Flink 运行时架构

系统架构

整体架构

Flink 的运行时架构中，最重要的就是两大组件：作业管理器（JobManger）和任务管理器（TaskManager）。对于一个提交执行的作业：

• JobManager 是真正意义上的“管理者”（Master），负责管理调度，所以在不考虑高可用的情况下只能有一个；
• 而 TaskManager 是“工作者”（Worker、Slave），负责执行任务处理数据，所以可以有一个或多个。

Flink 的作业提交和任务处理时的系统如图：

客户端并不是处理系统的一部分，它只负责作业的提交。具体来说，就是调用程序的 main 方法，将代码转换成“数据流图”（Dataflow Graph），并最终生成作业图（JobGraph），一并发送给 JobManager。提交之后，任务的执行其实就跟客户端没有关系了；我们可以在客户端选择断开与 JobManager 的连接, 也可以继续保持连接。之前我们在命令提交作业时，加上的-d 参数，就是表示分离模式（detached mode)，也就是断开连接。

当然，客户端可以随时连接到 JobManager，获取当前作业的状态和执行结果，也可以发送请求取消作业。我们在前面中不论通过 Web UI 还是命令行执行“flink run”的相关操作，都是通过客户端实现的。

JobManager 和 TaskManagers 可以以不同的方式启动：

• 作为独立（Standalone）集群的进程，直接在机器上启动
• 在容器中启动
• 由资源管理平台调度启动，比如 YARN、K8S

这其实就对应着不同的部署方式。

TaskManager 启动之后，JobManager 会与它建立连接，并将作业图（JobGraph）转换成可执行的“执行图”（ExecutionGraph）分发给可用的 TaskManager，然后就由 TaskManager 具体执行任务。

作业管理器（JobManager）

JobManager 是一个 Flink 集群中任务管理和调度的核心，是控制应用执行的主进程。也就是说，每个应用都应该被唯一的 JobManager 所控制执行。当然，在高可用（HA）的场景下，可能会出现多个 JobManager；这时只有一个是正在运行的领导节点（leader），其他都是备用节点（standby）。

JobManger 又包含 3 个不同的组件，下面我们一一讲解。

（1）JobMaster

JobMaster 是 JobManager 中最核心的组件，负责处理单独的作业（Job）。所以 JobMaster和具体的 Job 是一一对应的，多个 Job 可以同时运行在一个 Flink 集群中, 每个 Job 都有一个自己的 JobMaster。需要注意在早期版本的 Flink 中，没有 JobMaster 的概念；而 JobManager的概念范围较小，实际指的就是现在所说的 JobMaster。

在作业提交时，JobMaster 会先接收到要执行的应用。这里所说“应用”一般是客户端提交来的，包括：Jar 包，数据流图（dataflow graph），和作业图（JobGraph）。

JobMaster 会把 JobGraph 转换成一个物理层面的数据流图，这个图被叫作“执行图”（ExecutionGraph），它包含了所有可以并发执行的任务。 JobMaster 会向资源管理器（ResourceManager）发出请求，申请执行任务必要的资源。一旦它获取到了足够的资源，就会将执行图分发到真正运行它们的 TaskManager 上。

而在运行过程中，JobMaster 会负责所有需要中央协调的操作，比如说检查点（checkpoints）的协调。

（2）资源管理器（ResourceManager）

ResourceManager 主要负责资源的分配和管理，在 Flink 集群中只有一个。所谓“资源”，主要是指 TaskManager 的任务槽（task slots）。任务槽就是 Flink 集群中的资源调配单元，包含了机器用来执行计算的一组 CPU 和内存资源。每一个任务（Task）都需要分配到一个 slot 上执行。

这里注意要把 Flink 内置的 ResourceManager 和其他资源管理平台（比如 YARN）的ResourceManager 区分开。Flink 的 ResourceManager，针对不同的环境和资源管理平台（比如 Standalone 部署，或者YARN），有不同的具体实现。在 Standalone 部署时，因为 TaskManager 是单独启动的（没有Per-Job 模式），所以 ResourceManager 只能分发可用 TaskManager 的任务槽，不能单独启动新TaskManager。

