Flink批流一體實現原理是什么

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實現批處理的技術許許多多，從各種關系型數據庫的sql處理，到大數據領域的MapReduce，Hive，Spark等等。這些都是處理有限數據流的經典方式。而Flink專注的是無限流處理，那么他是怎么做到批處理的呢？

無限流處理：輸入數據沒有盡頭；數據處理從當前或者過去的某一個時間 點開始，持續不停地進行

另一種處理形式叫作有限流處理，即從某一個時間點開始處理數據，然后在另一個時間點結束。輸入數據可能本身是有限的（即輸入數據集并不會隨著時間增長），也可能出于分析的目的被人為地設定為有限集（即只分析某一個時間段內的事件）。

顯然，有限流處理是無限流處理的一種特殊情況，它只不過在某個時間點停止而已。此外，如果計算結果不在執行過程中連續生成，而僅在末尾處生成一次，那就是批處理（分批處理數據）。

批處理是流處理的一種非常特殊的情況。在流處理中，我們為數據定義滑 動窗口或滾動窗口，并且在每次窗口滑動或滾動時生成結果。批處理則不同，我們定義一個全局窗口，所有的記錄都屬于同一個窗口。舉例來說， 以下代碼表示一個簡單的Flink 程序，它負責每小時對某網站的訪問者計數，并按照地區分組。

val counts = visits
.keyBy("region")
.timeWindow(Time.hours(1))
.sum("visits")

如果知道輸入數據是有限的，則可以通過以下代碼實現批處理。

val counts = visits
.keyBy("region")
.window(GlobalWindows.create)
.trigger(EndOfTimeTrigger.create)
.sum("visits")

Flink 的不尋常之處在于，它既可以將數據當作無限流來處理，也可以將它當作有限流來處理。Flink 的 DataSet API 就是專為批處理而生的，如下所示。

val counts = visits
.groupBy("region")
.sum("visits")

如果輸入數據是有限的，那么以上代碼的運行結果將與前一段代碼的相同， 但是它對于習慣使用批處理器的程序員來說更友好。

Fink批處理模型

Flink 通過一個底層引擎同時支持流處理和批處理

在流處理引擎之上，Flink 有以下機制：

• 檢查點機制和狀態機制：用于實現容錯、有狀態的處理；

• 水印機制：用于實現事件時鐘；

• 窗口和觸發器：用于限制計算范圍，并定義呈現結果的時間。

在同一個流處理引擎之上，Flink 還存在另一套機制，用于實現高效的批處理。

• 用于調度和恢復的回溯法：由 Microsoft Dryad 引入，現在幾乎用于所有批處理器；

• 用于散列和排序的特殊內存數據結構：可以在需要時，將一部分數據從內存溢出到硬盤上；

• 優化器：盡可能地縮短生成結果的時間。

兩套機制分別對應各自的API（DataStream API 和 DataSet API）；在創建 Flink 作業時，并不能通過將兩者混合在一起來同時 利用 Flink 的所有功能。

在最新的版本中，Flink 支持兩種關系型的 API，Table API 和 SQL。這兩個 API 都是批處理和流處理統一的 API，這意味著在無邊界的實時數據流和有邊界的歷史記錄數據流上，關系型 API 會以相同的語義執行查詢，并產生相同的結果。Table API 和 SQL 借助了 Apache Calcite 來進行查詢的解析，校驗以及優化。它們可以與 DataStream 和 DataSet API 無縫集成，并支持用戶自定義的標量函數，聚合函數以及表值函數。

Table API / SQL 正在以流批統一的方式成為分析型用例的主要 API。

DataStream API 是數據驅動應用程序和數據管道的主要API。

從長遠來看，DataStream API應該通過有界數據流完全包含DataSet API。

Flink批處理性能

MapReduce、Tez、Spark 和 Flink 在執行純批處理任務時的性能比較。測試的批處理任務是 TeraSort 和分布式散列連接。

第一個任務是 TeraSort，即測量為 1TB 數據排序所用的時間。

TeraSort 本質上是分布式排序問題，它由以下幾個階 段組成：

(1) 讀取階段：從 HDFS 文件中讀取數據分區；

(2) 本地排序階段：對上述分區進行部分排序；

(3) 混洗階段：將數據按照 key 重新分布到處理節點上；

(4) 終排序階段：生成排序輸出；

(5) 寫入階段：將排序后的分區寫入 HDFS 文件。

Hadoop 發行版包含對 TeraSort 的實現，同樣的實現也可以用于 Tez，因為 Tez 可以執行通過MapReduce API 編寫的程序。Spark 和 Flink 的 TeraSort 實現由 Dongwon Kim 提供.用來測量的集群由 42 臺機器組成，每臺機器 包含 12 個 CPU 內核、24GB 內存，以及 6 塊硬盤。

結果顯示，Flink 的排序時間比其他所有系統都少。MapReduce 用了2157 秒，Tez 用了1887 秒，Spark 用了2171 秒，Flink 則 只用了 1480 秒。

第二個任務是一個大數據集（240GB）和一個小數據集（256MB）之間的分布式散列連接。結果顯示，Flink 仍然是速度最快的系統，它所用的時間分別是 Tez 和 Spark 的 1/2 和 1/4.

產生以上結果的總體原因是，Flink 的執行過程是基于流的，這意味著各個處理階段有更多的重疊，并且混洗操作是流水線式的，因此磁盤訪問操作更少。相反，MapReduce、Tez 和 Spark 是基于批的，這意味著數據在通過網絡傳輸之前必須先被寫入磁盤。該測試說明，在使用Flink 時，系統空閑時間和磁盤訪問操作更少。

值得一提的是，性能測試結果中的原始數值可能會因集群設置、配置和軟件版本而異。

因此，Flink 可以用同一個數據處理框架來處理無限數據流和有限數據流，并且不會犧牲性能。

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