[大数据]【Flink】Flink特点、运行时架构

flink特点

又快又准，精准一次性。

分层API

1. SQL 最高层语言
2. Table API 声明式领域专用语言
3. DataStream / DataSet API 核心API
4. 有状态流处理 底层API

flink与spark对比

① 数据处理架构

spark基于批，flink基于流。
针对流数据处理，spark先把流转为微批数据，然后再处理；flink直接处理流数据，来一个处理一个。针对批数据处理，flink认为批数据是有界的流。

② 数据模型

spark：RDD模型，SparkStreaming的DStream实际上也是一组组小批数据RDD的集合；
flink：基本数据模型就是数据流，以及事件Event序列。

③ 运行架构

spark：是计算，将DAG划分为不同的stage，一个stage完成后，统一shuffle之后，才可以给到下一个stage做计算；
flink：是标准的流执行模式，一个事件在一个节点处理完后，可以直接发往下一个节点进行处理。

Hello word 批处理

1. 创建执行环境 ExecutionEnvironment
2. 从文件中读取数据 dataSet = env.readTextFile(“filename”)
3. 将每行数据进行分词，转换成二元组类型：将一行文本进行分词，将每个单词转换成二元组输出；
4. 按照二元组第一个位置（单词）分组
5. 按照二元组第二个位置（出现数量）求和，统计出现次数总和
6. 打印结果

DataSet基本已经被软弃用了，后续统一使用DataStream处理批数据和流数据。

Hello word 有界流处理

基于DataStream，有界流（文件）：与上面的批处理几乎一样，不同点是：①执行环境不同，StreamExecutionEnvironment执行环境中的数据类型都是DataStream；②需要启动执行；③打印结果不同，这里能看到单词个数逐渐增加的过程；打印结果不同点2，前面能看到线程号，相同的单词会分发到相同的子任务中，跑在同一个线程中，所以相同的单词，前面的线程号是相同的；

1. 创建执行环境 StreamExecutionEnvironment
2. 从文件中读取数据 dataStream = env.readTextFile(“filename”)
3. 将每行数据进行分词，转换成二元组类型：将一行文本进行分词，将每个单词转换成二元组输出；
4. 按照二元组第一个位置（单词）分组
5. 按照二元组第二个位置（出现数量）求和，统计出现次数总和
6. 打印结果
7. 启动执行

Hello word 无界流处理

基于DataStream，无界流（netcat）：nc -lk 7777 在当前电脑中绑定一个端口7777，可以往这个端口发送消息。
与有界流的处理几乎完全一样，只有一点不同：就是读取流的方式，无界流是socketTextStream。

1. 创建执行环境 StreamExecutionEnvironment
2. 从文件中读取数据 dataStream = env.socketTextStream(“hadoop111”， 7777)（可以从参数中提取主机名和端口号）
3. 将每行数据进行分词，转换成二元组类型：将一行文本进行分词，将每个单词转换成二元组输出；
4. 按照二元组第一个位置（单词）分组
5. 按照二元组第二个位置（出现数量）求和，统计出现次数总和
6. 打印结果
7. 启动执行

Flink部署和启动

Flink Client提交任务Job给JobManager，由JobManager将任务分配给TaskManager们去完成工作。

部署模式

1. 会话模式：适用于单个任务执行时间短，任务较多的情景。集群启动，单个任务完成了，并不会关闭集群，减少集群反复启停带来的资源消耗。
2. 单作业模式：常用，适用于单个任务执行时间长的情景。有任务提交，集群启动，该任务完成，集群关闭。
3. 应用模式：将任务提交给JobManager，去做解析执行，根据一个项目启动一个集群。

独立模式、Yarn模式的会话和单作业要会一种。
K8S基于Docker镜像。

运行时架构（系统架构、作业提交流程、重要概念）

系统架构

1. Flink代码运行，经过优化器和图构建器，生成数据流图，客户端把数据流图发送给JobManager。提交后，任务的执行与客户端就没有关系了，客户端只是更新计算状态和计算结果。
2. JobManager拿到数据流图后，将数据流图转化为作业图，再将作业图转化为执行图，将执行图分发给TaskManager。JobManager里，有通信系统，可以和客户端、所有的TaskManager通信；还有作业调度器、检查点协调器用来做作业的调度和检查点的协调。JobManager将作业分发下去之后，所有的任务执行就与JobManager没有关系了，而是由TaskManager去做。
3. TaskManager收到任务执行图后，把任务拆分开，放到Task Slot中执行，Task Slot是执行一个任务所需的最小的一块资源，在这部分资源上就可以单独的去执行一个任务。不同的TaskManager上有多个Slot，就可以并行执行多个任务。在执行任务的过程中，多个TaskManager之间也可以有数据的交换。每个TaskManager上还会有内存和IO管理器、网络管理器、通信系统。TaskManager的通信系统用于与JobManager交互，发送心跳信息，当前状态，统计指标的监控信息；JobManager可以给TaskManager发送一些部署命令、停止命令、触发检查点的命令。如：点了Cancel Job按钮后，是由客户端提交了停止命令给JobManager，JobManager转发给所有的TaskManager，取消所有的Task。

