Flink-状态编程(Keyed State、Operator State、Broadcast State、状态持久化和状态后端）

文章目录

- 状态编程
- - Flink 中的状态
  - - 有状态算子
    - 状态的分类
  - 按键分区状态（Keyed State）
  - - 基本概念
    - 支持的结构类型
    - 使用基本代码
    - 实例-值状态（ValueState）
    - 实例-列表状态（ListState）
    - 实例-映射状态（MapState）
    - 实例-聚合状态（AggregatingState）
    - 状态生存时间（TTL）
  - 算子状态（Operator State）
  - - 基本概念和特点
    - 状态类型
    - CheckpointedFunction 接口
    - 代码实例
  - 广播状态（Broadcast State）
  - - 基本用法
    - 代码实例
  - 状态持久化和状态后端
  - - 检查点（Checkpoint）
    - 状态后端（State Backends）

状态编程

Flink 中的状态

在流处理中，数据是连续不断到来和处理的。每个任务进行计算处理时，可以基于当前数据直接转换得到输出结果；也可以依赖一些其他数据。这些由一个任务维护，并且用来计算输出结果的所有数据，就叫作这个任务的状态。

有状态算子

在 Flink 中，算子任务可以分为无状态和有状态两种情况。

无状态的算子任务只需要观察每个独立事件，根据当前输入的数据直接转换输出结果。

我们之前讲到的基本转换算子，如 map、filter、flatMap，计算时不依赖其他数据，就都属于无状态的算子。
而有状态的算子任务，则除当前数据之外，还需要一些其他数据来得到计算结果。这里的“其他数据”，就是所谓的状态（state），最常见的就是之前到达的数据，或者由之前数据计算出的某个结果。

比如，做求和（sum）计算时，需要保存之前所有数据的和，这就是状态；窗口算子中会保存已经到达的所有数据，这些也都是它的状态。容易发现，之前讲过的聚合算子、窗口算子都属于有状态的算子。

状态的分类

（1）托管状态（Managed State）和原始状态（Raw State）

托管状态就是由 Flink 统一管理的，状态的存储访问、故障恢复和重组等一系列问题都由 Flink 实现，我们只要调接口就可以；
而原始状态则是自定义的，相当于就是开辟了一块内存，需要我们自己管理，实现状态的序列化和故障恢复。

具体来讲，托管状态是由 Flink 的运行时（Runtime）来托管的；在配置容错机制后，状态会自动持久化保存，并在发生故障时自动恢复。当应用发生横向扩展时，状态也会自动地重组分配到所有的子任务实例上。对于具体的状态内容，Flink 也提供了值状态（ValueState）、列表状态（ListState）、映射状态（MapState）、聚合状态（AggregateState）等多种结构，内部支持各种数据类型。聚合、窗口等算子中内置的状态，就都是托管状态；我们也可以在富函数类（RichFunction）中通过上下文来自定义状态，这些也都是托管状态。

而对比之下，原始状态就全部需要自定义了。Flink 不会对状态进行任何自动操作，也不知道状态的具体数据类型，只会把它当作最原始的字节（Byte）数组来存储。我们需要花费大量的精力来处理状态的管理和维护。

所以只有在遇到托管状态无法实现的特殊需求时，我们才会考虑使用原始状态；一般情况下不推荐使用。绝大多数应用场景，我们都可以用 Flink 提供的算子或者自定义托管状态来实现需求。

（2）算子状态（Operator State）和按键分区状态（Keyed State）

接下来我们的重点就是托管状态（Managed State）。

我们知道在 Flink 中，一个算子任务会按照并行度分为多个并行子任务执行，而不同的子任务会占据不同的任务槽（task slot）。由于不同的 slot 在计算资源上是物理隔离的，所以 Flink能管理的状态在并行任务间是无法共享的，每个状态只能针对当前子任务的实例有效。

而很多有状态的操作（比如聚合、窗口）都是要先做 keyBy 进行按键分区的。按键分区之后，任务所进行的所有计算都应该只针对当前 key 有效，所以状态也应该按照 key 彼此隔离。在这种情况下，状态的访问方式又会有所不同。基于这样的想法，我们又可以将托管状态分为两类：算子状态和按键分区状态。

按键分区状态（Keyed State）：状态是根据输入流中定义的键（key）来维护和访问的，以 key 为作用范围进行隔离，所以只能定义在按键分区（KeyedStream）中，也就 keyBy 之后才可以使用。

按键分区状态应用非常广泛。之前讲到的聚合算子必须在 keyBy 之后才能使用，就是因为聚合的结果是以 Keyed State 的形式保存的。另外，也可以通过富函数类(Rich Function)来自定义 Keyed State，所以只要提供了富函数类接口的算子，也都可以使用 Keyed State。

