Flink 的集群资源管理

集群资源管理

一、ResourceManager 概述

1、ResourceManager 作为统一的集群资源管理器，用于管理整个集群的计算资源，包括 CPU资源、内存资源等。

2、ResourceManager 负责向集群资源管理器申请容器资源启动TaskManager实例，并对TaskManager进行集中管理。

3、当新的 Job 提交到集群后，JobManager 会向 ResourceManager 申请作业执行需要的计算资源，进而完成整个作业的运行。

二、ResourceManager 分类

在ResourceManager抽象实现类的基础上，分别实现了ActiveResourceManager、StandaloneResourceManager以及MesosResourceManager等子类。

其中ActiveResourceManager实现了动态资源管理，可以根据提交的作业动态选择启动或停止TaskManager实例。

目前支持TaskManager动态管理和启动的ResourceManager主要有KubernetesResourceManager和YarnResourceManager实现类。

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三、ResourceManager 功能

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ResourceManager通过实现ResourceManagerGateway接口，向其他组件提供RPC远程访问能力，如TaskManager服务和JobManager服务的ResourceManagerGateway会将RPC访问请求发送到ResourceManager服务中。

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ResourceManager继承了FencedRpcEndpoint基本实现类，使得ResourceManager可以作为一个RpcEndpoint节点，通过ResourceManagerGateway接口提供给其他服务节点，使之能够以RPC的方式访问ResourceManager服务。

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ResourceManager实现了LeaderContender接口，可以作为竞争节点让LeaderElectionService进行Leader节点的选举，保证整个集群ResourceManager组件服务的高可用。

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四、ResourceManager主要成员变量

resourceld：ResourceManager对应的唯一资源ID。

jobManagerRegistrations：专门存储JobManager注册信息。其中Key为JoblD，Value为JobManagerRegistration，当启动JobManager服务时，就会将JobManager信息注册在jobManagerRegistrations实例中。

jmResourceldRegistrations：用于存储JobManager注册信息，与jobManagerRegistrations的区别在于Key为ResourcelD。

jobLeaderldService：用于获取Job Leader ID的服务，在开启的高可用集群中，当JobManager的Leader节点发生切换时，会借助jobLeaderldService获取当前作业有效的JobID和地址信息。

taskExecutors：注册在ResourceManager的TaskExecutor列表中，其中Key为TaskExecutor对应的ResourcelD，Value为WorkRegistration，即TaskExecutor向ResourceManager注册过程中所提供的信息。

taskExecutorGatewayFutures：专门存储TaskExecutorGateway的CompletableFuture对象，Key为TaskExecutor对应的ResourcelD，Value为CompletableFuture，用于获取TaskExecutorGateway，实现与TaskExecutor之间的RPC通信。

highAvailabilityServices：系统高可用服务，基于highAvailabilityServices服务支持组件高可用。

heartbeatServices：用于创建HeartbeatManager服务，和其他组件之间建立心跳连接。

fatalErrorHandler：系统异常错误处理，当ResourceManager出现异常时调用fatalErrorHandler处理异常错误。

slotManager：ResourceManager的内部组件，用于管理集群的可用Slot资源，同时接收并处理TaskExecutor的SlotReport。

clusterinformation：存储整个Flink集群共享的信息，包括blobServerHostname和blobServerPort等配置。

resourceManagerMetricGroup：ResourceManager的MetricGroup用于收集和ResourceManager相关的监控指标。

leaderElectionService：基于ZooKeeper实现的Leader选举服务，在这里用于实现ResourceManager组件高可用。

taskManagerHeartbeatManager：管理与TaskManager之间的心跳信息。

jobManagerHeartbeatManager：管理与JobManager之间的心跳信息。

clearStateFuture：用于停止ResourceManager后进行数据异步清理。

五、ResourceManagerGateway 接口详解

1、概述

ResourceManagerGateway 接口提供了 ResourceManager 需要的RPC方法，供其他集群组件调用。

2、调用关系图

例如在TaskExecutor中调用ResourceManagerGateway完成在ResourceManager中注册TaskExecutor的操作，通过对ResourceManagerGateway中提供的RPC方法进行梳理，得到JobManager、TaskExecutor、WebMonitorEndpoint和Dispatcher等组件与ResourceManagerGateway之间的RPC调用关系图。

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JobManager、TaskExecutor、WebMonitorEndpoint和Dispatcher组件使用如下方法与ResourceManager服务进行交互

1.JobManager和ResourceManager的RPC调用

registerJobManager(): 在ResourceManager中注册JobManager服务，此时会在jobLeaderldService服务中添加注册的JobManager信息

requestSlot(): JobManager向ResourceManager申请运行Task所需的Slot资源。

heartbeatFromJobManager(): 用于在JobManager与ResourceManager之间建立长期的心跳连接

disconnectJobManager(): 根据JobID删除之前注册在ResourceManager中的JobManager信息，并且关闭JobManager与ResourceManager之间的RPC连接。

2.TaskExecutor和ResourceManager的RPC调用

heartbeatFromTaskManager(): 在TaskExecutor中调用heartbeatFromTaskManager()方法，构建TaskExecutor与ResourceManager之间的心跳连接。

disconnectTaskManager():停止TaskExecutor组件时会调用disconnectTaskManager()方法断开TaskExecutor与ResourceManager之间的RPC连接。

registerTaskExecutor(): 当新的TaskExecutor启动时，会调用该方法向ResourceManager注册TaskExecutor信息。

sendSlotReport(): 当TaskExecutor启动并注册成功后，会调用sendSlotReport()方法向ResourceManager上报SlotReport。SlotReport中包含TaskExecutor的资源数量和配置信息等内容。

notifySlotAvailable(): 当TaskExecutor中具有空闲Slot计算资源时，会调用notifySlotAvailable()方法通知ResourceManager将该Slot资源变为Available状态。

cancelSlotRequest(): 取消JobManager已经分配的资源。

3.Dispatcher和ResourceManager的RPC调用

requestResourceOverview(): 用于在Dispatcher中获取集群资源信息，包括集群中的TaskManager、numberRegisteredSlots以及numberFreeSlots数量。

requestTaskManagerMetricQueryServiceAddresses(): 从ResourceManager获取TaskManager的MetricQueryService路径，主要用于前端获取TaskManager的监控指标。

