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Flink笔记1

当前使用Flink版本为： Flink-1.17.2

先暂停，感觉大数据目前用不上，后续再学。。。。。

Flink介绍

Apache Flink官网 https://flink.apache.org/

Apache Flink 是一个开源的分布式数据处理框架，旨在处理实时数据流和批处理数据。它提供了高性能、高吞吐量的数据流处理引擎，允许开发者编写复杂的流处理应用程序，处理来自多种数据源的数据流。

Flink的应用场景

• 电商和市场营销：实时数据报表，实时推荐。
• 物联网（IOT）：传感器的实时数据采集，实时交通运输等。
• 物流服务业：订单实时更新，信息实时推送。
• 金融业：业务实时结算，业务实时监测。

如图所示，各种各样的数据经过Flink计算处理之后，可以传输给应用，日志，数据库等。

Flink的主要特点和特性如下

1. 流处理模型: 支持事件驱动的流处理模型，能够处理无界和有界的数据流，并提供了精确的事件时间处理机制。
2. 状态管理: 内置支持状态管理，允许在流处理应用中有效地管理和访问状态，以实现更复杂的业务逻辑。
3. 容错性: 具备高度的容错性，通过检查点（checkpoint）机制和分布式快照（snapshot）技术，能够在节点故障时保证数据不丢失并恢复到一致状态。
4. 可扩展性: 可以水平扩展以处理大规模数据集和高并发的数据处理任务，支持在集群中动态分配和调度任务。
5. 与其他系统集成: 支持各种存储系统（如 Kafka、Hadoop HDFS）、消息队列系统（如 RabbitMQ）、数据仓库（如 Hive）、以及其他计算框架（如 Apache Spark）无缝集成，使其成为现代大数据处理生态系统中的一个重要组成部分。

总之，Apache Flink 是一个强大而灵活的数据流处理框架，用于实时数据流处理和批处理任务，广泛应用于大数据分析、实时数据仓库、监控和警报、实时推荐等领域。

什么是有界数据流和无界数据流？

• 无界数据流：是指该数据流只有开始，没有结束。即无界数据流会无休止的产生数据。因此无界数据流的数据需要长期持续处理。

• 有界数据流：是指该数据库有开始，有结束。即有界数据流可以在获取到所有数据之后再进行计算处理。因此有界数据流处理也被称为批量数据处理。

Flink 和 SparkStreaming 的区别

1. 处理模型上：Flink采用的是基于事件时间的处理模型。Spark Streaming使用的是微批处理模型。
2. 状态管理：Flink 提供了内置的状态管理机制，支持在流处理过程中有效管理和访问状态。Spark Streaming 不提供状态管理机制。
3. 延迟和吞吐量: Flink 通常能够实现更低的处理延迟。Spark Streaming 的微批处理模型会导致一定的批处理延迟。
4. 容错性: Flink 使用分布式快照技术来实现高效的容错性。Spark Streaming 通过 Spark 的 RDD lineage 来实现容错性。

Flink的两个重要概念：JobManager 和 TaskManager

JobManager（作业管理器）

在 Apache Flink 中，JobManager 是 Flink 的主要协调节点和控制中心。它负责管理和调度整个作业的执行过程。

JobManager 的主要职责包括:

1. 作业管理与调度:
   • 接收来自客户端的作业提交请求，并将作业转化为作业图（JobGraph）。
   • 将作业图分解为任务（Tasks）并分配给集群中的 TaskManager 执行。
   • 协调任务的执行顺序和并行度，确保作业能够按照预期的流程执行。
2. 故障恢复:
   • 监控整个作业的执行状态和 TaskManager 的健康状况。
   • 在 TaskManager 失效或者任务执行失败时，负责重新调度任务实例以保证作业的完成。
3. 资源管理：
   • 与资源管理器（如 YARN、Kubernetes 或者自带的 Standalone 部署）进行交互，以获取运行作业所需的计算资源（CPU、内存等）。
   • 动态地管理集群中 TaskManager 的数量和资源配置，以适应作业的需求变化。

