聊聊Flink:Flink的基础架构-轻识

一、前言

哈喽，大家好，我是微信公众号【老周聊架构】的作者老周，老周这次给大家分享下Flink系列的知识。作为Flink系列的开篇之作，我脑海中想着有没有一种很好的方式来让大家通俗易懂的了解Flink。因为你一上来就介绍Flink的一些概念和核心思想，初学的小伙伴不是那么容易接受这么生疏的东西。所以，老周想从大数据的开发总体架构来说，让大家知道Flink在大数据领域处于一个什么位置，先有个整体的概念，再对Flink娓娓道来，初始、进阶、高级，一步一步认清Flink，只有对Flink的原理掌握了，那么在开发中也会得心应手些。

二、大数据开发整体架构

2.1 数据来源层

在大数据领域，数据的来源往往是关系型数据库、日志文件（用户在Web网站和手机App中浏览相关内容时，服务器端会生成大量的日志文件）、其他非结构化数据等。要想对这些大量的数据进行离线或实时分析，需要使用数据传输工具将其导入Hadoop平台或其他大数据集群中。

2.2 数据传输层

常用的数据传输工具有Flume、Sqoop、Kafka。Flume是一个日志收集系统，用于将大量日志数据从不同的源进行收集、聚合，最终移动到一个集中的数据中心进行存储。Sqoop主要用于将数据在关系型数据库和Hadoop平台之间进行相互转移。Kafka是一个分布式消息引擎，它可以实时处理大量消息数据以满足各种需求，相当于数据中转站。

2.3 数据存储层

数据可以存储于分布式文件系统HDFS中，也可以存储于分布式数据库HBase中，而HBase的底层实际上还是将数据存储于HDFS中。此外，为了满足对大量数据的快速检索与统计，可以使用Elasticsearch作为全文检索引擎。

2.4 资源管理层

YARN是大数据开发中常用的资源管理器，它是一个通用资源（内存、CPU）管理系统，不仅可以集成于Hadoop中，也可以集成于Flink、Spark等其他大数据框架中。

2.5 数据计算层

MapReduce是Hadoop的核心组成部分，可以结合Hive通过SQL的方式进行数据的离线计算，当然也可以单独编写MapReduce应用程序进行计算。Storm用于进行数据的实时计算，可以非常容易地实时处理无限的流数据。Flink提供了离线计算库和实时计算库两种，离线计算库支持FlinkML（机器学习）、Gelly（图计算）、基于Table的关系操作，实时计算库支持CEP（复杂事件处理），同时也支持基于Table的关系操作。

2.6 任务调度层

Oozie是一个用于Hadoop平台的工作流调度引擎，可以使用工作流的方式对编写好的大数据任务进行调度。若任务不复杂，则可以使用Linux系统自带的Crontab定时任务进行调度。

2.7 业务模型层

对大量数据的处理结果最终需要通过可视化的方式进行展示。可以使用Java、PHP等处理业务逻辑，查询结果数据库，最终结合ECharts等前端可视化框架展示处理结果。

我们从另一个角度来看看Flink在大数据开发整体架构中位置，看完估计你心里有个底了。

三、Flink是什么

Apache Flink是一个框架和分布式处理引擎，用于对无边界和有边界的数据流进行有状态的计算。Flink被设计为可以在所有常见集群环境中运行，并能以内存速度和任意规模执行计算。

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。

我们再来看离线批计算与实时流计算：

批计算：有界流

流式计算：无界流

批计算：针对有界流，在计算结果前可以看到整个数据集。
流计算：针对无界流，永远无法看到输入数据的整体，数据的输入无法看到结束，数据到达就计算，输出当时(实时)的计算结果；输出结果也是一个无界流；数据到达也可以理解为可以把无界流变成有界流在计算，比如时间划分，数据量划分。

这里Flink把流计算和批计算进行了API层面的统一，是一个流批一体的计算框架。

3.1 Flink的特性

3.1.1 Flink核心特性

支持高吞吐、低延迟、高性能的流处理
支持带有事件时间的窗口（Window）操作
支持有状态计算的 Exactly-once 语义
支持高度灵活的窗口（time/count/session）Window 操作，以及 data-driven 驱动
支持具有 BackPressure 功能的持续流模型
支持基于轻量级分布式快照（Snapshot）实现的容错
一个运行时同时支持 Batch on Streaming 处理和 Streaming 处理
Flink 在 JVM 内部实现了自己的内存管理
支持迭代计算
支持程序自动优化：避免特定情况下 Shuffle、排序等昂贵操作，中间结果进行缓存。

3.1.2 Flink特点

Correctness guarantees: 恰好一次状态一致性、事件时间处理、复杂的后期数据处理
Layered APIs: 流式和批量数据上的 SQL、数据流 API 和数据集 API、ProcessFunction（时间和状态）
Operational focus: 灵活部署、可靠性、checkpoint
Scalability: 横向扩展架构、支持非常大的状态、增量检查点
Performance: 低延迟、高吞吐量、内存计算

3.1.3 Flink关键特性

低延时：提供 ms 级时延的处理能力
Exactly Once：提供异步快照机制，保证所有数据真正处理一次
HA：JobManager 支持主备模式，保证无单点故障
水平扩展能力：TaskManager 支持手动水平扩展

