Flink 时间概念和水位

文章目录

  • Flink 时间概念和水位
  • 一、Flink中的时间语义
  • 二、Event Time的引入
  • 三、WaterMark 水印
  • 3.1 概念
  • 3.2 Watermark 的特点及传递
  • 3.3 Watermark的引入
  • 3.4 Watermark的设定
  • 3.5 测试代码
  • 3.6 窗口起始点和偏移量

Flink 时间语义和水位相关博客

Flink_window

Flink-时间语义与Wartmark及EventTime在Window中的使用

一、Flink中的时间语义

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_Time

Flink中包括三种时间。

  1. Event Time：事件（数据）创建时间。
  2. Ingetstion Time：数据进入Flink的时间。
  3. Processing Time：执行操作算子的本地系统时间，与机器无关。

Event Time是事件创建的时间。它通常由事件中的时间戳描述，例如采集的日志数据中，每一条日志都会记录自己的生成时间，Flink通过时间戳分配器访问事件时间戳。

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_flink_02

不同的时间语义有不同的应用场合。

一般更关心事件时间（Event Time）。

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_flink_03

这里假设玩游戏，一分钟内如果过5关就有奖励。用户坐地铁玩游戏，进入隧道前已经过3关，在隧道中又过了2关。但是信号不好，后两关通关的信息，等到出隧道的时候（8:23:20）才正式到达服务器。

如果为了用户体验，那么应该按照Event Time处理信息，保证用户获得游戏奖励。

Event Time可以从日志数据的时间戳（timestamp）中提取

2017-11-02 18:37:15.624 INFO Fail over to rm2

二、Event Time的引入

在Flink的流式处理中，绝大部分的业务都会使用eventTime ，一般只在eventTime无法使用时，才会被迫使用ProcessingTime或者IngestionTime。

虽然默认环境里使用的就是ProcessingTime，使用EventTime需要另外设置。如果要使用EventTime，那么需要引入EventTime的时间属性，引入方式如下所示：

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);

这里只是设置使用EventTime，具体的时间还需要提取数据的时间戳。

三、WaterMark 水印

相关博客：

Flink流计算编程–watermark（水位线）简介

Flink-时间语义与Wartmark及EventTime在Window中的使用

3.1 概念

  • Flink对于迟到数据有三层保障，先来后到的保障顺序是：
  1. WaterMark => 约等于放宽窗口标准
  2. allowedLateness => 允许迟到（ProcessingTime超时，但是EventTime没超时）
  3. sideOutputLateData => 超过迟到时间，另外捕获，之后可以自己批处理合并先前的数据

Flink中，流处理从事件产生，到流经source，再到operator，中间是有一个过程和时间的，大部分情况下，流到operator的数据都是按照时间产生的时间顺序来的，但是有可能由于网络、分布式等原因，导致乱序的产生所谓乱序，就是指Flink接受到的事件的前后顺序是乱序的，不是按照Event Time来排序的。

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_时间戳_04

那么此时出现一个问题，一旦出现乱序，如果只根据 eventTime 决定 window 的运行，我们不能明确数据是否全部到位，但又不能无限期的等下去，此时必须要有个机制来保证一个特定的时间后，必须触发 window 去进行计算了，这个特别的机制，就是 Watermark。

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_flink_05

  • 当Flink以Event Time模式处理数据流时，它会根据数据里的时间戳来处理基于时间的算子。比如5s一个窗口，那么理想情况下，遇到时间戳是5s的数据时，就认为[0,5s)时间段的桶bucket就可以关闭了。
  • 实际由于网络、分布式传输处理等原因，会导致乱序数据的产生。
  • 乱序数据会导致窗口计算不准确如果按照前面说法，获取到5s时间戳的数据，但是2s，3s乱序数据还没到，理论上不应该关闭桶。
  • 怎样避免乱序数据带来的计算不正确？遇到一个时间戳达到了窗口关闭时间，不应该立即触发窗口计算，而是等待一段时间，等迟到的数据来了再关闭窗口。这个更待一段时间的机制，就是WaterMark水位的机制。
  • 那什么是WaterMark水位？
  1. Watermark是一种衡量Event Time进展的机制，可以设定延迟触发。
  2. Watermark是用于处理乱序事件的，而正确的处理乱序事件，通常用Watermark机制结合window来实现。
  3. 数据流中的Watermark用于表示”timestamp小于Watermark的数据，都已经到达了“，因此，window的执行也是由Watermark触发的。
  4. Watermark可以理解成一个延迟触发机制，我们可以设置Watermark的延时时长t， 每次系统会校验已经到达的数据中最大的maxEventTime，然后认定eventTime小于maxEventTime - t的所有数据都已经到达 ， 如果有窗口的停止时间等于maxEventTime – t，那么这个窗口被触发执行。Watermark = maxEventTime-延迟时间t
  5. watermark 用来让程序自己平衡延迟和结果正确性。

