摘要:今天和大家聊聊Flink双流Join问题。这是一个高频面试点,也是工作中常遇到的一种真实场景。

本文分享自华为云社区​​《万字直通面试:Flink双流JOIN》​​,作者:大数据兵工厂 。

如何保证Flink双流Join准确性和及时性、除了窗口join还存在哪些实现方式、究竟如何回答才能完全打动面试官呢。。你将在本文中找到答案。

面试官: Flink双流JOIN了解吗? 简单说说其实现原理_数据库SQL

1、引子

1.1 数据库SQL中的JOIN

我们先来看看数据库SQL中的JOIN操作。如下所示的订单查询SQL,通过将订单表的id和订单详情表order_id关联,获取所有订单下的商品信息。

select 
a.id as '订单id',
a.order_date as '下单时间',
a.order_amount as '订单金额',
b.order_detail_id as '订单详情id',
b.goods_name as '商品名称',
b.goods_price as '商品价格',
b.order_id as '订单id'
from
dwd_order_info_pfd a
right join
dwd_order_detail_pfd b
on a.id = b.order_id

这是一段很简单的SQL代码,就不详细展开叙述了。此处主要引出SQL中的JOIN类型,这里用到的是 right join , 即右连接。

  • left join: 保留左表全部数据和右表关联数据,右表非关联数据置NULL
  • right join: 保留右表全部数据和左表关联数据,左表非关联数据置NULL
  • inner join: 保留左表关联数据和右边关联数据
  • cross join: 保留左表和右表数据笛卡尔积

基于关联键值逐行关联匹配,过滤表数据并生成最终结果,提供给下游数据分析使用。

就此打住,关于数据库SQL中的JOIN原理不再多赘述,感兴趣的话大家可自行研究,下面我们将目光转移到大数据领域看看吧。

1.2 离线场景下的JOIN

假设存在这样一个场景:

已知Mysql数据库中订单表和订单明细表,且满足一对多的关系,统计T-1天所有订单的商品分布详情。

聪明的大家肯定已经给出了答案,没错~就是上面的SQL:

select a.*, b.*
from
dwd_order_info_pfd a
right join
dwd_order_detail_pfd b
on a.id = b.order_id

现在修改下条件:已知订单表和订单明细表均为亿级别数据,求相同场景下的分析结果。

咋办?此时关系型数据库貌似不大合适了~开始放大招:使用大数据计算引擎来解决。

考虑到T-1统计场景对时效性要求很低,可以使用Hive SQL来处理,底层跑Mapreduce任务。如果想提高运行速度,换成Flink或Spark计算引擎,使用内存计算。

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至于查询SQL和上面一样,并将其封装成一个定时调度任务, 等系统调度运行。如果结果不正确的话,由于数据源和数据静态不变,大不了重跑,看起来感觉皆大欢喜~

可是好景不长,产品冤家此时又给了你一个无法拒绝的需求:我要实时统计!!

2、实时场景下的JOIN

还是上面的场景,此时数据源换成了实时订单流和实时订单明细流,比如Kafka的两个topic,要求实时统计每分钟内所有订单下的商品分布详情。

面试官: Flink双流JOIN了解吗? 简单说说其实现原理_双流join_03

现在情况貌似变得复杂了起来,简单分析下:

1.    数据源。实时数据流,和静态流不同,数据是实时流入的且动态变化,需要计算程序支持实时处理机制。

2.    关联性。前面提到静态数据执行多次join操作,左表和右表能关联的数据是很恒定的;而实时数据流(左右表)如果进入时机不一致,原本可以关联的数据会关联不上或者发生错误。

3.    延迟性。实时统计,提供分钟甚至秒级别响应结果。

由于流数据join的特殊性,在满足实时处理机制、低延迟、强关联性的前提下,看来需要制定完善的数据方案,才能实现真正的流数据JOIN。

2.1 方案思路

我们知道订单数据和订单明细数据是一对多的关系,即一条订单数据对应着多条商品明细数据,毕竟买一件商品也是那么多邮费,不如打包团购。。而一条明细数据仅对应一条订单数据。

这样,双流join策略可以考虑如下思路:

  • 当数据流为订单数据时。无条件保留,无论当前是否关联到明细数据,均留作后续join使用。
  • 当数据流为明细数据时。在关联到其订单数据后,就可以say goodbye了,否则暂时保留等待下一次与订单数据的邂逅。