总之，JobManager 在 Flink 中是非常重要的组件，它负责管理整个作业的生命周期，保证作业能够高效、可靠地在Flink集群中运行并完成。

TaskManager（任务管理器）

在 Apache Flink 中，TaskManager 是执行作业任务的工作组件。TaskManager 负责实际执行作业中定义的各个任务（Tasks）。

TaskManager 的主要职责包括：

1. 任务执行: 接收来自 JobManager 的任务部署描述，并根据描述实例化并执行具体的任务。
2. 状态管理：负责管理和维护任务执行过程中的状态。包括任务运行时的数据状态和状态变化等。
3. 数据交换与通信：处理与其他 TaskManager 之间的数据交换和通信。
4. 资源管理：管理 TaskManager 节点上的计算资源，包括 CPU、内存等资源的分配和利用。

在一个 Flink 集群中，通常会有多个 TaskManager 节点组成，每个 TaskManager 可以同时执行一个或多个任务，具体取决于作业的并行度设置和资源配置。并且 TaskManager 负责从输入源接收数据、执行数据转换操作（如 map、reduce 等）、并将结果输出到外部系统或下游任务。

通过多个 TaskManager 的协同工作，Flink 能够实现高吞吐量和低延迟的流处理能力。

如图所示，Flink内部的工作流程如下。

Flink集群的架构

当我们安装部署多个Flink，组成Flink集群的时候。需要遵循一主多从的架构方式。即一个Flink节点作为 JobManager 主节点，其他Flink节点作为 TaskManager 从节点。

Flink集群的运行模式

集群的运行模式是指，在不同的场景下集群资源的使用和分配方式，会有所区别。

Flink集群主要有以下三种运行模式：会话模式（session mode）, 单作业模式（per-job mode）, 应用模式(application mode)。

会话模式（session mode）

会话模式是指：集群启动时所有资源都已经确定，集群中的作业会互相竞争集群中的资源。

会话模式中的集群资源已经固定下来。因此会话模式适合小规模，执行时间短的大量作业。

单作业模式（per-job mode）

单作业模式：提交到Flink集群中的每个作业job都独立运行。每个作业有自己独立的资源调度和状态管理。

Flink的单作业模式，需要依赖一些资源管理框架才能运行。例如Hadoop Yarn , K8S等。

应用模式

应用模式是指：不使用客户端。直接把应用提交到JobManager中运行。一个JobManager运行一个应用。应用结束后，JobManager就关闭了。

Flink的API分层设计

如图所示是Flink的API分层设计

• 状态流处理API：该API对最原始的状态流进行加工处理。提供了底层函数。
• DataStream API (流处理) 和 DataSet API（批处理）：封装了底层的处理函数，提供通用模块。例如map,faltmap，joins,windows等算子。
• Table API: 以表为中心的api，可以把数据转换为表，也提供了操作表的方法。例如 select,join,group-by等。
• SQL：可通过SQL表达式的方式。实现各种对数据的操作。

Flink集群的部署模式

部署模式是指在不同的应用场景下，Flink集群有不同的安装部署的方式。

Standalone 模式

Standalone 模式是指独立运行Flink集群，不依赖任何外部资源管理平台。缺点是无法自动扩展资源，必须手动扩展资源。

Standalone 模式一般在开发或测试场景下使用。

YARN 模式

客户端把Flink的应用程序提交给Hadoop Yarn 的 ResourceManager。ResourceManager会向 Yarn的NodeManager 申请容器。在这些容器上，Flink会部署JobManager和TaskManager实例节点，并且启动Flink集群。Flink会根据运行在JobManager上的作业，动态分配TaskManager的资源。

K8S模式

暂无

Flink的作业提交流程

如图所示，是Flink 在 Standalone 模式下的作业提交流程图

JobManager 作业管理器

JobManager 是Flink集群中的任务管理和调度的核心，是执行的主进程。JobManager包含三个子组件。

• jobMaster: 负责单独处理作业job。即每个job有自己对应的jobMaster
• 资源管理器：负责Flink集群中的资源分配和管理，在Flink集群中只有一个。
• 分发器：主要负责提供接口给客户端进行调用。并且为每一个新提交的作业job 启动一个新的jobMaster。