作业管理器 JobManager

JobManager是控制一个应用程序执行的主进程，是Flink集群中任务管理和调度的中心。

一个Flink集群只有一个JobManager。

包含三个核心组件：JobMaster（控制、调度作业）、ResourceManager（分配、管理资源）、Dispatcher。

1. JobMaster：
   最核心。JobMaster负责处理单独的作业Job，所以与Job数量一一对应，可以有多个Job，自然也可以有多个JobMaster。
   作业提交时，JobMaster先接收到客户端发来的要执行的作业，一般包括：Jar包，数据流图，作业图。
   JobMaster将这些东西转换成执行图，执行图中包含了所有可以并发执行的任务。
   JobMaster向资源管理器发出请求，申请执行任务必要的资源。
   一旦获取到了足够的资源，JobMaster就会将执行图分发到TaskManager上。
   在运行过程中，JobMaster会负责所有需要中央协调的操作，如检查点的协调（定期存盘，故障恢复机制）。

2. 资源管理器 ResourceManager
   负责资源的分配和管理，整个Flink集群中只有一个，总管只能有一个。
   因为每个任务都需要分配到一个TaskManager的Slot上去执行，所以这个Slot就是资源，需要被管理。
   任务槽就是Flink集群中的资源调配单元，包含了用来计算的一组CPU和内存资源。
   Slot对资源的隔离主要隔离的是内存，CPU是分时复用的，不好隔离。

3. 分发器 Dispatcher
   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在架构中不是必需的，在不同的部署模式下可能会被忽略掉。

任务管理器 TaskManager

TaskManager是Flink中的工作进程。
一个Flink集群中，一般有多个TaskManager，每个TaskManager都包含了一定数量的Slots。
插槽数量，限制了该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插槽，让资源管理器知道当前插槽数量和使用情况。
TaskManager收到资源管理器的指令后，就会将一个或多个插槽提供给JobMaster调用。JobMaster就可以向插槽分配任务来执行了。
执行过程中，一个TaskManager可以跟运行同一应用程序的其他TaskManager交换数据，数据流在这些运行同一应用程序的TaskManager之间传输。每个TaskManager有自己的Buffer，去做数据缓冲。

作业提交流程

概况性的流程图：

standalone会话模式

yarn 会话模式

会话模式下，先有分发器和ResourceManager，等有了任务才会有JobMaster和TaskManager。

yarn 单作业模式

单作业模式下，没有Flink集群，客户端提交任务触发构建Flink的JobManager。

重要概念

1. 并行度：数据并行
   （1）任务并行：任务123，1进入下一个流程了，当前流程可以读取处理2，依次往后；
   （2）数据并行：同一个算子中可以同时执行任务1和任务2。每一个算子operator可以包含一个或多个子任务，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。一个特定算子的子任务（subtask）的个数就是它的并行度。
   （3）设置并行度优先级（控制的范围越小优先级越高）：每个算子设置的并行度>环境设置的并行度>提交作业的时候命令行中设置的并行度（-p 2）>配置文件中设置的并行度

2. 数据传输形式：一个程序中，不同的算子可能具有不同的并行度，算子与算子之间传输形式有两种，one-to-one（forwarding）和redistributing。
   计划图合并的依据：算子之间是one-to-one的关系（就是one-to-one操作），且并行度相同，可以合并。如：source-map如果并行度相同，可以合并；keyby不是one-to-one操作。

3. 执行图😊：Flink中的执行图分为4层：SteamGraph----》JobGraph----》ExecutionGraph----》物理执行图。
   StreamGraph：根据代码生成的最初的图，能展示程序的拓扑结构。
   JobGraph：客户端优化SteamGraph从而得到JobGraph，提交给JobManager。JobGraph是客户端提交给JobManager的数据结构。主要的优化就是能合算子链，将多个符合条件的节点链在一起作为一个节点。
   ExecutionGraph：JobManager根据JobGraph生成ExecutionGraph。ExecutionGraph是JobGraph的并行化版本，是调度层最核心的数据结构。
   物理执行图：JobManager根据ExecutionGraph对Job进行调度后，在各个TaskManager上部署Task后形成的图，并不是一个数据结构。

按照并行度展开，执行任务后，如何向下游传输：


4. 任务（Task）和任务槽（Task Slots）

（1）Flink中每一个TaskManager都是一个JVM进程，他可能会在独立的线程上执行一个或多个子任务。
（2）为了控制一个TaskManager最多能接收多少个task，TaskManager通过task slots来进行控制，一个TaskManager至少有一个slot。

5. 任务共享slot
   
   （1）默认情况下，flink允许子任务共享slot。这样，一个slot可以保存作业的整个管道。
   （2）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，他们就可以自行分配资源占用的比例，从而保证最重的活，平均分配给所有的TaskManager。大家一起平分当前的任务，允许不同的算子共享一个slot。
   （3）同一个算子的并行子任务一定要一字排开，最大算子的并行度，就是需要占据的slot个数。

6. Slot和并行度
   TaskSlot：静态概念，TaskManager具有的并发执行的能力，taskmanager.numberOfTaskSlots
   并行度：动态概念，TaskManager运行程序时实际使用的并发能力，parallelism.default
   设置slot共享组：默认所有算子都在一个default共享组，可以通过.slotSharingGroup(“1”)设置当前算子和之后的所有算子都在共享组1中。

三个问题：
1.怎样从Flink程序得到任务？
程序与数据流：Flink上运行的程序会被映射成逻辑数据流dataflows，每个dataflows包含了3个部分：sources----transformations----sinks，类似于有向无环图DAG。大部分情况下，程序中的transformations与dataflows算子operator往往一一对应。

2.一个流处理程序，到底包含多少个任务？
以上图为例，共source、flatmap、keyby3步操作，source 1个任务，flatmap 2个任务， keyby 2个任务，一共5个任务。

3.最终执行任务，需要占用多少Slot？
根据并行度最高的定，以上图为例，需要2个slot。最好是在运行命令中加-p 2，然后sink的并行度设置为1,这样就只产生一个文件。