大数据（9f）Flink状态编程

news2024/12/24 8:57:12

文章目录

  • 概述
  • Managed State
    • Operator State
      • ListState
      • BroadcastState
    • Keyed State
      • ValueState
      • ListState
      • MapState
    • ReducingState
    • AggregatingState
  • 状态后端
  • Appendix

概述

流式计算 分为 无状态计算 和 有状态计算

流处理的状态功能：去重、监控……

状态分类Managed StateRaw State
状态管理方式Flink Runtime托管，自动存储，自动恢复，自动伸缩用户自己管理
状态数据结构Flink提供多种数据结构，例如：ListState、MapState等字节数组：byte[]
使用场景多数Flink算子所有算子

Managed State

RawState是在已有算子和ManagedState不够用时才使用
一般来说，ManagedState已经够用，下面重点学习

Managed State 分类Operator StateKeyed State
译名算子状态键控状态
状态分配1个算子的子任务对应1个State1个算子处理多个Key，1个Key对应1个State
出场率较低较高

本文开发环境是WIN10+IDEA；Flink版本是1.14

<properties>
    <maven.compiler.source>8</maven.compiler.source>
    <maven.compiler.target>8</maven.compiler.target>
    <flink.version>1.14.6</flink.version>
    <scala.binary.version>2.12</scala.binary.version>
    <slf4j.version>2.0.3</slf4j.version>
    <log4j.version>2.17.2</log4j.version>
    <fastjson.version>2.0.19</fastjson.version>
    <lombok.version>1.18.24</lombok.version>
</properties>
<!-- https://mvnrepository.com/ -->
<dependencies>
    <!-- Flink -->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-java</artifactId>
        <version>${flink.version}</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-streaming-java_${scala.binary.version}</artifactId>
        <version>${flink.version}</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-clients_${scala.binary.version}</artifactId>
        <version>${flink.version}</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-runtime-web_${scala.binary.version}</artifactId>
        <version>${flink.version}</version>
    </dependency>
    <!-- 日志 -->
    <dependency>
        <groupId>org.slf4j</groupId>
        <artifactId>slf4j-api</artifactId>
        <version>${slf4j.version}</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.slf4j</groupId>
        <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>
        <version>${slf4j.version}</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.logging.log4j</groupId>
        <artifactId>log4j-to-slf4j</artifactId>
        <version>${log4j.version}</version>
    </dependency>
</dependencies>

Operator State

  • 算子状态可用在所有算子上，每个算子子任务（SubTask）共享一个状态
    算子子任务之间的状态不能互相访问
  • 下面以列表状态和广播状态为例

ListState

列表状态 可与 检查点 合用，来 定期保存和清空状态

import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.ListState;
import org.apache.flink.api.common.state.ListStateDescriptor;
import org.apache.flink.runtime.state.FunctionInitializationContext;
import org.apache.flink.runtime.state.FunctionSnapshotContext;
import org.apache.flink.streaming.api.checkpoint.CheckpointedFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        //每3秒1次Checkpointing
        env.enableCheckpointing(3000L);
        //创建数据源，每秒1个数据
        DataStreamSource<Integer> dss = env.addSource(new MySource());
        //测试状态和检查点
        dss.map(new MyMapFunction()).print();
        //流环境执行
        env.execute();
    }

    private static class MyMapFunction implements MapFunction<Integer, String>, CheckpointedFunction {
        private ListState<Integer> state;

        @Override
        public String map(Integer value) throws Exception {
            state.add(value);
            return state.get().toString();
        }

        @Override
        public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) {
            System.out.println("Checkpoint时调用snapshotState，清空状态");
            state.clear();
        }

        @Override
        public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
            System.out.println("创建状态");
            state = context.getOperatorStateStore().getListState(new ListStateDescriptor<>("", Integer.class));
        }
    }

    public static class MySource implements SourceFunction<Integer> {
        public MySource() {}

        @Override
        public void run(SourceContext<Integer> sc) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 99; i++) {
                sc.collect(i);
                Thread.sleep(1000L);
            }
        }

        @Override
        public void cancel() {}
    }
}

测试结果

创建状态
[0]
[0, 1]
Checkpoint时调用snapshotState，清空状态
[2]
[2, 3]
[2, 3, 4]
Checkpoint时调用snapshotState，清空状态
[5]
[5, 6]
[5, 6, 7]
Checkpoint时调用snapshotState，清空状态
[8]
……

BroadcastState

import org.apache.flink.api.common.state.BroadcastState;
import org.apache.flink.api.common.state.MapStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.state.ReadOnlyBroadcastState;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.BroadcastConnectedStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.BroadcastStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.co.BroadcastProcessFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

import java.util.Scanner;

public class Hello {
    final static String STATE_KEY = "";