TaskManager 任务管理器

TaskManager是Flink中的工作进程，具体的计算工作是它来做的。每一个TaskManager都包含了一定数量的任务槽（task slot）。

Flink的核心概念

并行度

如果处理的数据量很大，我们可以把一个算子，复制到多个节点上。并把数据分配到各个节点上的算子中执行。这样一来相当于把一个算子拆分为多个并行的算子，从而实现并行计算。

一个算子（方法）的拆分个数，称之为并行度。

算子链

一个数据流在算子之间传输数据的方式，可以是一对一的直通模式，也可以是打乱之后的重分区模式。

任务槽（Task Slot）

Flink中的每一个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。

为了控制TaskManager并行执行任务的数量，我们需要在TaskManager上对每个任务运行时所占用的资源做出了划分。即任务槽。

每个任务槽 就是 TaskManager 上的资源的一个固定大小的小资源。这个小资源用来独立执行一个子任务的。

Flink的安装和部署

此处部署三个Flink节点，其中一个主节点，两个从节点。

节点容器	负责的组件
myflink01 容器	JobManager管理组件
myflink02 容器	TaskManager工作组件
myflink03 容器	TaskManager工作组件

按顺序执行下面的docker命令

# 下载flink镜像，该镜像包含flink 1.17.2 ，scala 2.12  和 jdk11
docker pull flink:1.17.2-scala_2.12-java11

# 创建flink网络,flink的各个节点都连接用一个网络
docker network create my-flink-net

# 部署 myflink01 容器
docker run  -itd --name=myflink01 --network my-flink-net  -p 38081:8081 --env FLINK_PROPERTIES="jobmanager.rpc.address: myflink01" flink:1.17.2-scala_2.12-java11 jobmanager

# 部署 myflink02 容器  
docker run -itd --name=myflink02  --network my-flink-net  --env FLINK_PROPERTIES="jobmanager.rpc.address: myflink01" flink:1.17.2-scala_2.12-java11 taskmanager 

# 部署 myflink03 容器  
docker run -itd --name=myflink03  --network my-flink-net  --env FLINK_PROPERTIES="jobmanager.rpc.address: myflink01" flink:1.17.2-scala_2.12-java11 taskmanager

Flink集群部署成功后，浏览器访问http://localhost:38081，可以看到myflink01 容器的UI管理界面。

配置文件

我们需要修改配置文件中的配置。

flink的配置文件是容器中的 /opt/flink/conf/flink-conf.yaml

flink-conf.yaml配置解释

# jobmanager进程内存大小配置，默认为1600M
jobmanager.memory.process.size: 1600m

# taskmanager进程内存大小配置，默认为1728M
taskmanager.memory.process.size: 1728m

# taskmanager进程能分配的slot数量设置，默认为1。 slot是指taskmanager中具体运行一个任务需要分配的计算资源。
taskmanager.numberOfTaskSlots: 1

# 任务执行的并行度，默认为1
parallelism.default: 1

myflink01 容器

flink-conf.yaml文件

# jobmanager节点地址
jobmanager.rpc.address: myflink01
# 0.0.0.0 表示都可以访问，无限制
jobmanager.bind-host: 0.0.0.0

修改workers文件，把TaskManager工作组件的容器名称填写进去

myflink02
myflink03

修改master文件，把JobManager管理组件的容器名称填写进去

myflink01:8081

DataStream API

DataStream API 是 Flink 的核心层API。一个Flink应用程序，其实就是使用 DataStream API 对数据的各种转换处理。

具体来说，Flink的应用程序的代码，主要包括以下几个步骤：

1. 获取执行环境。
2. 读取数据源。
3. 进行数据处理（调用DataStream API对数据进行转换，处理）。
4. 输出计算结果。
5. 开始触发执行。