所以即使是 map、filter 这样无状态的基本转换算子，我们也可以通过富函数类给它们“追加”Keyed State，或者实现 CheckpointedFunction 接口来定义 Operator State；从这个角度讲，Flink 中所有的算子都可以是有状态的，不愧是“有状态的流处理”。
算子状态（Operator State）：状态作用范围限定为当前的算子任务实例，也就是只对当前并行子任务实例有效。这就意味着对于一个并行子任务，占据了一个“分区”，它所处理的所有数据都会访问到相同的状态，状态对于同一任务而言是共享的。

算子状态可以用在所有算子上，使用的时候其实就跟一个本地变量没什么区别——因为本地变量的作用域也是当前任务实例。在使用时，我们还需进一步实现 CheckpointedFunction 接口。

按键分区状态（Keyed State）

在实际应用中，我们一般都需要将数据按照某个 key 进行分区，然后再进行计算处理；所以最为常见的状态类型就是 Keyed State。之前介绍到 keyBy 之后的聚合、窗口计算，算子所持有的状态，都是 Keyed State。

另外，我们还可以通过富函数类（Rich Function）对转换算子进行扩展、实现自定义功能，比如 RichMapFunction、RichFilterFunction。在富函数中，我们可以调用.getRuntimeContext()获取当前的运行时上下文（RuntimeContext），进而获取到访问状态的句柄；这种富函数中自定义的状态也是 Keyed State。

基本概念

状态是根据输入流中定义的键（key）来维护和访问的，以 key 为作用范围进行隔离，所以只能定义在按键分区（KeyedStream）中，也就 keyBy 之后才可以使用。

因为一个并行子任务可能会处理多个 key 的数据，所以 Flink 需要对 Keyed State 进行一些特殊优化。在底层，Keyed State 类似于一个分布式的映射（map）数据结构，所有的状态会根据 key 保存成键值对（key-value）的形式。这样当一条数据到来时，任务就会自动将状态的访问范围限定为当前数据的 key，从 map 存储中读取出对应的状态值。

另外，在应用的并行度改变时，状态也需要随之进行重组。不同 key 对应的 Keyed State可以进一步组成所谓的键组（key groups），每一组都对应着一个并行子任务。键组是 Flink 重新分配 Keyed State 的单元，键组的数量就等于定义的最大并行度。当算子并行度发生改变时，Keyed State 就会按照当前的并行度重新平均分配，保证运行时各个子任务的负载相同。

需要注意，使用 Keyed State 必须基于 KeyedStream。没有进行 keyBy 分区的 DataStream，即使转换算子实现了对应的富函数类，也不能通过运行时上下文访问 Keyed State。

支持的结构类型

实际应用中，需要保存为状态的数据会有各种各样的类型，有时还需要复杂的集合类型，比如列表（List）和映射（Map）。对于这些常见的用法，Flink 的按键分区状态（Keyed State）提供了足够的支持。接下来我们就来了解一下 Keyed State 所支持的结构类型。

（1）值状态（ValueState）

状态中只保存一个“值”（value）。ValueState<T>本身是一个接口，源码中定义如下：

public interface ValueState<T> extends State {
    T value() throws IOException;
    void update(T value) throws IOException;
}

这里的 T 是泛型，表示状态的数据内容可以是任何具体的数据类型。如果想要保存一个长整型值作为状态，那么类型就是 ValueState<Long>。

我们可以在代码中读写值状态，实现对于状态的访问和更新。

T value()：获取当前状态的值；
update(T value)：对状态进行更新，传入的参数 value 就是要覆写的状态值。

在具体使用时，为了让运行时上下文清楚到底是哪个状态，我们还需要创建一个“状态描述器”（StateDescriptor）来提供状态的基本信息。例如源码中，ValueState 的状态描述器构造方法如下：

public ValueStateDescriptor(String name, Class<T> typeClass) {
    super(name, typeClass, null);
}

有了这个描述器，运行时环境就可以获取到状态的控制句柄（handler）了。

（2）列表状态（ListState）

将需要保存的数据，以列表（List）的形式组织起来。在 ListState<T>接口中同样有一个类型参数 T，表示列表中数据的类型。ListState 也提供了一系列的方法来操作状态，使用方式与一般的 List 非常相似。

Iterable<T> get()：获取当前的列表状态，返回的是一个可迭代类型 Iterable<T>；
update(List<T> values)：传入一个列表 values，直接对状态进行覆盖；
add(T value)：在状态列表中添加一个元素 value；
addAll(List<T> values)：向列表中添加多个元素，以列表 values 形式传入。