watermark可以理解为把原本的窗口标准稍微放宽了一点。比如原本5s，设置延迟时间=2s，那么实际等到7s的数据到达时，才认为是[0,5）的桶需要关闭了。

有序流的Watermarker如下图所示：（延迟时间设置为0s）

此时以5s一个窗口，那么EventTime=5s的元素到达时，关闭第一个窗口，下图即W(5)，W(10)同理。

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_Time_06

乱序流的Watermarker如下图所示：（延迟时间设置为2s）

乱序流，所以可能出现EventTime前后顺序不一致的情况，这里延迟时间设置2s，第一个窗口则为 5s+2s，当EventTime=7s的数据到达时，关闭第一个窗口。第二个窗口则是 5*2+2=12s，当12s这个EventTime的数据到达时，关闭第二个窗口。

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_Time_07

当Flink接收到数据时，会按照一定的规则去生成Watermark，这条 Watermark就等于当前所有到达数据中的maxEventTime - 延迟时长 ，也就是说， Watermark是基于数据携带的时间戳生成的 ，一旦Watermark比当前未触发的窗口的停止时间要晚，那么就会触发相应窗口的执行。

由于event time是由数据携带的，因此，如果运行过程中无法获取新的数据，那么没有被触发的窗口将永远都不被触发 。

上图中，我们设置的允许最大延迟到达时间为2s，所以时间戳为7s的事件对应的Watermark是5s，时间戳为12s的事件的Watermark是10s，如果我们的窗口1是 1s~5s，窗口2是 6s~10s，那么时间戳为7s的事件到达时的Watermarker恰好触发窗口1，时间戳为12s的事件到达时的Watermark恰好触发窗口2。

Watermark 就是触发前一窗口的“关窗时间”， 一旦触发关门，那么以当前时刻为准，在窗口内的所有数据都会收入窗口中。

只要没有达到水位那么不管现实中的时间推进了多久都不会触发关窗。

3.2 Watermark 的特点及传递

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_数据_08

  • watermark 是一条特殊的数据记录
  • watermark 必须单调递增 ，以确保任务的事件时间时钟在向前推进，而不是在后退
  • watermark 与数据的时间戳相关

flink 事件响应测试 flink事件时间概念_flink 事件响应测试_09

  1. 图一，当前Task有四个上游Task给自己传输WaterMark信息，通过比较，只取当前最小值作为自己的本地Event-time clock，上图中，当前Task[0,2)的桶就可关闭了，因为所有上游中2s最小，能保证2s的WaterMark是准确的（所有上游Watermark都已经>=2s)。这时候将Watermark=2广播到当前Task的下游。
  2. 图二，上游的Watermark持续变动，此时Watermark=3成为新的最小值，更新本地Task的event-time clock，同时将最新的Watermark=3广播到下游
  3. 图三，上游的Watermark虽然更新了，但是当前最小值还是3，所以不更新event-time clock，也不需要广播到下游
  4. 图四，和图二同理，更新本地event-time clock，同时向下游广播最新的Watermark=4

3.3 Watermark的引入

watermark的引入很简单，对于乱序数据，最常见的引用方式如下：

dataStream.assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor<SensorReading>(Time.seconds(2)) {
    @Override
    public long extractTimestamp(SensorReading sen) {
        return sen.getTimestamp() * 1000L;
    }
});

Event Time的使用一定要指定数据源中的时间戳。否则程序无法知道事件的事件时间是什么(数据源里的数据没有时间戳的话，就只能使用Processing Time了)

上面的例子中创建了一个看起来有点复杂的类，这个类实现的其实就是分配时间戳的接口。Flink暴露了TimestampAssigner接口供我们实现，使我们可以自定义如何从事件数据中抽取时间戳

dataStream.assignTimestampsAndWatermarks(new MyAssigner());