执行环境相关API

getExecutionEnvironment()方法

getExecutionEnvironment()方法会根据当前运行的上下文环境，来返回出当前运行环境。

如果程序是独立运行，则返回本地执行环境。如果是创建了jar包后运行，则返回集群的执行环境。

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建运行环境
        //getExecutionEnvironment() 方法会自动识别是本地环境还是远程集群环境。都是默认配置
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
    }
}

createLocalEnvironment() 方法

该方法返回一个本地执行环境，可传入参数，参数是并行度。默认并行度为本地环境的CPU核心数。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.createLocalEnvironment();

createRemoteEnvironment() 方法

该方法返回一个集群执行环境。调用时指定JobManager的ip和端口号，以及在集群中执行jar包。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.createRemoteEnvironment("host",IP,"jar包路径");

excute()方法

当调用执行环境的excute()方法后，会触发程序的执行。当时程序只有等到数据到来的时候，才会触发真正的计算，因此可以被成为懒执行。

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建运行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        //。。。。。。中间过程省略

        //开始触发执行程序 
        env.execute();
    }
}

数据源相关API

Flink可以从各种数据源中获取数据，然后构建为DataStream。

fromCollection()方法：从集合中获取数据

代码如下

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建流处理运行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //从集合创建流处理数据流
        List<Tuple2<String, Integer>> data = new ArrayList<>();
        data.add(new Tuple2<>("a", 1));
        data.add(new Tuple2<>("b", 2));
        data.add(new Tuple2<>("c", 3));
        DataStreamSource<Tuple2<String, Integer>> dstream = env.fromCollection(data);
        //打印流处理数据流
        dstream.print();
        //开始触发执行
        env.execute();
    }
}
//运行结果， 9>，8>，10> 是指 CPU的核心
// 9> (b,2)
// 8> (a,1)
// 10> (c,3)

readTextFile()方法：从文件中获取数据

DataStreamSource<String> ds = env.readTextFile("C:\\Users\\18271\\Desktop\\words.txt");

socketTextStream()方法：从socket流中获取数据

DataStreamSource<String> ds =env.socketTextStream("localhost",8080);

数据处理 API （转换算子和聚合算子）

从数据源获取数据后，我们可以使用各种转换算子，将一个或多个 DataStream 转换为新的 DataStream

映射方法 map(func)

map方法会对DataStream中的元素，依次调用函数进行一一处理。

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建运行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //把集合数据转换为DataStream
        DataStreamSource<Integer> ds = env.fromCollection(Arrays.asList(1, 2, 3, 4));
        //对 DataStream 调用 map方法进行转换
        SingleOutputStreamOperator<Integer> mapDs = ds.map(new MapFunction<Integer, Integer>() {
            @Override
            public Integer map(Integer value) throws Exception {
                //把处理数据乘以10并返回
                System.out.println("处理数据为 = "+value+",将其乘以10，并返回。");
                return value*10;
            }
        });
        //输出结果
        mapDs.print();
        //开始触发执行
        env.execute();
    }
}
//运行结果
// 处理数据为 = 1,将其乘以10，并返回。
// 处理数据为 = 4,将其乘以10，并返回。
// 17> 10
// 20> 40
// 处理数据为 = 3,将其乘以10，并返回。
// 处理数据为 = 2,将其乘以10，并返回。
// 19> 30
// 18> 20

过滤方法 filter(func)

根据给定的函数 func 对 DataStream 进行过滤，返回一个包含符合条件元素的新 DataStream。如果满足过滤条件（返回true或1）则数据保留。不满足（返回false或0）则数据清除。

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建运行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //把集合数据转换为DataStream
        DataStreamSource<Integer> ds = env.fromCollection(Arrays.asList(1, 2, 3, 4));

        //对 DataStream 调用 filter 方法进行转换
        SingleOutputStreamOperator<Integer> filterDS = ds.filter(new FilterFunction<Integer>() {
            @Override
            public boolean filter(Integer value) throws Exception {
                //偶数返回true，奇数返回false
                return value % 2 == 0 ? true: false;
            }
        });
        //输出结果
        filterDS.print("偶数流");

        //对 DataStream 调用 filter 方法进行转换
        SingleOutputStreamOperator<Integer> filterDS2 = ds.filter(new FilterFunction<Integer>() {
            @Override
            public boolean filter(Integer value) throws Exception {
                //偶数返回true，奇数返回false
                return value % 2 == 0 ? false: true;
            }
        });
        //输出结果
        filterDS2.print("奇数流");

