Flink实时数仓同步：快照表实战详解

news2024/10/7 18:23:13

一、背景

在大数据领域，初始阶段业务数据通常被存储于关系型数据库，如MySQL。然而，为满足日常分析和报表等需求，大数据平台采用多种同步方式，以适应这些业务数据的不同存储需求。这些同步存储方式包括离线仓库和实时仓库等，选择取决于业务需求和数据特性。

一项常见需求是，业务使用人员需要大数据分析平台中查看历史某一天的表数据，示例如下：

  1. [Mysql] 业务数据 - 用户表全量数据：
idnamephonegendercreate_timeupdate_time
1jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
2jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
3tom333男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
  1. [Mysql] 2023-06-02 业务数据新增了一名用户，且更改了tom的手机号，此时表数据如下：
idnamephonegendercreate_timeupdate_time
1jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
2jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
3tom444男2023-06-01 13:00:002023-06-02 09:00:00
4tony555男2023-06-02 10:00:002023-06-02 10:00:00

加粗为更新/新增数据

  1. [大数据平台] 2023-06-03 日业务人员在大数据平台中查看2023-06-02日用户表的历史数据，期望数据如下：
idnamephonegendercreate_timeupdate_time
1jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
2jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
3tom333男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00

看到这里，有些同学可能会疑惑为何不采用离线数仓中的快照表，而要选择使用 Flink 实时同步的方式。确实，从需求层面看，离线数仓的快照表似乎是一种合理的选择。然而，我们需要注意离线数仓通常采用凌晨 T+1 执行 SQL 的方式将业务数据筛选后同步至下游，这种操作适用于对业务数据精确度要求不高的场景。

对于对数据精确度要求较高的需求，采用 T+1 的同步方式可能会导致数据不一致的问题。详细的问题分析和解决方案可以参考我另一篇文章：深入数仓离线数据同步：问题分析与优化措施。

那么对于对数据精确度要求较高的场景，我们可以选择实时同步的方式来实现。这是因为实时同步通过读取 binlog 日志，能够获取业务数据的完整变更历史。与离线数仓中的 T+1 执行 SQL 不同，实时同步能够更及时地捕获和应用数据变更，确保数据的高一致性和精确度。

二、技术选型

在实时同步领域，要实现背景中的需求通常有两种常见的解决方式：

  1. 实时同步 + 拉链表：
    • 拉链表完整记录了整个 binlog 的数据流向，并通过 start_date 和 end_date 字段进行天粒度筛选。
    • 可以采用此方式，实现细节可以参考笔者另一篇文章：Flink实时数仓同步：拉链表实战详解。
  2. 实时同步 + 快照表：
    • 本文主要内容。
    • 快照表适用于对数据的历史状态感兴趣，通过实时同步捕获变更事件，并将精确数据写入快照表。

本文主要介绍第二种实现方式：实时同步 + 快照表。

三、技术架构

鉴于业务数据通常存储在关系型数据库中，这里选择采用Flink-CDC持续读取binlog日志进行实时同步。为了保证实时数据能够高效写入下游并支持用户OLAP查询分析，这里选择了企业中常见的MMP库Doris作为实时数仓的存储层。整体架构如下图所示：

在这里插入图片描述

基于上图的设计，引入了一张额外的流水表到 Doris 中。这个设计的目的是为了实现业务的解耦，建立一张专门存储业务数据表的历史变更记录的流水表。这种结构不仅有助于满足当前需求，而且在后续可能出现的其他需求中也更加灵活可扩展。

在实际实现中，可以通过一个 Flink 程序来构建这两张表：流水表和快照表。这种设计模式使得系统更为模块化，同时也方便了后期其他需求的使用。

因此建议读者先阅读笔者另一篇文章：Flink实时数仓同步：流水表实战详解；再回到本文。这样能够更好地理解整个系统设计的背景和实际应用。

四、数据流转过程

Flink实时同步程序负责处理捕获到的MySQL数据变更事件。在处理流程中，首先将全量数据存储到快照表，然后针对新增（INSERT）、修改（UPDATE）、删除（DELETE）等操作，将其同步至流水表。当符合以下任意一个条件便会触发合并任务：

  1. 当binlog数据中的日期为第二天。
  2. 凌晨过了5分钟 [自定义阈值]。

一旦触发合并任务，程序将执行JOIN操作，将流水表前一天数据与快照表中前两天的数据进行整合，最终得到前一天的全量数据，并将其写入至快照表的前一天分区中。这种设计模式既保证了数据的完整性和准确性，又有效地将全量数据存储于快照表中，数据流转过程如下图所示：
在这里插入图片描述