3.2 流计算框架对比

四、Flink的主要组件

Deploy层：该层主要涉及了Flink的部署模式，Flink支持多种部署模式：本地、集群（Standalone/YARN）、云（GCE/EC2），Standalone部署模式与Spark类似。
Runtime层：Runtime层提供了支持Flink计算的全部核心实现，比如：支持分布式Stream处理、Job Graph到Execution Graph的映射、调度等，为上层API层提供基础服务。
API层：API层主要实现了面向无界Stream的流处理和面向Batch的批处理API，其中面向流处理对应DataStream API，面向批处理对应DataSet API。
Libraries层：该层也可以称为Flink应用框架层，根据API层的划分，在API层之上构建的满足特定应用的实时计算框架，也分别对应于面向流处理和面向批处理两类。面向流处理支持：CEP（复杂事件处理）、SQL-like的操作（基于Table的关系操作）；面向批处理支持：FlinkML（机器学习库）、Gelly（图处理）。

五、编程接口

Flink提供了丰富的数据处理接口，并将接口抽象成3层，由下向上分别为Stateful Stream Processing API、DataStream/DataSet API、SQL/Table API，开发者可以根据具体需求选择任意一层接口进行应用开发。

5.1 Stateful Stream Processing API

Flink中处理有状态流最底层的接口，它通过Process Function（低阶API，Flink提供的最具表达力的底层接口）嵌入DataStream API中，允许用户自由地处理一个或多个流中的事件，并使用一致的容错状态。此外，用户可以注册事件时间和处理时间回调，从而允许程序实现复杂的计算。用户可以通过这个API接口操作状态、时间等底层数据。

使用Stateful Stream Process API接口可以实现非常复杂的流式计算逻辑，开发灵活性非常强，但是用户使用成本也相对较高。

5.2 DataStream/DataSet API

实际上，大多数应用程序不需要上述低级抽象，而是针对核心API进行编程的，例如DataStream API和DataSet API。DataStream API用于处理无界数据集，即流处理；DataSet API用于处理有界数据集，即批处理。这两种API都提供了用于数据处理的通用操作，例如各种形式的转换、连接、聚合等。

低级Process Function与DataStream API集成在一起，从而使得仅对某些操作进行低级抽象成为可能。DataSet API在有限的数据集上提供了其他原语，例如循环／迭代。

5.3 SQL/Table API

Table API作为批处理和流处理统一的关系型API，即查询在无界实时流或有界批数据集上以相同的语义执行，并产生相同的结果。Flink中的Table API通常用于简化数据分析、数据流水线和ETL应用程序的定义。

Table API构建在DataStream/DataSet API之上，提供了大量编程接口，例如GroupByKey、Join等操作，是批处理和流处理统一的关系型API，使用起来更加简洁。使用Table API允许在表与DataStream/DataSet数据集之间无缝切换，并且可以将Table API与DataStream/DataSet API混合使用。

Table API的原理是将内存中的DataStream/DataSet数据集在原有的基础上增加Schema信息，将数据类型统一抽象成表结构，然后通过Table API提供的接口处理对应的数据集，从而简化数据分析。

此外，Table API程序还会通过优化规则在数据处理过程中对处理逻辑进行大量优化。

Flink提供的最高级别的抽象是SQL API。这种抽象在语义和表达方式上均类似于Table API，但是将程序表示为SQL查询表达式。SQL抽象与Table API紧密交互，并且可以对Table API中定义的表执行SQL查询。此外，SQL语言具有比较低的学习成本，能够让数据分析人员和开发人员快速上手。

六、程序结构

在Hadoop中，实现一个MapReduce应用程序需要编写Map和Reduce两部分；在Storm中，实现一个Topology需要编写Spout和Bolt两部分；同样，实现一个Flink应用程序也需要同样的逻辑。

一个Flink应用程序由3部分构成，或者说将Flink的操作算子可以分成3部分，分别为Source、Transformation和Sink。

· Source：数据源部分。负责读取指定存储介质中的数据，转为分布式数据流或数据集，例如readTextFile()、socketTextStream()等算子。Flink在流处理和批处理上的Source主要有4种：基于本地集合、基于文件、基于网络套接字Socket和自定义Source。

· Transformation：数据转换部分。负责对一个或多个数据流或数据集进行各种转换操作，并产生一个或多个输出数据流或数据集，例如map()、flatMap()、keyBy()等算子。

· Sink：数据输出部分。负责将转换后的结果数据发送到HDFS、文本文件、MySQL、Elasticsearch等目的地，例如writeAsText()算子。

Flink应用程序可以消费来自消息队列或分布式日志这类流式数据源（例如Apache Kafka或Kinesis）的实时数据，也可以从各种数据源中消费有界的历史数据。同样，Flink应用程序生成的结果流也可以发送到各种数据存储系统中（例如数据库、对象存储等）。

知道Flink的程序结构至关重要，知道了结构后才是深入Flink的第一步。说实话，Flink难也难，你说简单也简单，你看它的程序结构，就是围绕Source、Transformation和Sink这三种类型的算子在玩。

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