01 什么是Flink?

在當(dāng)前數(shù)據(jù)量激增傳統(tǒng)的時(shí)代，不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景都有大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生，對(duì)于這些不斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)應(yīng)該如何進(jìn)行有效地處理，成為當(dāng)下大多數(shù)公司所面臨的問(wèn)題。

隨著雅虎對(duì)Hadoop的開(kāi)源，越來(lái)越多的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)開(kāi)始涌入人們的視線，例如目前比較流行大數(shù)據(jù)處理引擎Apache Spark，基本上已經(jīng)取代了MapReduce成為當(dāng)前大數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)。

但隨著數(shù)據(jù)的不斷增長(zhǎng)，新技術(shù)的不斷發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的重要性，企業(yè)需要能夠同時(shí)支持高吞吐、低延遲、高性能的流處理技術(shù)來(lái)處理日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模式，流式數(shù)據(jù)處理則有著更高的處理效率和成本控制。Apache Flink就是近年來(lái)在開(kāi)源社區(qū)發(fā)展不斷發(fā)展的能夠支持同時(shí)支持高吞吐、低延遲、高性能分布式處理框架。

在2010至2014年間，由柏林工業(yè)大學(xué)，柏林洪堡大學(xué)和哈索普拉特納研究所聯(lián)合發(fā)起名為“Stratosphere: Information Management on the Cloud”研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目在當(dāng)時(shí)的社區(qū)逐漸具有一定社區(qū)知名度，2014年4月，Stratosphere代碼被貢獻(xiàn)給Apache 軟件基金會(huì)，成為Apache基金會(huì)孵化器項(xiàng)目。

期初參與該項(xiàng)目的核心成員均來(lái)自Stratosphere原來(lái)的核心成員，之后團(tuán)隊(duì)的大部分創(chuàng)始成員離開(kāi)學(xué)校，共同創(chuàng)辦了一家名叫Data Artisans的公司，其主要業(yè)務(wù)便是將Stratosphere，也就是之后的Flink實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。在項(xiàng)目孵化期間，項(xiàng)目Stratosphere改名為Flink。

Flink在德語(yǔ)中是快速和靈敏的意思，用來(lái)體現(xiàn)流式數(shù)據(jù)處理器的速度快和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)使用棕紅色松鼠圖案作為Flink項(xiàng)目的Logo，也是主要借助于松鼠靈活快速的特點(diǎn)，由此Flink開(kāi)始正式地進(jìn)入社區(qū)開(kāi)發(fā)者的視線。

02 為什么Flink會(huì)成為下一代大數(shù)據(jù)處理框架的標(biāo)準(zhǔn)?

在2014年12月，該項(xiàng)目成為Apache 軟件基金會(huì)頂級(jí)項(xiàng)目，從2015年09月發(fā)布第一個(gè)穩(wěn)定版本0.9，到2019年4月已經(jīng)發(fā)布到1.8的版本，更多的社區(qū)開(kāi)發(fā)成員也逐步地加入，現(xiàn)在Flink在全球范圍內(nèi)擁有350多位的開(kāi)發(fā)人員，不斷有新的特性被發(fā)布。

同時(shí)在全球范圍內(nèi)，越來(lái)越多的公司開(kāi)始使用Flink，在國(guó)內(nèi)比較出名的互聯(lián)網(wǎng)公司如Alibaba，美團(tuán)，滴滴等，都在大規(guī)模的使用Flink作為企業(yè)的分布式大數(shù)據(jù)處理引擎。

Flink在近年來(lái)逐步被人們所熟知和使用，其主要原因不僅因?yàn)樘峁┩瑫r(shí)支持高吞吐、低延遲和exactly-once語(yǔ)義的實(shí)時(shí)計(jì)算能力，同時(shí)Flink還提供了基于流式計(jì)算引擎處理批量數(shù)據(jù)的計(jì)算能力，真正意義實(shí)現(xiàn)了批流統(tǒng)一，同時(shí)隨著Alibaba對(duì)Blink的開(kāi)源，極大地增強(qiáng)了Flink對(duì)批計(jì)算領(lǐng)域的支持。

眾多優(yōu)秀的特性，使得Flink成為開(kāi)源大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理框架中的一顆新星，隨著國(guó)內(nèi)社區(qū)不斷推動(dòng)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)公司開(kāi)始選擇使用Flink作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，在將來(lái)不久的時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)link也將會(huì)成為企業(yè)內(nèi)部主流的數(shù)據(jù)處理框架，最終成為下一代大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理框架的標(biāo)準(zhǔn)。