而在有资源管理平台时，就不受此限制。当新的作业申请资源时，ResourceManager 会将有空闲槽位的 TaskManager 分配给 JobMaster。如果 ResourceManager 没有足够的任务槽，它还可以向资源提供平台发起会话，请求提供启动 TaskManager 进程的容器。另外，ResourceManager 还负责停掉空闲的 TaskManager，释放计算资源。

（3）分发器（Dispatcher）

Dispatcher 主要负责提供一个 REST 接口，用来提交应用，并且负责为每一个新提交的作业启动一个新的 JobMaster 组件。Dispatcher 也会启动一个 Web UI，用来方便地展示和监控作业执行的信息。Dispatcher 在架构中并不是必需的，在不同的部署模式下可能会被忽略掉。

任务管理器（TaskManager）

TaskManager 是 Flink 中的工作进程，数据流的具体计算就是它来做的，所以也被称为“Worker”。Flink 集群中必须至少有一个 TaskManager；当然由于分布式计算的考虑，通常会有多个 TaskManager 运行，每一个 TaskManager 都包含了一定数量的任务槽（task slots）。Slot是资源调度的最小单位，slot 的数量限制了 TaskManager 能够并行处理的任务数量。

启动之后，TaskManager 会向资源管理器注册它的 slots；收到资源管理器的指令后，TaskManager 就会将一个或者多个槽位提供给 JobMaster 调用，JobMaster 就可以分配任务来执行了。

在执行过程中，TaskManager 可以缓冲数据，还可以跟其他运行同一应用的 TaskManager交换数据。

作业提交流程

高层级抽象视角

Flink 的提交流程，随着部署模式、资源管理平台的不同，会有不同的变化。首先我们从一个高层级的视角，来做一下抽象提炼，看一看作业提交时宏观上各组件是怎样交互协作的。

1. 一般情况下，由客户端（App）通过分发器提供的 REST 接口，将作业提交给JobManager。
2. 由分发器启动 JobMaster，并将作业（包含 JobGraph）提交给 JobMaster。
3. JobMaster 将 JobGraph 解析为可执行的 ExecutionGraph，得到所需的资源数量，然后向资源管理器请求资源（slots）。
4. 资源管理器判断当前是否由足够的可用资源；如果没有，启动新的 TaskManager。
5. TaskManager 启动之后，向 ResourceManager 注册自己的可用任务槽（slots）。
6. 资源管理器通知 TaskManager 为新的作业提供 slots。
7. TaskManager 连接到对应的 JobMaster，提供 slots。
8. JobMaster 将需要执行的任务分发给 TaskManager。
9. TaskManager 执行任务，互相之间可以交换数据。

独立模式（Standalone）

在独立模式（Standalone）下，只有会话模式和应用模式两种部署方式。两者整体来看流程是非常相似的：TaskManager 都需要手动启动，所以当 ResourceManager 收到 JobMaster 的请求时，会直接要求 TaskManager 提供资源。而 JobMaster 的启动时间点，会话模式是预先启动，应用模式则是在作业提交时启动。提交的整体流程如图：

我们发现除去第 4 步不会启动 TaskManager，而且直接向已有的 TaskManager 要求资源，其他步骤与前面所讲抽象流程完全一致。

YARN 集群

接下来我们再看一下有资源管理平台时，具体的提交流程。我们以 YARN 为例，分不同的部署模式来做具体说明。

（1）会话（Session）模式

在会话模式下，我们需要先启动一个 YARN session，这个会话会创建一个 Flink 集群。

这里只启动了 JobManager，而 TaskManager 可以根据需要动态地启动。在 JobManager 内部，由于还没有提交作业，所以只有 ResourceManager 和 Dispatcher 在运行。

1. 客户端通过 REST 接口，将作业提交给分发器。
2. 分发器启动 JobMaster，并将作业（包含 JobGraph）提交给 JobMaster。
3. JobMaster 向资源管理器请求资源（slots）。
4. 资源管理器向 YARN 的资源管理器请求 container 资源。
5. YARN 启动新的 TaskManager 容器。
6. TaskManager 启动之后，向 Flink 的资源管理器注册自己的可用任务槽。
7. 资源管理器通知 TaskManager 为新的作业提供 slots。
8. TaskManager 连接到对应的 JobMaster，提供 slots。
9. JobMaster 将需要执行的任务分发给 TaskManager，执行任务。