完成所有处于同一时段内的订单数据和订单明细数据join, 清空存储状态

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实际生产场景中,需要考虑更多的复杂情况,包括JOIN过程的数据丢失等异常情况的处理,此处仅示意。

好了,看起来我们已经有了一个马马虎虎的实时流JOIN方案雏形。

貌似可以准备动手大干一场了~ 别着急,有人已经帮我们偷偷的实现了:Apache Flink

3、Flink的双流JOIN

Apache Flink 是一个框架和分布式处理引擎,用于对无界和有界数据流进行有状态计算。Flink 被设计在所有常见的集群环境中运行,以内存执行速度和任意规模来执行计算。——来自Flink官网定义

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这里我们只需要知道Flink是一个实时计算引擎就行了,主要关注其如何实现双流JOIN。

3.1 内部运行机制

  • 内存计算:Flink任务优先在内存中计算,内存不够时保存到访问高效的磁盘,提供秒级延迟响应。
  • 状态强一致性:Flink使用一致性快照保存状态,并定期检查本地状态、持久存储来保证状态一致性。
  • 分布式执行: Flink应用程序可以划分为无数个并行任务在集群中执行,几乎无限量使用CPU、主内存、磁盘和网络IO。
  • 内置高级编程模型:Flink编程模型抽象为SQL、Table、DataStream|DataSet API、Process四层,并封装成丰富功能的算子,其中就包含JOIN类型的算子。

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仔细看看,我们前面章节讨论的实时流JOIN方案的前提是否都满足了呢?

1.    实时处理机制: Flink天生即实时计算引擎

2.    低延迟: Flink内存计算秒级延迟

3.    强关联性: Flink状态一致性和join类算子

不由感叹, 这个Flink果然强啊~

保持好奇心,我们去瞅瞅Flink双流join的真正奥义!!

3.2 JOIN实现机制

Flink双流JOIN主要分为两大类。一类是基于原生State的Connect算子操作,另一类是基于窗口的JOIN操作。其中基于窗口的JOIN可细分为window join和interval join两种。

  • 实现原理:底层原理依赖Flink的State状态存储,通过将数据存储到State中进行关联join, 最终输出结果。

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恍然大悟, Flink原来是通过State状态来缓存等待join的实时流。

这里给大家抛出一个问题:

用redis存储可不可以,state存储相比redis存储的区别?

回到正题,这几种方式到底是如何实现双流JOIN的?我们接着往下看。

注意: 后面内容将多以文字 + 代码的形式呈现,避免枯燥,我放了一堆原创示意图~

4、基于Window Join的双流JOIN实现机制

顾名思义,此类方式利用Flink的窗口机制实现双流join。通俗理解,将两条实时流中元素分配到同一个时间窗口中完成Join。

底层原理: 两条实时流数据缓存在Window State中,当窗口触发计算时,执行join操作。

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4.1 join算子

先看看Window join实现方式之一的join算子。这里涉及到Flink中的窗口(window)概念,因此Window Joinan按照窗口类型区分的话某种程度来说可以细分出3种:

  • Tumbling Window Join (滚动窗口)

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  • Sliding Window Join (滑动窗口)

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  • Session Widnow Join(会话窗口) 

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两条流数据按照关联主键在(滚动、滑动、会话)窗口内进行inner join, 底层基于State存储,并支持处理时间和事件时间两种时间特征,看下源码:

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源码核心总结:windows窗口 + state存储 + 双层for循环执行join()

现在让我们把时间轴往回拉一点点,在实时场景JOIN那里我们收到了这样的需求:统计每分钟内所有订单下的商品明细分布。

OK, 使用join算子小试牛刀一下。我们定义60秒的滚动窗口,将订单流和订单明细流通过order_id关联,得到如下的程序:

val env = ...
// kafka 订单流
val orderStream = ...
// kafka 订单明细流
val orderDetailStream = ...

orderStream.join(orderDetailStream)
.where(r => r._1) //订单id
.equalTo(r => r._2) //订单id
.window(TumblingProcessTimeWindows.of(
Time.seconds(60)))
.apply {(r1, r2) => r1 + " : " + r2}
.print()

整个代码其实很简单,概要总结下:

  • 定义两条输入实时流A、B
  • A流调用join(b流)算子
  • 关联关系定义: where为A流关联键,equalTo为B流关联键,都是订单id
  • 定义window窗口(60s间隔)
  • apply方法定义逻辑输出