03 Flink的重要特性及優(yōu)勢(shì)

有狀態(tài)流計(jì)算將會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展，逐步成為企業(yè)作為構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺(tái)的架構(gòu)模式，而這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源方案目前從社區(qū)來(lái)看，能夠滿足的就是Apache Flink。Flink通過(guò)實(shí)現(xiàn)Google Dataflow流式計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)了高吞吐，低延遲，高性能兼具實(shí)時(shí)流式計(jì)算框架。

同時(shí)Flink支持高效容錯(cuò)的狀態(tài)管理，F(xiàn)link能夠?qū)⑵錉顟B(tài)維護(hù)在內(nèi)存或RockDB數(shù)據(jù)庫(kù)中，為了防止?fàn)顟B(tài)在計(jì)算過(guò)程中因?yàn)橄到y(tǒng)異常而出現(xiàn)丟失，F(xiàn)link周期性的通過(guò)分布式快照技術(shù)CheckPoints實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的持久化維護(hù)，使得在系統(tǒng)即使在停機(jī)或者異常的情況下都能正確的進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)，從而保證在任何時(shí)間都能計(jì)算出正確的結(jié)果。

數(shù)據(jù)架構(gòu)的演變過(guò)程，伴隨著技術(shù)的不斷迭代更新，F(xiàn)link具有先進(jìn)的架構(gòu)理念，以及諸多的優(yōu)秀特性，以及完善的編程接口，而Flink也在每一次的Release版本中，不斷推出新的特性。

例如Queryable State功能的提出，將直接容許用戶通過(guò)遠(yuǎn)程的方式直接獲取流式計(jì)算任務(wù)的狀態(tài)信息，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)不需要落地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)就能直接從流式應(yīng)用中直接查詢出，對(duì)于實(shí)時(shí)交互式的查詢業(yè)務(wù)可以直接從Flink的狀態(tài)中查詢最新的結(jié)果，當(dāng)然這個(gè)功能目前還屬于Beta版本，但是相信在不久的未來(lái)，會(huì)變得越來(lái)越完善，那時(shí)Flink將不僅作為實(shí)時(shí)流式處理的框架，更多的可能會(huì)成為一套實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)引擎，會(huì)讓更多的用戶從有狀態(tài)計(jì)算的技術(shù)中獲取收益。

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同時(shí)支持高吞吐、低延遲、高性能

Flink是一套集高吞吐，低延遲，高性能三者于一身的分布式流式數(shù)據(jù)處理框架。

非常成熟的計(jì)算框架Apache Spark也只能兼顧高吞吐和高性能特性，在Spark Streaming流式計(jì)算中無(wú)法做到低延遲保障;而Apache Storm只能支持低延遲和高性能特性，但是無(wú)法滿足高吞吐的要求。而對(duì)于滿足高吞吐，低延遲，高性能這三個(gè)目標(biāo)對(duì)分布式流式計(jì)算框架是非常重要的。

支持事件時(shí)間(Event Time)概念

在流式計(jì)算領(lǐng)域中，窗口計(jì)算的地位舉足輕重，但目前大多數(shù)計(jì)算框架窗口計(jì)算所采用的都是系統(tǒng)時(shí)間(Process Time)，也是事件傳輸?shù)接?jì)算框架處理時(shí)，系統(tǒng)主機(jī)的當(dāng)前時(shí)間，F(xiàn)link能夠支持基于事件時(shí)間(Event Time)語(yǔ)義的進(jìn)行窗口計(jì)算，就是使用事件產(chǎn)生的時(shí)間，這種時(shí)間機(jī)制使得事件即使無(wú)序到達(dá)甚至延遲到達(dá)，數(shù)據(jù)流都能夠計(jì)算出精確的結(jié)果，同時(shí)保持了事件原本產(chǎn)生時(shí)的在時(shí)間維度的特點(diǎn)，而不受網(wǎng)絡(luò)傳輸或者計(jì)算框架的影響。

支持有狀態(tài)計(jì)算

Flink在1.4版本中實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)管理，所謂狀態(tài)就是在流式計(jì)算過(guò)程中將算子的中間結(jié)果數(shù)據(jù)的保存在內(nèi)存或者DB中，等下一個(gè)事件進(jìn)入接著從狀態(tài)中獲取中間結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，從而無(wú)需基于全部的原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這種做法極大地提升了系統(tǒng)的性能，同時(shí)也降低了計(jì)算過(guò)程的耗時(shí)。

對(duì)于數(shù)據(jù)量非常大且邏輯運(yùn)算非常復(fù)雜的流式運(yùn)算，基于狀態(tài)的流式計(jì)算則顯得非常使用。

支持高度靈活的窗口(Window)操作

在流處理應(yīng)用中，數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷的，需要通過(guò)窗口的方式對(duì)流數(shù)據(jù)進(jìn)行一定范圍的聚合計(jì)算，例如統(tǒng)計(jì)在過(guò)去的1分鐘內(nèi)有多少用戶點(diǎn)擊了某一網(wǎng)頁(yè)，在這種情況下，我們必須定義一個(gè)窗口，用來(lái)收集最近一分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)，并對(duì)這個(gè)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)再進(jìn)行計(jì)算。