可见，整个流程除了请求资源时要“上报”YARN 的资源管理器，其他与所述抽象流程几乎完全一样。

（2）单作业（Per-Job）模式

在单作业模式下，Flink 集群不会预先启动，而是在提交作业时，才启动新的 JobManager。

1. 客户端将作业提交给 YARN 的资源管理器，这一步中会同时将 Flink 的 Jar 包和配置上传到 HDFS，以便后续启动 Flink 相关组件的容器。
2. YARN 的资源管理器分配 Container 资源，启动 Flink JobManager，并将作业提交给JobMaster。这里省略了 Dispatcher 组件。
3. JobMaster 向资源管理器请求资源（slots）。
4. 资源管理器向 YARN 的资源管理器请求 container 资源。
5. YARN 启动新的 TaskManager 容器。
6. TaskManager 启动之后，向 Flink 的资源管理器注册自己的可用任务槽。
7. 资源管理器通知 TaskManager 为新的作业提供 slots。
8. TaskManager 连接到对应的 JobMaster，提供 slots。
9. JobMaster 将需要执行的任务分发给 TaskManager，执行任务。

可见，区别只在于 JobManager 的启动方式，以及省去了分发器。当第 2 步作业提交给JobMaster，之后的流程就与会话模式完全一样了。

（3）应用（Application）模式

应用模式与单作业模式的提交流程非常相似，只是初始提交给 YARN 资源管理器的不再是具体的作业，而是整个应用。一个应用中可能包含了多个作业，这些作业都将在 Flink 集群中启动各自对应的 JobMaster。

数据流图（Dataflow Graph）

Flink 是流式计算框架。它的程序结构，其实就是定义了一连串的处理操作，每一个数据输入之后都会依次调用每一步计算。在 Flink 代码中，我们定义的每一个处理转换操作都叫作“算子”（Operator），所以我们的程序可以看作是一串算子构成的管道，数据则像水流一样有序地流过。比如在之前的 WordCount 代码中，基于执行环境调用的 socketTextStream()方法，就是一个读取文本流的算子；而后面的 flatMap()方法，则是将字符串数据进行分词、转换成二元组的算子。

所有的 Flink 程序都可以归纳为由三部分构成：Source、Transformation 和 Sink。

• Source 表示“源算子”，负责读取数据源。
• Transformation 表示“转换算子”，利用各种算子进行处理加工。
• Sink 表示“下沉算子”，负责数据的输出。

在运行时，Flink 程序会被映射成所有算子按照逻辑顺序连接在一起的一张图，这被称为“逻辑数据流”（logical dataflow），或者叫**“数据流图”（dataflow graph）**。我们提交作业之后，打开 Flink 自带的 Web UI，点击作业就能看到对应的 dataflow，如图所示。在数据流图中，可以清楚地看到 Source、Transformation、Sink 三部分。

数据流图类似于任意的有向无环图（DAG），这一点与 Spark 等其他框架是一致的。图中的每一条数据流（dataflow）以一个或多个 source 算子开始，以一个或多个 sink 算子结束。

在大部分情况下，dataflow 中的算子，和程序中的转换运算是一一对应的关系。那是不是说，我们代码中基于 DataStream API 的每一个方法调用，都是一个算子呢？

并非如此。除了 Source 读取数据和 Sink 输出数据，一个中间的转换算子（Transformation Operator）必须是一个转换处理的操作；而在代码中有一些方法调用，数据是没有完成转换的。可能只是对属性做了一个设置，也可能定义的是数据的传递方式而非转换，又或者是需要几个方法合在一起才能表达一个完整的转换操作。例如，在之前的代码中，我们用到了定义分组的方法 keyBy，它就只是一个数据分区操作，而并不是一个算子。事实上，代码中我们可以看到调用其他转换操作之后返回的数据类型是 SingleOutputStreamOperator，说明这是一个算子操作；而 keyBy 之后返回的数据类型是 KeyedStream。

