小企业基本都在使用。

后台很多小伙伴都在问Flink的学习路径,那么我们在学习Flink的时候,到底重点学习哪些东西呢?

从我个人的学习经历来看,在学习任何一个新出现的框架或者技术点的时候,核心方法就是:【先看背景,整理大纲,逐个击破】。

核心背景和论文

知其然且知其所以然。

Flink框架自提出到实现,是有深厚的理论作为背书的,其中又以《Lightweight Asynchronous Snapshots for Distributed Dataflows》最为核心,本文提出了一种轻量级的异步分布式快照(Asynchronous Barrier Snapshot, 简称ABS)方法,既支持无环图,又支持有环图,而且可以做到线性扩展。

传统的流式计算由算子节点和连接算子的数据管道组成,传统的分布式快照方案就像拍照片一样,把每个算子内的state状态和彼此相连管道中的数据都保存下来。ABS方案的提出对传统的流式计算引擎的设计方案可以说是颠覆性的。

另外一篇是《Apache FlinkTM: Stream and Batch Processing in a Single Engine》,严格来说这篇论文是一篇Flink的概要设计文档。可以当成一个技术文档来看,对于很多我们难以理解的设计都有很大的帮助。

此外,《The world beyond batch: streaming 101/102》是由Google的大神Tyler Akidau写的两篇文章。第1篇文章,在深入了解时间,对批处理和流式数据常见处理方式进行高阶阐述之前,介绍一些基本的背景知识和术语。第2篇文章主要介绍包括Google Dataflow大数据平台使用的统一批量+流式传输模式。这两篇文章对于我们理解Flink中的时间、窗口、触发器等等的实现有十分重要的指导意义。并且作者还在YouTube上传了动画,可谓用心良苦,各位各凭本事翻墙去找吧。

基础概念

如果你读过了上面的核心论文,那么你就会对Flink中一些概念的提出有更为深刻的理解,在Flink这个框架中,延用了很多之前Hadoop体系或者Spark中的设计概念。

这里面最核心的概念包括:

  • 流(无界流、有界流)和转换

  • State和checkpoint

  • 并行度

  • Workers,Slots,Resources

  • 时间和窗口

  • ...

此外还有一些例如:分布式缓存、重启策略等。当然在Flink SQL中还有一些特定的概念,例如:Window Aggregate、Non-window Aggregate、Group Aggregate、Append Stream等等。

上面这些核心概念是我们学习Flink框架的基础。

核心模块

我们直接把官网的图拿过来,这张图上基本就是Flink框架整体的设计思想和模块要拆分:

那么对于我们数据开发来说,里面最核心的包分配我们看一下Github:

我把其中核心的实现用红框圈出来了。

源码阅读

根据上面我们选择的核心模块,我们大概可以得知,整个Flink的核心实现包含了:

  • Flink 基本组件和逻辑计划:介绍了 Flink 的基本组件、集群构建的过程、以及客户端逻辑计划的生成过程

  • Flink 物理计划生成:介绍了 Flink JobManager 对逻辑计划的运行时抽象,运行时物理计划的生成和管理等

  • Jobmanager 基本组件和TaskManager的基本组件

  • Flink 算子的生命周期:介绍了 Flink 的算子从构建、生成、运行、及销毁的过程

  • Flink 网络栈:介绍了 Flink 网络层的抽象,包括中间结果抽象、输入输出管理、BackPressure 技术、Netty 连接等

  • Flink的水印和Checkpoint

  • Flink-scheduler:介绍 Flink 的任务调度算法及负载均衡

  • Flink对用户代码异常处理:介绍作业的代码异常后 Flink 的处理逻辑,从而更好的理解 Flink 是如何保证了 exactly-once 的计算语义

  • Flink Table/SQL 执行流程、Flink和Hive的集成等

行业应用

Flink的行业应用,我们在之前的文章中反复提及。主要的应用:

  • 实时数据计算

如果你对大数据技术有所接触,那么下面的这些需求场景你应该并不陌生:

各大电商每年双十一都会直播,实时监控大屏是如何做到的?

公司想看一下大促中销量最好的商品 TOP5?

我是公司的运维,希望能实时接收到服务器的负载情况?

我们可以看到,数据计算场景需要从原始数据中提取有价值的信息和指标,比如上面提到的实时销售额、销量的 TOP5,以及服务器的负载情况等。

传统的分析方式通常是利用批查询,或将事件(生产上一般是消息)记录下来并基于此形成有限数据集(表)构建应用来完成。为了得到最新数据的计算结果,必须先将它们写入表中并重新执行 SQL 查询,然后将结果写入存储系统比如 MySQL 中,再生成报告。

Apache Flink 同时支持流式及批量分析应用,这就是我们所说的批流一体。Flink 在上述的需求场景中承担了数据的实时采集、实时计算和下游发送。

  • 实时数据仓库和 ETL

ETL(Extract-Transform-Load)的目的是将业务系统的数据经过抽取、清洗转换之后加载到数据仓库的过程。

传统的离线数据仓库将业务数据集中进行存储后,以固定的计算逻辑定时进行 ETL 和其他建模后产出报表等应用。离线数据仓库主要是构建 T+1 的离线数据,通过定时任务每天拉取增量数据,然后创建各个业务相关的主题维度数据,对外提供 T+1 的数据查询接口。

上图展示了离线数据仓库 ETL 和实时数据仓库的差异,可以看到离线数据仓库的计算和数据的实时性均较差。数据本身的价值随着时间的流逝会逐步减弱,因此数据发生后必须尽快的达到用户的手中,实时数仓的构建需求也应运而生。

实时数据仓库的建设是“数据智能 BI”必不可少的一环,也是大规模数据应用中必然面临的挑战。

Flink 在实时数仓和实时 ETL 中有天然的优势:

  • 状态管理,实时数仓里面会进行很多的聚合计算,这些都需要对于状态进行访问和管理,Flink 支持强大的状态管理

  • 丰富的 API,Flink 提供极为丰富的多层次 API,包括 Stream API、Table API 及 Flink SQL

  • 生态完善,实时数仓的用途广泛,Flink 支持多种存储(HDFS、ES 等)

  • 批流一体,Flink 已经在将流计算和批计算的 API 进行统一。

  • 事件驱动型应用

你是否有这样的需求:

我们公司有几万台服务器,希望能从服务器上报的消息中将 CPU、MEM、LOAD 信息分离出来做分析,然后触发自定义的规则进行报警?我是公司的安全运维人员,希望能从每天的访问日志中识别爬虫程序,并且进行 IP 限制?

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。

在传统架构中,我们需要读写远程事务型数据库,比如 MySQL。在事件驱动应用中数据和计算不会分离,应用只需访问本地(内存或磁盘)即可获取数据,所以具有更高的吞吐和更低的延迟。

Flink 的以下特性完美的支持了事件驱动型应用:

  • 高效的状态管理,Flink 自带的 State Backend 可以很好的存储中间状态信息

  • 丰富的窗口支持,Flink 支持包含滚动窗口、滑动窗口及其他窗口

  • 多种时间语义,Flink 支持 Event Time、Processing Time 和 Ingestion Time

  • 不同级别的容错,Flink 支持 At Least Once 或 Exactly Once 容错级别

我们也看到了,Flink目前在各大公司的应用基本集中在以上3个方面。此外,未来的数据领域我们看到了一些例如:

  • Flink和IceBerg等框架结合打造未来的数据湖

  • 基于Flink的IOT解决方案

上述一些新兴的领域,Flink也会有一些应用。此外,如果你把Flink当成了算法执行引擎,那么FlinkML可能就是你研究的重点。


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