这样只要程序稳定运行,就能够持续不断的计算每分钟内订单分布详情,貌似解决问题了奥~

还是别高兴太早,别忘了此时的join类型是inner join。复习一下知识: inner join指的是仅保留两条流关联上的数据。

这样双流中没关联上的数据岂不是都丢掉了?别担心,Flink还提供了另一个window join操作: coGroup算子。

4.2 coGroup算子

coGroup算子也是基于window窗口机制,不过coGroup算子比Join算子更加灵活,可以按照用户指定的逻辑匹配左流或右流数据并输出。

换句话说,我们通过自己指定双流的输出来达到left join和right join的目的。

现在来看看在相同场景下coGroup算子是如何实现left join:

#这里看看java算子的写法
orderDetailStream
.coGroup(orderStream)
.where(r -> r.getOrderId())
.equalTo(r -> r.getOrderId())
.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(60)))
.apply(new CoGroupFunction<OrderDetail, Order, Tuple2<String, Long>>() {
@Override
public void coGroup(Iterable<OrderDetail> orderDetailRecords, Iterable<Order> orderRecords, Collector<Tuple2<String, Long>> collector) {
for (OrderDetail orderDetaill : orderDetailRecords) {
boolean flag = false;
for (Order orderRecord : orderRecords) {
// 右流中有对应的记录
collector.collect(new Tuple2<>(orderDetailRecords.getGoods_name(), orderDetailRecords.getGoods_price()));
flag = true;
}
if (!flag) {
// 右流中没有对应的记录
collector.collect(new Tuple2<>(orderDetailRecords.getGoods_name(), null));
}
}
}
})
.print();

这里需要说明几点:

  • join算子替换为coGroup算子
  • 两条流依然需要在一个window中且定义好关联条件
  • apply方法中自定义判断,此处对右值进行判断:如果有值则进行连接输出,否则右边置为NULL。

可以这么说,现在我们已经彻底搞定了窗口双流JOIN。

只要你给我提供具体的窗口大小,我就能通过join或coGroup算子鼓捣出各种花样join,而且使用起来特别简单。

但是假如此时我们亲爱的产品又提出了一个小小问题:

大促高峰期,商品数据某时段会写入不及时,时间可能比订单早也可能比订单晚,还是要计算每分钟内的订单商品分布详情,没问题吧~

当然有问题:两条流如果步调不一致,还用窗口来控制能join的上才怪了~ 很容易等不到join流窗口就自动关闭了。

还好,我知道Flink提供了Interval join机制。

5、基于Interval Join的双流JOIN实现机制

Interval Join根据右流相对左流偏移的时间区间(interval)作为关联窗口,在偏移区间窗口中完成join操作。

有点不好理解,我画个图看下:

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stream2.time ∈ (stream1.time +low, stream1.time +high)

满足数据流stream2在数据流stream1的 interval(low, high)偏移区间内关联join。interval越大,关联上的数据就越多,超出interval的数据不再关联。

  • 实现原理:interval join也是利用Flink的state存储数据,不过此时存在state失效机制ttl,触发数据清理操作。

这里再引出一个问题:

state的ttl机制需要怎么设置?不合理的ttl设置会不会撑爆内存?

我会在后面的文章中深入讲解下State的ttl机制,欢迎大家一起探讨~

下面简单看下interval join的代码实现过程:

val env = ...
// kafka 订单流
val orderStream = ...
// kafka 订单明细流
val orderDetailStream = ...

orderStream.keyBy(_.1)
// 调用intervalJoin关联
.intervalJoin(orderDetailStream._2)
// 设定时间上限和下限
.between(Time.milliseconds(-30), Time.milliseconds(30))
.process(new ProcessWindowFunction())

class ProcessWindowFunction extends ProcessJoinFunction...{
override def processElement(...) {
collector.collect((r1, r2) => r1 + " : " + r2)
}
}

订单流在流入程序后,等候(low,high)时间间隔内的订单明细流数据进行join, 否则继续处理下一个流。

从代码中我们发现,interval join需要在两个KeyedStream之上操作,即keyBy(),并在between()方法中指定偏移区间的上下界。

需要注意的是interval join实现的也是inner join,且目前只支持事件时间。

6、基于Connect的双流JOIN实现机制

前面在使用Window join或者Interval Join来实现双流join的时候,我发现了其中的共性:

无论哪种实现方式,Flink内部都将join过程透明化,在算子中封装了所有的实现细节。

这是什么?是编程语言中的抽象概念~ 隐藏底层细节,对外暴露统一API, 大幅简化程序编码。

可是这样会引来一个问题:如果程序报错或者数据异常,如何快速进行调优排查,直接看源码吗?不大现实。。

这里介绍基于Connect算子实现的双流JOIN方法,我们可自己控制双流JOIN处理逻辑,同时保持过程时效性和准确性。

6.1 Connect算子原理

对两个DataStream执行connect操作,将其转化为ConnectedStreams, 生成的Streams可以调用不同方法在两个实时流上执行,且双流之间可以共享状态。

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图上我们可以看到,两个数据流被connect之后,只是被放在了同一个流中,内部依然保持各自的数据和形式,两个流相互独立。

[DataStream1, DataStream2] -> ConnectedStreams[1,2]

这样,我们可以在Connect算子底层的ConnectedStreams中编写代码,自行实现双流JOIN的逻辑处理。

6.2 技术实现

1.调用connect算子,根据orderid进行分组,并使用process算子分别对两条流进行处理。

orderStream.connect(orderDetailStream)
.keyBy("orderId", "orderId")
.process(new orderProcessFunc());

2.process方法内部进行状态编程, 初始化订单、订单明细和定时器的ValueState状态。

private ValueState<OrderEvent> orderState;
private ValueState<TxEvent> orderDetailState;
private ValueState<Long> timeState;

// 初始化状态Value
orderState = getRuntimeContext().getState(
new ValueStateDescriptor<Order>
("order-state",Order.class));
····

3.为每个进入的数据流保存state状态并创建定时器。在时间窗口内另一个流达到时进行join并输出,完成后删除定时器。

@Override
public void processElement1(Order value, Context ctx, Collector<Tuple2<Order, OrderDetail>> out){
if (orderDetailState.value() == null){
//明细数据未到,先把订单数据放入状态
orderState.update(value);
//建立定时器,60秒后触发
Long ts = (value.getEventTime()+10)*1000L;
ctx.timerService().registerEventTimeTimer(
ts);
timeState.update(ts);
}else{
//明细数据已到,直接输出到主流
out.collect(new Tuple2<>(value,orderDetailS
tate.value()));
//删除定时器
ctx.timerService().deleteEventTimeTimer
(timeState.value());
//清空状态,注意清空的是支付状态
orderDetailState.clear();
timeState.clear();
}
}
...
@Override
public void processElement2(){
...
}

4.未及时达到的数据流触发定时器输出到侧输出流,左流先到而右流未到,则输出左流,反之输出右连流。

@Override
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<Tuple2<Order, OrderDetail>> out) {
// 实现左连接
if (orderState.value() != null){
ctx.output(new OutputTag<String>("left-jo
in") {},
orderState.value().getTxId());
// 实现右连接
}else{
ctx.output(new OutputTag<String>("left-jo
in") {},
orderDetailState.value().getTxId());
}
orderState.clear();
orderDetailState.clear();
timeState.clear();
}

总体思想:基于数据时间实现订单数据及订单明细数据的关联,超时或者缺失则由侧输出流输出。

在connect中针对订单流和订单明细流,先创建定时器并保存state状态,处于窗口内就进行join, 否则进入侧输出流。

7、双流JOIN的优化与总结

1.    为什么我的双流join时间到了却不触发,一直没有输出

检查一下watermark的设置是否合理,数据时间是否远远大于watermark和窗口时间,导致窗口数据经常为空

2.    state数据保存多久,会内存爆炸吗

state自带有ttl机制,可以设置ttl过期策略,触发Flink清理过期state数据。建议程序中的state数据结构用完后手动clear掉。

3.    我的双流join倾斜怎么办

join倾斜三板斧: 过滤异常key、拆分表减少数据、打散key分布。当然可以的话我建议加内存!加内存!加内存!!

4.    想实现多流join怎么办

目前无法一次实现,可以考虑先union然后再二次处理;或者先进行connnect操作再进行join操作,仅建议~

5.    join过程延迟、没关联上的数据会丢失吗

这个一般来说不会,join过程可以使用侧输出流存储延迟流;如果出现节点网络等异常,Flink checkpoint也可以保证数据不丢失。

某日

面试官: Flink双流join了解吗? 简单说说其实现原理。

某君: Flink双流JOIN是。。。

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