MyAssigner有两种类型

  • AssignerWithPeriodicWatermarks
  • AssignerWithPunctuatedWatermarks

以上两个接口都继承自TimestampAssigner。

时间戳分配器

  • AssignerWithPeriodicWatermarks
  • 周期性的生成watermark，系统会周期性的将watermark插入到流中。
  • 默认的周期是200毫秒，可以使用ExecutionConfig.setAutoWatermarkInterval()方法进行设置。
  • 升序和乱序的处理的函数BoundedOutOfOrderness，都是基于周期性watermark的。
  • AssignerWithPunctuatedWatermarks
  • 没有时间周期规律，可打断的生成 watermark（即可实现每次获取数据都更新watermark）

3.4 Watermark的设定

  • 在Flink中，Watermark由应用程序开发人员生成，这通常需要对相应的领域有一定的了解
  • 如果Watermark设置的延迟太久，收到结果的速度可能就会很慢，解决办法是在水位线到达之前输出一个近似结果
  • 如果Watermark到达得太早，则可能收到错误结果，不过Flink处理迟到数据的机制可以解决这个问题

一般大数据场景都是考虑高并发情况，所以一般使用周期性生成Watermark的方式，避免频繁地生成Watermark。

注：一般认为Watermark的设置代码，在里Source步骤越近的地方越合适。

3.5 测试代码

测试Watermark和迟到数据

package com.root.window;

import com.root.SensorReading;
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.AscendingTimestampExtractor;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.util.OutputTag;

/**
 * @author Kewei
 * @Date 2022/3/6 16:32
 */

public class WindowTest2_Watermark {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        // 新版Flink1.12.x不需要设置了，默认是使用的EventTime。这里使用的是旧版，所以需要设置一下。
        env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);
        env.setParallelism(1);

        DataStreamSource<String> inputStream = env.socketTextStream("localhost", 7777);

        SingleOutputStreamOperator<SensorReading> dataStream = inputStream.map(line -> {
            String[] field = line.split(",");
            return new SensorReading(field[0], new Long(field[1]), new Double(field[2]));
        });

        //旧版 (新版官方推荐用assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy) )
        // 乱序数据设置事件时间和watermark
        SingleOutputStreamOperator<SensorReading> dataStreamWithWater = dataStream.assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor<SensorReading>(Time.seconds(2)) {
            @Override
            public long extractTimestamp(SensorReading sen) {
                return sen.getTimestamp() * 1000L;
            }
        });

        // 升序数据设置事件时间和watermark
//        dataStream.assignTimestampsAndWatermarks(new AscendingTimestampExtractor<SensorReading>() {
//            @Override
//            public long extractAscendingTimestamp(SensorReading element) {
//                return element.getTimestamp() * 1000L;
//            }
//        })

        OutputTag<SensorReading> outputTag = new OutputTag<SensorReading>("late") {
        };

        // 基于id分组开窗，统计15s内的最低温度。
        SingleOutputStreamOperator<SensorReading> resultStream = dataStreamWithWater.keyBy("id")
                .timeWindow(Time.seconds(15))
                .allowedLateness(Time.seconds(1))
                .sideOutputLateData(outputTag)
                .minBy("temperature");

        resultStream.print("min");
        resultStream.getSideOutput(outputTag).print("late");

        env.execute();
    }
}

启动本地socket，输入数据，查看结果

nc -lk 7777

输入：

sensor_1,1547718199,35.8
sensor_6,1547718201,15.4
sensor_7,1547718202,6.7
sensor_10,1547718205,38.1
sensor_1,1547718207,36.3
sensor_1,1547718211,34
sensor_1,1547718212,31.9
sensor_1,1547718212,31.9
sensor_1,1547718212,31.9
sensor_1,1547718212,31.9

输出

注意：上面输入全部输入后，才突然有下面4条输出！

min> SensorReading{id='sensor_1', timestamp=1547718212, temperature=31.9}
min> SensorReading{id='sensor_10', timestamp=1547718205, temperature=38.1}
min> SensorReading{id='sensor_7', timestamp=1547718202, temperature=6.7}
min> SensorReading{id='sensor_6', timestamp=1547718201, temperature=15.4}