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(3);
        //1、主数据流
        DataStreamSource<Integer> mainStream = env.addSource(new AutomatedSource());
        //1、控制主数据的辅助流
        DataStreamSource<String> branchStream = env.addSource(new ManualSource());
        //2、创建状态描述符
        MapStateDescriptor<String, Long> stateDescriptor = new MapStateDescriptor<>("", String.class, Long.class);
        //2、创建广播流
        BroadcastStream<String> broadcastStream = branchStream.broadcast(stateDescriptor);
        //3、主数据流 连接 广播流
        BroadcastConnectedStream<Integer, String> b = mainStream.connect(broadcastStream);
        //BroadcastProcessFunction<IN1, IN2, OUT>
        b.process(new BroadcastProcessFunction<Integer, String, String>() {
            //processBroadcastElement(final IN2 value, final Context ctx, final Collector<OUT> out)
            @Override
            public void processBroadcastElement(String value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                //4、获取广播状态
                BroadcastState<String, Long> state = ctx.getBroadcastState(stateDescriptor);
                //4、修改广播状态
                state.put(STATE_KEY, Long.valueOf(value));
            }

            //processElement(final IN1 value, final ReadOnlyContext ctx, final Collector<OUT> out)
            @Override
            public void processElement(Integer value, ReadOnlyContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                //5、获取只读广播状态
                ReadOnlyBroadcastState<String, Long> state = ctx.getBroadcastState(stateDescriptor);
                //5、从广播状态中取值
                Long stateValue = state.get(STATE_KEY);
                //6、输出
                if (stateValue != null) {
                    out.collect("有请" + value + "号佳丽进入" + stateValue + "号舞台");
                }
            }
        }).print();
        //流环境执行
        env.execute();
    }

    /** 手动输入的数据源 */
    public static class ManualSource implements SourceFunction<String> {
        public ManualSource() {}

        @Override
        public void run(SourceFunction.SourceContext<String> sc) {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true) {
                String str = scanner.nextLine().trim();
                if (str.equals("STOP")) {break;}
                if (!str.equals("")) {sc.collect(str);}
            }
            scanner.close();
        }

        @Override
        public void cancel() {}
    }

    /** 自动输入的数据源 */
    public static class AutomatedSource implements SourceFunction<Integer> {
        public AutomatedSource() {}

        @Override
        public void run(SourceFunction.SourceContext<Integer> sc) throws InterruptedException {
            for (int i = 0; i < 999; i++) {
                Thread.sleep(2000);
                sc.collect(i);
            }
        }

        @Override
        public void cancel() {}
    }
}

测试结果截图

Keyed State

  • ValueState<T>
    存储单个值
  • ListState<T>
    存储元素列表
  • MapState<UK, UV>
    存储键值对
  • ReducingState<T>
    存储单个值；当使用add时，ReducingState会使用指定的ReduceFunction进行聚合
  • AggregatingState<IN, OUT>
    类似ReducingState，区别是：AggregatingState的 聚合结果OUT 与 输入IN 可以不同

ValueState

import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建流执行环境，并行度=1
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        //创建数据源
        DataStreamSource<Integer> dss = env.fromElements(9, 5, 2, 7);
        dss
                .keyBy(i -> true)
                .process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Integer, String>() {
                    //1、声明状态变量
                    private ValueState<Integer> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) {
                        //2、key范围内，实例化状态变量，状态变量是单例的
                        state = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<>("", Integer.class));
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Integer i, Context context, Collector<String> out) throws Exception {
                        //3、获取上一次状态的值
                        Integer lastStateValue = state.value();
                        if (lastStateValue != null) {
                            //输出
                            out.collect("当前输入：" + i + "；上次状态值：" + lastStateValue);
                        }
                        //4、更新状态的值
                        state.update(i);
                    }
                })
                .print();
        env.execute();
    }
}
print
当前输入：5；上次状态值：9
当前输入：2；上次状态值：5
当前输入：7；上次状态值：2

ListState

import org.apache.flink.api.common.state.ListState;
import org.apache.flink.api.common.state.ListStateDescriptor;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建流执行环境，并行度=1
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        //创建数据源
        DataStreamSource<Integer> dss = env.fromElements(9, 5, 2, 7);
        dss
                .keyBy(i -> true)
                .process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Integer, String>() {
                    //1、声明状态列表
                    private ListState<Integer> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) {
                        //2、实例化状态列表（key范围内单例）
                        state = getRuntimeContext().getListState(new ListStateDescriptor<>("", Integer.class));
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Integer i, Context context, Collector<String> out) throws Exception {
                        //3、添加状态值
                        state.add(i);

                        //4、获取并收集状态列表
                        out.collect(state.get().toString());
                    }
                })
                .print();
        env.execute();
    }
}
print
[9]
[9, 5]
[9, 5, 2]
[9, 5, 2, 7]

MapState

import org.apache.flink.api.common.state.MapState;
import org.apache.flink.api.common.state.MapStateDescriptor;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建流执行环境，并行度=1
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        //创建数据源
        DataStreamSource<Integer> dss = env.fromElements(9, 5, 2, 7);
        dss
                .keyBy(i -> true)
                .process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Integer, String>() {
                    //1、声明状态映射
                    private MapState<String, Integer> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) {
                        //2、实例化状态映射（分区范围内单例）
                        state = getRuntimeContext()
                                .getMapState(new MapStateDescriptor<>("", String.class, Integer.class));
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Integer i, Context context, Collector<String> out) throws Exception {
                        //3、添加键值对put(key,value)
                        state.put(i.toString(), i);