4.WebMonitorEndpoint和ResourceManager的RPC调用

requestTaskManagerinfo(): 用于获取TaskManager的相关信息，即TaskExecutor启动过程中注册在ResourceManager的信息，包括TaskExecutor的网关地址、端口以及TaskExecutor的硬件信息。

requestTaskManagerFileUpload(): 请求上传文件到BlobServer上，返回TransientBlobKey。

六、Slot计算资源管理

1、概述

ResourceManager内部主要通过SlotManager服务统一对整个集群的Slot计算资源进行管理。

Slot被称为资源卡槽，用于表示可以分配的最小计算资源单位，提交的Task最终会运行在Slot表示的计算资源中。

2、组件

1）SlotManager 包含了Register Slot和Free Slot两个键值对集合

其中Register Slot专门存储ResourceManager中所有已经注册的TaskManagerSlot信息，FreeSlot集合则存储了当前SlotManager中处于空闲状态且还没有被分配和使用的Slot集合。

  	/** Map for all registered slots. */
    private final HashMap<SlotID, TaskManagerSlot> slots;

    /** Index of all currently free slots. */
    private final LinkedHashMap<SlotID, TaskManagerSlot> freeSlots;

2）TaskManagerSlot对象包含了SlotID、ResourceProfile以及TaskExecutorConnection等信息

如果Slot被分配使用，在TaskManagerSlot中还会存储AllocationID和JobID等分配信息，表明当前Slot已经被指定JobID对应的JobManager使用。

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3）SlotManager还包含了pendingSlotRequests 和 fulfilledSlotRequests 两个键值对集合

其中 pendingSlotRequests 存储了所有处于 pending 和 unfulfilled 状态的 Slot 请求。

fulfilledSlotRequests 存储了所有已经分配完成的Slot请求。

		/** Map of fulfilled and active allocations for request deduplication purposes. */
    private final HashMap<AllocationID, SlotID> fulfilledSlotRequests;

    /** Map of pending/unfulfilled slot allocation requests. */
    private final HashMap<AllocationID, PendingSlotRequest> pendingSlotRequests;

Slot 资源申请都会以 PendingSlotRequest 的形式存储在 pendingSlotRequests 集合中，等待 SlotManager 根据当前集群的 Slot 资源进行分配。

当符合条件的 Slot 资源分配给指定的 PendingSlotRequest 后，会为其创建 Allocationld，并将分配了 Allocationld 和 Slotld 信息的SlotRequest 存储到 fulfilledSlotRequests 集合中。

3、流程图

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1）Slot计算资源的注册和管理

1.概述

对Slot计算资源的注册和管理，主要是在TaskManager和ResourceManager服务之间进行的，TaskManager作为Slot计算资源的提供方，ResourceManager则作为Slot计算资源的接收和管理方，梳理TaskManager向SlotManager中注册Slot资源的整个过程。

2.流程

a）启动TaskManager后，调用ResourceManagerGateway.registerTaskExecutor()方法向ResourceManager中注册TaskManager连接信息。

b）创建TaskManager和ResourceManager之间的RPC连接，TaskManager调用ResourceManagerGateway.sendSlotReport()方法向ResourceManager发送SlotReport信息，接着ResourceManager调用SlotManager.registerTaskManager()方法，将TaskManager的资源信息写入SlotManager。

c）在SlotManager中根据SlotReport中的Slot信息创建TaskManagerSlot，并注册到SlotManager的HashMap<SlotID，TaskManagerSlot> slots集合中。

SlotManager含有HashMap<SlotID，TaskManagerSlot> slots和LinkedHashMap<SlotlD，TaskManagerSlot> freeSlots两个Slot集合。前者维护所有注册到SlotManager中的Slot计算资源，后者存储当前SlotManager中可用的Slot资源。

2）为作业申请Slot计算资源

1.概述

在SIotManager中完成SIot资源注册后，等待集群提交和运行作业。

JobManager通过调用ResourceManagerGateway中的相关方法为作业申请Slot计算资源。

2.流程

a）JobManager调用ResourceManagerGateway.requestSlot()方法向ResourceManager发起Slot计算资源申请。

b）ResourceManager内部会调用SlotManager.registerSlotRequest()方法，向SlotManager申请作业需要的Slot计算资源。

c）SlotManager中维护了HashMap<AllocationlD，PendingSlotRequest>pendingSlotRequests集合，将所有的PendingSlotRequest存储在该集合中，并根据SlotRequest的ResourceProfile匹配合适的Slot计算资源，然后对Slot进行分配。

当 SlotRequest 需要的 Slot 计算资源分配完毕后，将已经分配的 SlotlD 信息写入 HashMap<AllocationlD，SlotlD> fulfilledSlotRequests集合。

SlotManager 组件会对 Slot 进行统一的管理，在内部构建一个 Slot 计算资源池，有新的 Slot 注册时，会优先从 pendingSlotRequests 集合中获取处于 Pending 状态的 SlotRequest，并为该 SlotRequest 分配Slot计算资源。