并行度（Parallelism）

我们把一个算子操作，“复制”多份到多个节点，数据来了之后就可以到其中任意一个执行。这样一来，一个算子任务就被拆分成了多个并行的“子任务”（subtasks），再将它们分发到不同节点，就真正实现了并行计算。

在 Flink 执行过程中，每一个算子（operator）可以包含一个或多个子任务（operator subtask），这些子任务在不同的线程、不同的物理机或不同的容器中完全独立地执行。

一个特定算子的子任务（subtask）的个数被称之为其并行度（parallelism）。这样，包含并行子任务的数据流，就是并行数据流，它需要多个分区（stream partition）来分配并行任务。一般情况下，一个流程序的并行度，可以认为就是其所有算子中最大的并行度。一个程序中，不同的算子可能具有不同的并行度。

如图，当前数据流中有 source、map、window、sink 四个算子，除最后 sink，其他算子的并行度都为 2。整个程序包含了 7 个子任务，至少需要 2 个分区来并行执行。我们可以说，这段流处理程序的并行度就是 2。

在 Flink 中，可以用不同的方法来设置并行度，它们的有效范围和优先级别也是不同的。

我们可以看下所有的并行度设置方法，它们的优先级如下：

1. 对于一个算子，首先看在代码中是否单独指定了它的并行度，这个特定的设置优先级最高，会覆盖后面所有的设置。
2. 如果没有单独设置，那么采用当前代码中执行环境全局设置的并行度。
3. 如果代码中完全没有设置，那么采用提交时-p 参数指定的并行度。
4. 如果提交时也未指定-p 参数，那么采用集群配置文件中的默认并行度。

（1）代码中设置

可以很简单地在算子后跟着调用 setParallelism()方法，来设置当前算子的并行度：

stream.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).setParallelism(2);

另外，我们也可以直接调用执行环境的 setParallelism()方法，全局设定并行度：

env.setParallelism(2);  

我们一般不会在程序中设置全局并行度，因为如果在程序中对全局并行度进行硬编码，会导致无法动态扩容。

（2）提交应用时设置

在使用 flink run 命令提交应用时，可以增加-p 参数来指定当前应用程序执行的并行度，它的作用类似于执行环境的全局设置：

bin/flink run –p 2 –c com.atguigu.wc.StreamWordCount 
./FlinkTutorial-1.0-SNAPSHOT.jar

如果我们直接在 Web UI 上提交作业，也可以在对应输入框中直接添加并行度。

（3）配置文件中设置

我们还可以直接在集群的配置文件 flink-conf.yaml 中直接更改默认并行度：

parallelism.default: 2

这个设置对于整个集群上提交的所有作业有效，初始值为 1。无论在代码中设置、还是提交时的-p 参数，都不是必须的；所以在没有指定并行度的时候，就会采用配置文件中的集群默认并行度。在开发环境中，没有配置文件，默认并行度就是当前机器的 CPU 核心数。

算子链（Operator Chain）

如果我们仔细观察 Web UI 上给出的图，如图，上面的节点似乎跟代码中的算子又不是一一对应的。

很明显，这里的一个节点，会把转换处理的很多个任务都连接在一起，合并成了一个“大任务”。为什么呢？

（1）算子间的数据传输

如图所示，一个数据流在算子之间传输数据的形式可以是一对一（one-to-one）的直通 (forwarding)模式，也可以是打乱的重分区（redistributing）模式，具体是哪一种形式，取决于算子的种类。

• 一对一（One-to-one，forwarding）

  这种模式下，数据流维护着分区以及元素的顺序。比如图中的 source 和 map 算子，source算子读取数据之后，可以直接发送给 map 算子做处理，它们之间不需要重新分区，也不需要调整数据的顺序。这就意味着 map 算子的子任务，看到的元素个数和顺序跟 source 算子的子任务产生的完全一样，保证着“一对一”的关系。map、filter、flatMap 等算子都是这种 one-to-one的对应关系。这种关系类似于 Spark 中的窄依赖。