                        //4、并收集状态
                        out.collect("keys：" + state.keys().toString());
                        out.collect("values：" + state.values().toString());
                    }
                })
                .print();
        env.execute();
    }
}
print
keys：[9]
values：[9]
keys：[5, 9]
values：[5, 9]
keys：[2, 5, 9]
values：[2, 5, 9]
keys：[2, 5, 7, 9]
values：[2, 5, 7, 9]

ReducingState

import org.apache.flink.api.common.state.ReducingState;
import org.apache.flink.api.common.state.ReducingStateDescriptor;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建流执行环境，并行度=1
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        //创建数据源
        DataStreamSource<Integer> dss = env.fromElements(9, 5, 2, 7);
        dss
                .keyBy(i -> true)
                .process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Integer, String>() {
                    //1、声明状态
                    private ReducingState<Integer> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) {
                        //2、实例化状态列表（key范围内单例）
                        state = getRuntimeContext()
                                .getReducingState(new ReducingStateDescriptor<>("", Integer::sum, Integer.class));
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Integer i, Context context, Collector<String> out) throws Exception {
                        //3、添加状态值
                        state.add(i);

                        //4、获取并收集状态结果
                        out.collect("归约值：" + state.get());
                    }
                })
                .print();
        env.execute();
    }
}
print
归约值：9
归约值：14
归约值：16
归约值：23

AggregatingState

import org.apache.flink.api.common.functions.AggregateFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.AggregatingState;
import org.apache.flink.api.common.state.AggregatingStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class Hello {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建流执行环境，并行度=1
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment().setParallelism(1);
        //创建数据源
        DataStreamSource<Long> dss = env.fromElements(9L, 5L, 2L, 7L);
        dss
                .keyBy(i -> true)
                //KeyedProcessFunction<K, I, O>
                .process(new KeyedProcessFunction<Boolean, Long, Integer>() {
                    //1、声明状态AggregatingState<IN, OUT>
                    private AggregatingState<Long, Integer> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) {
                        //2、创建状态描述器；AggregatingStateDescriptor<IN, ACC, OUT>
                        AggregatingStateDescriptor<Long, String, Integer> stateDescriptor =
                                //AggregatingStateDescriptor(String name,aggFunction,TypeInformation<ACC> stateType)
                                new AggregatingStateDescriptor<>("",
                                        //aggFunction：AggregateFunction<IN, ACC, OUT>
                                        new AggregateFunction<Long, String, Integer>() {
                                            @Override
                                            public String createAccumulator() {
                                                return "";
                                            }

                                            @Override
                                            public String add(Long value, String accumulator) {
                                                return accumulator + value;
                                            }

                                            @Override
                                            public Integer getResult(String accumulator) {
                                                return Integer.valueOf(accumulator);
                                            }

                                            @Override
                                            public String merge(String a1, String a2) {
                                                return a1 + a2; //合并两个累加器
                                            }
                                        }, Types.STRING);
                        //3、分区范围内创建状态单例对象
                        state = getRuntimeContext().getAggregatingState(stateDescriptor);
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Long value, Context ctx, Collector<Integer> out) throws Exception {
                        //5、添加到状态
                        state.add(value);

                        //6、获取并收集状态列表
                        out.collect(state.get());
                    }
                })
                .print();
        env.execute();
    }
}
print
9
95
952
9527

状态后端

  • 状态后端（state backend）
    一个可插入的组件，用来 存储、访问以及维护 状态
  • 作用：
    本地的状态管理（本地状态存储在TaskManager的内存中）
    将checkpoint状态写入文件系统（如HDFS)
分类本地状态存储checkpoint状态存储特点备注
MemoryStateBackendTaskManager的内存JobManager的内存快、不稳弃用的
FsStateBackendTaskManager的内存文件系统稳弃用的
RocksDBStateBackendTaskManager的内存和RocksDB文件系统稳超大状态的作业

然而发现Flink1.14.6弃用了MemoryStateBackend和FsStateBackend的写法

env.setStateBackend(new MemoryStateBackend());
env.setStateBackend(new FsStateBackend(String checkpointDataUri));
//URI (e.g., 'file://', 'hdfs://', or 'S3://')

于是改用下面

//允许Checkpointing，每3秒1次
env.enableCheckpointing(3000L);
//设置状态后端
env.setStateBackend(new HashMapStateBackend());
//获取Checkpointing配置
CheckpointConfig config = env.getCheckpointConfig();
//检查点状态 存储到 JobManager的内存
config.setCheckpointStorage(new JobManagerCheckpointStorage());
//检查点状态 存储到 文件系统
config.setCheckpointStorage(new FileSystemCheckpointStorage(String checkpointDirectory));

Appendix

英🔉中
runtimeˈrʌntaɪmn. 运行时间；运行时(环境)
contextˈkɑːntekstn. 上下文，语境
managedˈmænɪdʒdadj. 受监督的；v. 经营（manage 的过去式及过去分词）
operatorˈɑːpəreɪtərn. （机器的）操作员；运算符号；算子
descriptordɪˈskrɪptərn. 描述符号

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