Flink將窗口劃分為基于Time、Count、Session，以及Data-driven等類型的窗口操作，窗口能夠用靈活的觸發(fā)條件定制化從而達(dá)到對(duì)復(fù)雜的流傳輸模式的支持，不同的窗口操作應(yīng)用能夠反饋出真實(shí)事件產(chǎn)生的情況，用戶可以定義不同的窗口觸發(fā)機(jī)制來(lái)滿足不同的需求。

基于輕量級(jí)分布式快照(Snapshot)實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)

Flink能夠分布式運(yùn)行在上千個(gè)節(jié)點(diǎn)之上，將一個(gè)大型計(jì)算的流程拆解成小的計(jì)算過(guò)程，然后將計(jì)算過(guò)程分布到單臺(tái)并行節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行處理。

在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，能夠自動(dòng)的發(fā)現(xiàn)事件處理過(guò)程中的錯(cuò)誤而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，常見(jiàn)的錯(cuò)誤類型例如：節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，或者網(wǎng)路傳輸問(wèn)題，或是由于用戶因?yàn)樯?jí)或修復(fù)問(wèn)題而導(dǎo)致計(jì)算服務(wù)重啟等。

在這些情況下，通過(guò)基于分布式快照技術(shù)的Checkpoints，將執(zhí)行過(guò)程中的任務(wù)信息進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，一旦任務(wù)出現(xiàn)異常宕機(jī)，F(xiàn)link能夠進(jìn)行任務(wù)的自動(dòng)恢復(fù)，從而確保數(shù)據(jù)在處理過(guò)程中的一致性。

基于JVM實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的內(nèi)存管理

內(nèi)存管理是每套計(jì)算框架需要重點(diǎn)考慮的領(lǐng)域，尤其對(duì)于計(jì)算量比較大的計(jì)算場(chǎng)景，數(shù)據(jù)在內(nèi)存中該如何進(jìn)行管理，針對(duì)內(nèi)存管理這塊，F(xiàn)link實(shí)現(xiàn)了自身管理內(nèi)存的機(jī)制，盡可能減少Full GC對(duì)系統(tǒng)的影響。

另外通過(guò)自定義序列化/反序列化方法將所有的對(duì)象轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制在內(nèi)存中存儲(chǔ)，降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大小，更加有效的對(duì)內(nèi)存空間進(jìn)行利用，降低GC所帶來(lái)的性能下降或者任務(wù)停止的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提升了分布式處理過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋?/p>

因此Flink較其他分布式處理的框架則會(huì)顯得更加穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)镴VM GC等問(wèn)題而導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)用宕機(jī)的問(wèn)題。

Save Points(保存點(diǎn))

對(duì)于7*24小時(shí)運(yùn)行的流式應(yīng)用，數(shù)據(jù)源源不斷的接入，在一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)用的終止都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或者計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確性，例如進(jìn)行版本的升級(jí)，停機(jī)運(yùn)維操作等，都能導(dǎo)致這種情況發(fā)生。

然而值得一提的是Flink通過(guò)其Save Points技術(shù)能夠?qū)⑷蝿?wù)執(zhí)行的快照(Snapshot)保存在存儲(chǔ)介質(zhì)上，等待任務(wù)重啟的時(shí)候可以直接從實(shí)現(xiàn)保存的Save Points恢復(fù)原有的計(jì)算狀態(tài)，使得任務(wù)繼續(xù)按照停機(jī)之前的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，Save Points技術(shù)可以讓用戶更好的管理和運(yùn)維實(shí)時(shí)流式應(yīng)用。

同時(shí)Flink除了上述的特性之外也具有其他非常優(yōu)秀的特性，可以讓用戶有更多選擇。Flink具備非常多的優(yōu)秀特性，這不僅讓Flink在社區(qū)的知名度越來(lái)越高，也吸引了眾多的企業(yè)參與研發(fā)和使用Flink這項(xiàng)技術(shù)。

關(guān)于作者：張利兵，資深架構(gòu)師，流式計(jì)算領(lǐng)域?qū)＜?，第四范式華東區(qū)AI項(xiàng)目架構(gòu)師，原明略數(shù)據(jù)華東區(qū)大數(shù)據(jù)架構(gòu)師。有多年大數(shù)據(jù)、流式計(jì)算方面的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)Hadoop、Spark、Flink等大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎有著非常深入的理解，積累了豐富的項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。