• 重分区（Redistributing）

  在这种模式下，数据流的分区会发生改变。比图中的 map 和后面的 keyBy/window 算子之间（这里的 keyBy 是数据传输算子，后面的 window、apply 方法共同构成了 window 算子）,以及 keyBy/window 算子和 Sink 算子之间，都是这样的关系。每一个算子的子任务，会根据数据传输的策略，把数据发送到不同的下游目标任务。例如，keyBy()是分组操作，本质上基于键（key）的哈希值（hashCode）进行了重分区；而当并行度改变时，比如从并行度为 2 的 window 算子，要传递到并行度为 1 的 Sink 算子，这时的数据传输方式是再平衡（rebalance），会把数据均匀地向下游子任务分发出去。这些传输方式都会引起重分区（redistribute）的过程，这一过程类似于 Spark 中的 shuffle。总体说来，这种算子间的关系类似于 Spark 中的宽依赖。

（2）合并算子链

在 Flink 中，并行度相同的一对一（one to one）算子操作，可以直接链接在一起形成一个“大”的任务（task），这样原来的算子就成为了真正任务里的一部分，如图所示。每个 task会被一个线程执行。这样的技术被称为“算子链”（Operator Chain）。

Source 和 map 之间满足了算子链的要求，所以可以直接合并在一起，形成了一个任务；因为并行度为 2，所以合并后的任务也有两个并行子任务。这样，这个数据流图所表示的作业最终会有 5 个任务，由 5 个线程并行执行。

Flink 默认会按照算子链的原则进行链接合并，如果我们想要禁止合并或者自行定义，也可以在代码中对算子做一些特定的设置：

// 禁用算子链
.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).disableChaining();
// 从当前算子开始新链
.map(word -> Tuple2.of(word, 1L)).startNewChain()

作业图（JobGraph）与执行图（ExecutionGraph）

Flink 中任务调度执行的图，按照生成顺序可以分成四层：

逻辑流图（StreamGraph）→ 作业图（JobGraph）→ 执行图（ExecutionGraph）→ 物理图（Physical Graph）。

我们可以回忆一下之前处理 socket 文本流的 StreamWordCount 程序：

env.socketTextStream().flatMap(…).keyBy(0).sum(1).print();

如果提交时设置并行度为 2：

bin/flink run –p 2 –c com.atguigu.wc.StreamWordCount 
./FlinkTutorial-1.0-SNAPSHOT.jar

那么根据之前的分析，除了 socketTextStream()是非并行的 Source 算子，它的并行度始终为 1，其他算子的并行度都为 2。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yCGsoSj7-1676865385025)(http://image.codekiller.top/img/flink/image-20230123163034379.png)]

（1）逻辑流图（StreamGraph）

这是根据用户通过 DataStream API 编写的代码生成的最初的 DAG 图，用来表示程序的拓扑结构。这一步一般在客户端完成。

我们可以看到，逻辑流图中的节点，完全对应着代码中的四步算子操作：

源算子 Source（socketTextStream()）→扁平映射算子 Flat Map(flatMap()) →分组聚合算子Keyed Aggregation(keyBy/sum()) →输出算子 Sink(print())。

（2）作业图（JobGraph）

StreamGraph 经过优化后生成的就是作业图（JobGraph），这是提交给 JobManager 的数据结构，确定了当前作业中所有任务的划分。主要的优化为: 将多个符合条件的节点链接在一起合并成一个任务节点，形成算子链，这样可以减少数据交换的消耗。JobGraph 一般也是在客户端生成的，在作业提交时传递给 JobMaster。

在图中，分组聚合算子（Keyed Aggregation）和输出算子 Sink(print)并行度都为 2，而且是一对一的关系，满足算子链的要求，所以会合并在一起，成为一个任务节点。

（3）执行图（ExecutionGraph）

JobMaster 收到 JobGraph 后，会根据它来生成执行图（ExecutionGraph）。ExecutionGraph是 JobGraph 的并行化版本，是调度层最核心的数据结构。