五、实时同步+快照表实现

5.1、快照表设计

  1. 快照表用于存储某个特定时间点的所有数据，通常以天为粒度，相当于对每天的业务数据进行一次全量快照，将当天的全部数据记录下来。举例来说，12号分区中的数据包含了从历史开始一直到11号的全部数据，而13号分区中的数据则包含了从历史一直到12号的全部数据，其余分区以此类推。
  2. 此处只介绍快照表的设计，关于流水表的建表语句请参考笔者另一篇文章：Flink实时数仓同步：流水表实战详解，此快照表采用了Unique数据模型，建表语句如下：
CREATE TABLE `example_user_snapshot`
(
    `id` largeint(40) NOT NULL COMMENT '用户id',
    `dt` date NULL COMMENT '流水日期',
    `name` varchar(50) NOT NULL COMMENT '用户昵称',
    `phone` largeint(40) NULL COMMENT '手机号',
    `gender` varchar(5) NULL COMMENT '用户性别',
    `create_time` datetime NULL COMMENT '用户注册时间',
    `update_time` datetime NULL COMMENT '用户更新时间'
) ENGINE=OLAP
UNIQUE KEY(`id`, `dt`)
COMMENT '用户流水表'
PARTITION BY RANGE(dt)()
DISTRIBUTED BY HASH(id) BUCKETS 8
PROPERTIES
(
    "dynamic_partition.enable" = "true",
    "dynamic_partition.time_unit" = "DAY",
    "dynamic_partition.start" = "-90",
    "dynamic_partition.end" = "3",
    "dynamic_partition.prefix" = "p",
    "dynamic_partition.buckets" = "8"
);

该表利用了Doris的动态分区功能，将分区粒度设置为天级，并采取了预先建立3天分区的策略，同时设定了90天的过期时间；更多信息可参考Doris动态分区介绍

5.2、实时同步逻辑

5.2.1、前提介绍

  1. 首先，由于实时流水表同步使用Flink-cdc读取关系型数据库，flink-cdc提供了四种模式： “initial”，“earliest-offset”，“latest-offset”，“specific-offset” 和 “timestamp”。本文使用的Flink-connector-mysq是2.3版本，这里简单介绍一下这四种模式：

    • initial （默认）：在第一次启动时对受监视的数据库表执行初始快照，并继续读取最新的 binlog。

    • earliest-offset：跳过快照阶段，从可读取的最早 binlog 位点开始读取

    • latest-offset：首次启动时，从不对受监视的数据库表执行快照， 连接器仅从 binlog 的结尾处开始读取，这意味着连接器只能读取在连接器启动之后的数据更改。

    • specific-offset：跳过快照阶段，从指定的 binlog 位点开始读取。位点可通过 binlog 文件名和位置指定，或者在 GTID 在集群上启用时通过 GTID 集合指定。

    • timestamp：跳过快照阶段，从指定的时间戳开始读取 binlog 事件。

  2. 这里采用initial模式作为实时同步方式，先全量后增量，此外由于实时流水表同步需要对 binlog 数据进行解析及判断更新操作类型，因此，Flink CDC SQL 方式的表建立不再满足我们的要求。为了更好地实现这一功能，我们需要采用 API 方式来构建解决方案，代码如下：

import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import com.ververica.cdc.debezium.JsonDebeziumDeserializationSchema;
import com.ververica.cdc.connectors.mysql.source.MySqlSource;

public class MySqlSourceExample {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    MySqlSource<String> mySqlSource = MySqlSource.<String>builder()
        .hostname("yourHostname")
        .port(yourPort)
        .databaseList("yourDatabaseName") // 设置捕获的数据库， 如果需要同步整个数据库，请将 tableList 设置为 ".*".
        .tableList("yourDatabaseName.yourTableName") // 设置捕获的表
        .username("yourUsername")
        .password("yourPassword")
        .startupOptions(StartupOptions.timestamp(1685548800000L)) // 从2023-06-01零点处读取binlog
        .deserializer(new JsonDebeziumDeserializationSchema()) // 将 SourceRecord 转换为 JSON 字符串
        .build();

    StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

    // 设置 3s 的 checkpoint 间隔
    env.enableCheckpointing(3000);

    env
      .fromSource(mySqlSource, WatermarkStrategy.noWatermarks(), "MySQL Source")
      // 设置 source 节点的并行度为 4
      .setParallelism(4)
      .print().setParallelism(1); // 设置 sink 节点并行度为 1 

    env.execute("Print MySQL Snapshot + Binlog");
  }
}

代码摘自mysql-cdc-connector官网示例

5.2.2、全量同步阶段

  1. 接下来我们将从全量同步开始逐步演示同步过程，这里我们以2023-06-0日的[Mysql]业务数据为例，此时表数据如下：
idnamephonegendercreate_timeupdate_time
1jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
2jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
3tom333男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
  1. 此时Flink应用启动获取到的数据如下：仅展示一条
{
	"before": null,
	"after": {		 # 实际数据
		"id": 1,
		"name": "jack",
		"phone": "111",
		"gender": "男",
		"create_time": "2023-06-01T05:00:00Z",  # 该日期是UTC时间,只需增加8小时即可转化为北京时间
		"update_time": "2023-06-01T05:00:00Z"	# 该日期是UTC时间,只需增加8小时即可转化为北京时间
	},
	"source": {		 # 元数据
		"version": "1.6.4.Final",
		"connector": "mysql",
		"name": "mysql_binlog_source",
		"ts_ms": 0,
		"snapshot": "false",
		"db": "yushu_dds",
		"sequence": null,
		"table": "user",
		"server_id": 0,
		"gtid": null,
		"file": "",
		"pos": 0,
		"row": 0,
		"thread": null,
		"query": null
	},
	"op": "r",  	 # 记录每条数据的操作类型[重要]
	"ts_ms": 1705471382867,
	"transaction": null
}

  1. 在我们使用 Flink CDC MySQL 同步数据时，默认采用 initial 模式，这意味着首先进行全量同步，然后再进行增量同步。因此，在区分全量和增量同步时，关键在于观察获取到的数据中的 op 字段。op 字段是用来记录每条数据的操作类型的标志。具体的操作类型如下：

    • op=d 代表删除操作

    • op=u 代表更新操作

    • op=c 代表新增操作

    • op=r 代表全量读取，而不是来自 binlog 的增量读取

  2. 在 Flink 程序中，只需要通过 op=r 即可筛选出全量数据。在全量数据同步阶段只需将op=r的业务数据直接同步至快照表，流水表在全量阶段无需同步，导入语句如下：

INSERT INTO example_user_snapshot (id, dt, name, phone, gender, create_time, update_time)
VALUES
    (1, '2023-06-01', 'jack', 111, '男', '2023-06-01 13:00:00', '2023-06-01 13:00:00'),
    (2, '2023-06-01', 'jason', 222, '男', '2023-06-01 13:00:00', '2023-06-01 13:00:00'),
    (3, '2023-06-01', 'tom', 333, '男', '2023-06-01 13:00:00', '2023-06-01 13:00:00');
  1. 此时doris快照表数据如下所示：
iddtnamephonegendercreate_timeupdate_time
12023-06-01jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
22023-06-01jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
32023-06-01tom333男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
  1. 此时doris流水表数据如下所示：全量阶段流水表无需同步
idupdate_timedtcreate_timenamephonegenderopbeforebinlog
NULLNULLNULLNULLNULLNULLNULLNULLNULLNULL