分析代码：

  1. 计算窗口的起始位置Start和结束位置End从 TumblingProcessingTimeWindows类里的 assignWindows方法，我们可以得知窗口的起点计算方法如下： 窗口起点start = timestamp - (timestamp -offset+WindowSize) % WindowSize 由于我们没有设置offset，所以这里 start=**第一个数据的时间戳1547718199-(1547718199-0+15)%15=1547718195**计算得到窗口初始位置为 Start = 1547718195，那么这个窗口理论上本应该在1547718195+15的位置关闭，也就是 End=1547718210
@Override
public Collection<TimeWindow> assignWindows(
  Object element, long timestamp, WindowAssignerContext context) {
  final long now = context.getCurrentProcessingTime();
  if (staggerOffset == null) {
    staggerOffset =
      windowStagger.getStaggerOffset(context.getCurrentProcessingTime(), size);
  }
  long start =
    TimeWindow.getWindowStartWithOffset(
    now, (globalOffset + staggerOffset) % size, size);
  return Collections.singletonList(new TimeWindow(start, start + size));
}

// 跟踪 getWindowStartWithOffset 方法得到TimeWindow的方法
public static long getWindowStartWithOffset(long timestamp, long offset, long windowSize) {
  return **timestamp - (timestamp - offset + windowSize) % windowSize**;
}
  1. 计算修正后的window输出结果的时间测试代码中Watermark设置的maxOutOfOrderness最大乱序程度是2s，所以实际获取到End+2s的时间戳数据时（达到Watermark），才认为Window需要输出计算的结果（不关闭，因为设置了允许迟到1min）所以实际应该是1547718212的数据到来时才触发Window输出计算结果。
.assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor<SensorReading>(Time.seconds(2)) {
  @Override
  public long extractTimestamp(SensorReading element) {
    return element.getTimestamp() * 1000L;
  }
});

// BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor.java
public BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor(Time maxOutOfOrderness) {
  if (maxOutOfOrderness.toMilliseconds() < 0) {
    throw new RuntimeException(
      "Tried to set the maximum allowed "
      + "lateness to "
      + maxOutOfOrderness
      + ". This parameter cannot be negative.");
  }
  this.maxOutOfOrderness = maxOutOfOrderness.toMilliseconds();
  this.currentMaxTimestamp = Long.MIN_VALUE + this.maxOutOfOrderness;
}
@Override
public final Watermark getCurrentWatermark() {
  // this guarantees that the watermark never goes backwards.
  long potentialWM = currentMaxTimestamp - maxOutOfOrderness;
  if (potentialWM >= lastEmittedWatermark) {
    lastEmittedWatermark = potentialWM;
  }
  return new Watermark(lastEmittedWatermark);
}
  1. 为什么上面输入中，最后连续四条相同输入，才触发Window输出结果？
  • Watermark会向子任务广播
  • 我们在map才设置Watermark，map根据Rebalance轮询方式分配数据。所以前4个输入分别到4个slot中，4个slot计算得出的Watermark不同（分别是1547718199-2，1547718201-2，1547718202-2，1547718205-2）
  • Watermark传递时，会选择当前接收到的最小一个作为自己的Watermark
  • 前4次输入中，有些map子任务还没有接收到数据，所以其下游的keyBy后的slot里watermark就是Long.MIN_VALUE（因为4个上游的Watermark广播最小值就是默认的Long.MIN_VALUE）
  • 并行度4，在最后4个相同的输入，使得Rebalance到4个map子任务的数据的currentMaxTimestamp都是1547718212，经过getCurrentWatermark()的计算（currentMaxTimestamp-maxOutOfOrderness），4个子任务都计算得到watermark=1547718210，4个map子任务向4个keyBy子任务广播watermark=1547718210，使得keyBy子任务们获取到4个上游的Watermark最小值就是1547718210，然后4个KeyBy子任务都更新自己的Watermark为1547718210。
  • 根据Watermark的定义，我们认为>=Watermark的数据都已经到达。由于此时watermark >= 窗口End，所以Window输出计算结果（4个子任务，4个结果）

3.6 窗口起始点和偏移量

相关博客：flink-Window Assingers(窗口分配器)中offset偏移量

时间偏移一个很大的用处是用来调准非0时区的窗口，例如:在中国你需要指定一个8小时的时间偏移。