从图中可以看到，与 JobGraph 最大的区别就是按照并行度对并行子任务进行了拆分，并明确了任务间数据传输的方式。

（4）物理图（Physical Graph）

JobMaster 生成执行图后， 会将它分发给 TaskManager；各个 TaskManager 会根据执行图部署任务，最终的物理执行过程也会形成一张“图”，一般就叫作物理图（Physical Graph）。这只是具体执行层面的图，并不是一个具体的数据结构。

对应在上图中，物理图主要就是在执行图的基础上，进一步确定数据存放的位置和收发的具体方式。有了物理图，TaskManager 就可以对传递来的数据进行处理计算了。

所以我们可以看到，程序里定义了四个算子操作：源（Source）->转换（flatMap）->分组聚合（keyBy/sum）->输出（print）；合并算子链进行优化之后，就只有三个任务节点了；再考虑并行度后，一共有 5 个并行子任务，最终需要 5 个线程来执行。

任务（Tasks）和任务槽（Task Slots）

（1）任务槽（Task Slots）

之前已经提到过，Flink 中每一个 worker(也就是 TaskManager)都是一个 JVM 进程，它可以启动多个独立的线程，来并行执行多个子任务（subtask）。

所以如果想要执行 5 个任务，并不一定非要 5 个 TaskManager，我们可以让 TaskManager多线程执行任务。如果可以同时运行 5 个线程，那么只要一个 TaskManager 就可以满足我们之前程序的运行需求了。

TaskManager 的计算资源是有限的，并不是所有任务都可以放在一个 TaskManager上并行执行，为了控制并发量，我们需要在 TaskManager 上对每个任务运行所占用的资源做出明确的划分，这就是所谓的任务槽（task slots）。

每个任务槽（task slot）其实表示了 TaskManager 拥有计算资源的一个固定大小的子集。这些资源就是用来独立执行一个子任务的。

假如一个 TaskManager 有三个 slot，那么它会将管理的内存平均分成三份，每个 slot 独自占据一份。这样一来，我们在 slot 上执行一个子任务时，相当于划定了一块内存“专款专用”，就不需要跟来自其他作业的任务去竞争内存资源了。所以现在我们只要 2 个 TaskManager，就可以并行处理分配好的 5 个任务了。

（2）任务槽数量的设置

我们可以通过集群的配置文件来设定 TaskManager 的 slot 数量：

taskmanager.numberOfTaskSlots: 8

通过调整 slot 的数量，我们就可以控制子任务之间的隔离级别。

具体来说：

• 如果一个 TaskManager 只有一个 slot，那将意味着每个任务都会运行在独立的JVM 中（当然，该 JVM 可能是通过一个特定的容器启动的）；
• 而一个 TaskManager 设置多个slot 则意味着多个子任务可以共享同一个 JVM。

它们的区别在于：前者任务之间完全独立运行，隔离级别更高、彼此间的影响可以降到最小；而后者在同一个 JVM 进程中运行的任务，将共享 TCP 连接和心跳消息，也可能共享数据集和数据结构，这就减少了每个任务的运行开销，在降低隔离级别的同时提升了性能。

slot 目前仅仅用来隔离内存，不会涉及 CPU 的隔离。在具体应用时，可以将 slot 数量配置为机器的 CPU 核心数，尽量避免不同任务之间对 CPU 的竞争。这也是开发环境默认并行度设为机器 CPU 数量的原因。

（3）任务槽和并行度的关系

Slot 和并行度确实都跟程序的并行执行有关，但两者是完全不同的概念。简单来说：

• task slot 是 静 态 的 概 念 ， 是 指 TaskManager 具 有 的 并 发 执 行 能 力 ， 可 以 通 过 参 数taskmanager.numberOfTaskSlots 进行配置；
• 而并行度（parallelism）是动态概念，也就是TaskManager 运行程序时实际使用的并发能力，可以通过参数 parallelism.default 进行配置。

换句话说：

• 并行度如果小于等于集群中可用 slot 的总数，程序是可以正常执行的，因为 slot 不一定要全部占用，有十分力气可以只用八分；
• 而如果并行度大于可用 slot 总数，导致超出了并行能力上限，那么心有余力不足，程序就只好等待资源管理器分配更多的资源了。