5.2.3、增量同步阶段

  1. 这里我们以2023-06-02日的[Mysql]业务数据为例，新增了一名tony用户，且更改了tom的手机号，此时表数据如下：
idnamephonegendercreate_timeupdate_time
1jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
2jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
3tom444男2023-06-01 13:00:002023-06-02 09:00:00
4tony555男2023-06-02 10:00:002023-06-02 10:00:00
  1. 此时Flink应用获取到的数据如下：
# 新增tony变更数据如下
{
	"before": null,
	"after": {
		"id": 4,
		"name": "tony",
		"phone": "666",
		"gender": "男",
		"create_time": "2023-06-02T02:00:00Z",
		"update_time": "2023-06-02T02:00:00Z"
	},
	"source": {
		# 元数据信息忽略
	},
	"op": "c", # 操作类型
	"ts_ms": 1706768344113,
	"transaction": null
}
# tom手机号333->444变更数据如下
{
	"before": {
		"id": 3,
		"name": "tom",
		"phone": "333",
		"gender": "男",
		"create_time": "2023-06-01T05:00:00Z",
		"update_time": "2023-06-01T05:00:00Z"
	},
	"after": {
		"id": 3,
		"name": "tom",
		"phone": "444",
		"gender": "男",
		"create_time": "2023-06-01T05:00:00Z",
		"update_time": "2023-06-01T23:00:00Z"
	},
	"source": {
		# 元数据信息忽略
	},
	"op": "u", # 操作类型
	"ts_ms": 1706768454904,
	"transaction": null
}
  1. 当 Flink 同步程序接收到 op=c/u/d 表示增量更新数据时，提取其中的 op、before 和 after 数据。接着将这些信息拼装成 Doris 的 INSERT 语句后插入到流水表中，此时流水表数据如下所示：
idupdate_timedtcreate_timenamephonegenderopbeforebinlog
42023-06-02 10:00:002023-06-022023-06-02 10:00:00tony555男cNULL{“before”:null,“after”:{“id”:4,“name”:“tony”,“phone”:“666”,“gender”:“男”,“create_time”:“2023-06-02T02:00:00Z”,“update_time”:“2023-06-02T02:00:00Z”},“source”:{“version”:“1.6.4.Final”,“connector”:“mysql”,“name”:“mysql_binlog_source”,“ts_ms”:1706768344000,“snapshot”:“false”,“db”:“yushu_dds”,“sequence”:null,“table”:“user”,“server_id”:2307031958,“gtid”:“71221bfd-56e8-11ee-8275-fa163e4ecceb:33719321”,“file”:“3509-binlog.000191”,“pos”:643757739,“row”:0,“thread”:null,“query”:null},“op”:“c”,“ts_ms”:1706768344113,“transaction”:null}
32023-06-02 08:00:002023-06-022023-06-02 13:00:00tom444男u{“id”:3,“name”:“tom”,“phone”:“333”,“gender”:“男”,“create_time”:“2023-06-01T05:00:00Z”,“update_time”:“2023-06-01T05:00:00Z”}{“before”:{“id”:3,“name”:“tom”,“phone”:“333”,“gender”:“男”,“create_time”:“2023-06-01T05:00:00Z”,“update_time”:“2023-06-01T05:00:00Z”},“after”:{“id”:3,“name”:“tom”,“phone”:“444”,“gender”:“男”,“create_time”:“2023-06-01T05:00:00Z”,“update_time”:“2023-06-01T23:00:00Z”},“source”:{“version”:“1.6.4.Final”,“connector”:“mysql”,“name”:“mysql_binlog_source”,“ts_ms”:1706768454000,“snapshot”:“false”,“db”:“yushu_dds”,“sequence”:null,“table”:“user”,“server_id”:2307031958,“gtid”:“71221bfd-56e8-11ee-8275-fa163e4ecceb:33719761”,“file”:“3509-binlog.000191”,“pos”:692873739,“row”:0,“thread”:null,“query”:null},“op”:“u”,“ts_ms”:1706768454904,“transaction”:null}
  1. 因增量数据无需同步至快照表，故此时快照表与之前06-01号一样保持不变，快照表数据如下：
iddtnamephonegendercreate_timeupdate_time
12023-06-01jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
22023-06-01jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
32023-06-01tom333男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00

5.2.4、合并阶段

在合并阶段，我们将流水表前一天的数据与快照表中前两天的数据进行整合，最终得到前一天的全量数据，并将其写入至快照表的前一天分区。

合并任务会在满足以下任意一个条件时触发：

  1. 当binlog数据中的日期为第二天。
  2. 当凌晨过了5分钟（这是一个自定义的时间阈值）。

第二个条件的存在是因为业务数据很可能在凌晨00:00 ~ 00:05 分之间没有增量数据。因此，即使在没有业务数据同步的情况下，我们仍然可以通过第二个条件触发合并阶段，确保数据的完整性和准确性。