        //开始触发执行
        env.execute();
    }
}

//运行结果
// 偶数流:10> 4
// 偶数流:8> 2
// 奇数流:16> 1
// 奇数流:18> 3

扁平映射方法 flatMap()

flat是扁平化的意思。flatMap方法是将 DataStream 中的数据进行扁平化处理。 例如 DataStream 中的数据是集合，则扁平化是将集合中的数据拆分为一个个单独使用。

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建运行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //多个集合转换为DataStream
        DataStreamSource<List<Integer>> listDS = env.fromCollection(Arrays.asList(Arrays.asList(1, 2), Arrays.asList(3, 4)));
        //调用 flatMap 方法进行转换
        SingleOutputStreamOperator<Integer> outDS = listDS.flatMap(new FlatMapFunction<List<Integer>, Integer>() {
            @Override
            public void flatMap(List<Integer> value, Collector<Integer> out) throws Exception {
                Integer next = value.iterator().next();
                out.collect(next);
            }
        });
        //输出结果
        outDS.print();
        //开始触发执行
        env.execute();
    }
}
//运行结果
// 5> 3
// 4> 1

按键分区方法 keyBy()

在Flink中 DataStream 是没有直接进行聚合的API的。因此要做聚合，需要先对DataStream中的数据进行分区分组处理。

keyBy()方法通过指定key，把DataStream中数据进行分区。

public class flink01 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建运行环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //把集合数据转换为DataStream
        DataStreamSource<Integer> ds = env.fromCollection(Arrays.asList(1, 2, 3, 4));

        //对 DataStream 调用 keyBy 方法进行分组处理
        KeyedStream<Integer, String> keyDS = ds.keyBy(new KeySelector<Integer, String>() {
            @Override
            public String getKey(Integer value) throws Exception {
                //将偶数分为A组，奇数分为B组
                return value % 2 == 0 ? "A组" : "B组";
            }
        });
        //输出结果
        keyDS.print();
        //开始触发执行
        env.execute();
    }
}
//运行结果
// 3> 2
// 5> 1
// 3> 4
// 5> 3

简单聚合方法 sum(),min(),max(),minBy() 等

这些简单聚合方法，都是需要通过KeyedStream对象进行调用。

//对 DataStream 调用 keyBy 方法进行分组处理,获取KeyedStream对象
KeyedStream<Integer, String> keyDS = ds.keyBy(.....);
SingleOutputStreamOperator<Integer> sum = keyDS.sum(0);

SingleOutputStreamOperator<Integer> max = keyDS.max(0);

归约聚合方法 reduce()

把DataStream中的数据，按照指定函数进行两两聚合处理。

//对 DataStream 调用 keyBy 方法进行分组处理,获取KeyedStream对象
KeyedStream<Integer, String> keyDS = ds.keyBy(.....);
SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Integer>> reduce = keyDS.reduce(new ReduceFunction<Tuple2<String, Integer>>() {
    @Override
    public Tuple2<String, Integer> reduce(Tuple2<String, Integer> value1, Tuple2<String, Integer> value2) throws Exception {
        //。。。。。。。。
        return null;
    }
});

窗口

窗口一般是指一段时间范围，也就是时间窗口。窗口计算是指对这时间范围内的数据进行处理。

Flink为了更高效的处理无界数据流，一种方式是用窗口把无界数据流切割成多个有界数据流，然后进行分批处理。

在Flink中，窗口可以把无界数据流切割为多个数据桶，不同时间范围的数据流入到不同的桶中。当窗口时间结束后，就对这个桶中收集的数据进行计算处理。

窗口分类

在Flink中，窗机有很多种类。

时间窗口

时间窗口以时间点来定义窗口的开始和结束。即时间窗口是某一时间段的数据。当时间窗口到达结束时间后，时间窗口不会再收集数据，开始触发计算并输出结果。最后将时间窗口销毁。

计数窗口

计数窗口是根据元素个数来截取数据流中的数据，当截取个数到达指定个数的时候，就会触发计算，并输出结果。最后计数窗口销毁。

滚动窗口