  1. 这里我们假设2023-06-03 00:05:00 触发合并阶段为例，此时业务数据如下所示：
idnamephonegendercreate_timeupdate_time
1jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
2jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
3tom444男2023-06-01 13:00:002023-06-02 09:00:00
4tony555男2023-06-02 10:00:002023-06-02 10:00:00
  1. flink程序中无新增数据，但由于满足第二个触发条件，在flink程序中将会触发合并任务[可用单独线程实现]，此时执行的doris合并语句如下：
INSERT INTO example_user_snapshot (id, dt, name, phone, gender, create_time, update_time)
SELECT
    id,
    '2023-06-02' as dt, -- 通过固定dt字段值从而写入快照表p20230602分区中
    name,
    phone,
    gender,
    create_time,
    update_time
FROM (
         SELECT
             snap.id,
             snap.name,
             snap.phone,
             snap.gender,
             snap.create_time,
             snap.update_time
         FROM example_user_snapshot PARTITION p20230601 snap
    LEFT JOIN example_user_stream PARTITION p20230602 stream ON snap.id = stream.id
         WHERE stream.id IS NULL
         UNION
         SELECT
             id,
             name,
             phone,
             gender,
             create_time,
             update_time
         FROM (
             SELECT
             id,
             name,
             phone,
             gender,
             create_time,
             update_time,
			 -- 使用窗口函数的目的是处理流水表中可能存在多条相同id的记录，例如tom在06-02日更改多次手机号则会有多条相同id的数据，故此窗口函数用于确保选择每个id对应的update_time最大的记录；如果流水表设计的unique key = (id) 则不会出现重复情况无需此处的窗口函数。
             ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY id ORDER BY update_time DESC) AS row_num 
             FROM example_user_stream PARTITION p20230602
             ) ranked
         WHERE row_num = 1
     ) AS temp;

该 SQL 查询是先获取两表联接中未更新的数据，与已更新的数据合并，最后写入到快照表中，确保了 2023-06-02 分区的数据是完整的全量数据。

若想详细剖析此sql的运算逻辑可参考笔者另一篇文章：数仓日常维护：剖析每日增量同步的内部机制

  1. 此时快照表的数据如下：
iddtnamephonegendercreate_timeupdate_time
12024-02-02jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
22024-02-02jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
32024-02-02tom333男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
12024-02-03jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
22024-02-03jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
32024-02-03tom555男2023-06-02 13:00:002023-06-02 09:00:00
42024-02-03tony555男2023-06-02 10:00:002023-06-02 10:00:00
  1. 用户可以通过如下语句查询2023-06-02全量数据：
SELECT * FROM example_user_snapshot PARTITION p20230602;
12024-02-03jack111男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
22024-02-03jason222男2023-06-01 13:00:002023-06-01 13:00:00
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合并阶段的主要压力是Doris，Flink程序只是传递sql执行后获取结果即可；至此实时快照表同步逻辑结束。

5.3、数据一致性设计

在上述快照表同步过程中，如果Flink程序挂掉或者重启，是否会影响数据一致性？由于Flink程序是通过定时执行checkpoint且binlog可重读溯源，因此在数据获取阶段不会出现数据一致性问题。

需要考虑的地方在于合并阶段，如果触发了合并任务，而此时Flink程序还在不断消费业务变更数据，这里是异步还是阻塞？笔者建议使用异步：即Flink程序仍实时同步业务变更数据至流水表，而快照表的合并阶段主要是下沉到Doris库中执行。

需要注意的是如果在合并阶段时Flink程序挂掉，重启后该如何处理？笔者建议在Flink程序中采用有状态的计算，即Rich functions 富函数中的ValueState，用于记录当前合并阶段是否成功，如下：

javaCopy codeimport org.apache.flink.api.common.functions.RichMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.StateTtlConfig;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.time.Time;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;

public class TestMapFunction extends RichMapFunction<Tuple2<String, Integer>, Tuple2<String, Integer>>  {
    // state 用于存放合并后的分区，例如: state=p20230601
    private transient ValueState<String> state;

    @Override
    public Tuple2<String, Integer> map(Tuple2<String, Integer> in) throws Exception {
        // 业务逻辑
    }

    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        // 初始化 state
    }
}

通过这种方式，即便Flink在同步过程中宕掉，只要根据checkpoint重启后便可检测到上一个分区任务失败，即state != 20230602，从而再次触发合并阶段！

关于flink有状态的计算可参考Flink官网介绍

五、总结

此设计方式主要面向对数据准确性要求较高的场景。如果对数据准确性要求不高，完全可以考虑采用离线数仓 T+1 的方式构建快照表。

另外，此背景需求也可以通过拉链表实现。值得注意的是，拉链表能够支持更多的需求，例如实时数据查看。相比之下，本文介绍的快照表主要用于查看历史数据，不支持实时数据查看。

六、相关资料

  • Doris 数据模型
  • Flink状态计算
  • MySQL CDC Connector
  • 数仓日常维护：剖析每日增量同步的内部机制
  • Flink实时数仓同步：流水表实战详解
  • Flink实时数仓同步：拉链表实战详解
  • 深入数仓离线数据同步：问题分析与优化措施

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