类似地，ListState 的状态描述器就叫作 ListStateDescriptor，用法跟 ValueStateDescriptor完全一致。

（3）映射状态（MapState）

把一些键值对（key-value）作为状态整体保存起来，可以认为就是一组 key-value 映射的列表。对应的 MapState<UK, UV>接口中，就会有 UK、UV 两个泛型，分别表示保存的 key和 value 的类型。同样，MapState 提供了操作映射状态的方法，与 Map 的使用非常类似。

UV get(UK key)：传入一个 key 作为参数，查询对应的 value 值；
put(UK key, UV value)：传入一个键值对，更新 key 对应的 value 值；
putAll(Map<UK, UV> map)：将传入的映射 map 中所有的键值对，全部添加到映射状态中；
remove(UK key)：将指定 key 对应的键值对删除；
boolean contains(UK key)：判断是否存在指定的 key，返回一个 boolean 值。另外，MapState 也提供了获取整个映射相关信息的方法：
Iterable<Map.Entry<UK, UV>> entries()：获取映射状态中所有的键值对；
Iterable<UK> keys()：获取映射状态中所有的键（key），返回一个可迭代 Iterable 类型；
Iterable<UV> values()：获取映射状态中所有的值（value），返回一个可迭代 Iterable类型；
boolean isEmpty()：判断映射是否为空，返回一个 boolean 值。

（4）归约状态（ReducingState）

类似于值状态（Value），不过需要对添加进来的所有数据进行归约，将归约聚合之后的值作为状态保存下来。ReducintState<T>这个接口调用的方法类似于 ListState，只不过它保存的只是一个聚合值，所以调用.add()方法时，不是在状态列表里添加元素，而是直接把新数据和之前的状态进行归约，并用得到的结果更新状态。

归约逻辑的定义，是在归约状态描述器（ReducingStateDescriptor）中，通过传入一个归约函数（ReduceFunction）来实现的。这里的归约函数，就是我们之前介绍 reduce 聚合算子时讲到的 ReduceFunction，所以状态类型跟输入的数据类型是一样的。

public ReducingStateDescriptor(String name, ReduceFunction<T> reduceFunction, Class<T> typeClass) {...}

这里的描述器有三个参数，其中第二个参数就是定义了归约聚合逻辑的 ReduceFunction，另外两个参数则是状态的名称和类型。

（5）聚合状态（AggregatingState）

与归约状态非常类似，聚合状态也是一个值，用来保存添加进来的所有数据的聚合结果。与 ReducingState 不同的是，它的聚合逻辑是由在描述器中传入一个更加一般化的聚合函数（AggregateFunction）来定义的；这也就是之前我们讲过的 AggregateFunction，里面通过一个累加器（Accumulator）来表示状态，所以聚合的状态类型可以跟添加进来的数据类型完全不同，使用更加灵活。

同样地，AggregatingState 接口调用方法也与 ReducingState 相同，调用.add()方法添加元素时，会直接使用指定的 AggregateFunction 进行聚合并更新状态。

使用基本代码

在 Flink 中，状态始终是与特定算子相关联的；算子在使用状态前首先需要“注册”，其实就是告诉 Flink 当前上下文中定义状态的信息，这样运行时的 Flink 才能知道算子有哪些状态。

状态的注册，主要是通过“状态描述器”（StateDescriptor）来实现的。状态描述器中最重要的内容，就是状态的名称（name）和类型（type）：

名称就代表了变量在内存中的地址；
类型则指定了占据内存空间的大小。

同样地，我们一旦指定了名称和类型，Flink 就可以在运行时准确地在内存中找到对应的状态，进而返回状态对象供我们使用了。所以在一个算子中，我们也可以定义多个状态，只要它们的名称不同就可以了。

另外，状态描述器中还可能需要传入一个用户自定义函数（user-defined-function，UDF），用来说明处理逻辑，比如前面提到的 ReduceFunction 和 AggregateFunction。

以 ValueState 为例，我们可以定义值状态描述器如下：

ValueStateDescriptor<Long> descriptor = new ValueStateDescriptor<>(
    "my state", // 状态名称
    Types.LONG // 状态类型
);

代码中完整的操作是，首先定义出状态描述器；然后调用.getRuntimeContext()方法获取运行时上下文；继而调用 RuntimeContext 的获取状态的方法，将状态描述器传入，就可以得到对应的状态了。

因为状态的访问需要获取运行时上下文，这只能在富函数类（Rich Function）中获取到，所以自定义的 Keyed State 只能在富函数中使用。当然，底层的处理函数（Process Function）本身继承了 AbstractRichFunction 抽象类，所以也可以使用。

在富函数中，调用.getRuntimeContext()方法获取到运行时上下文之后，RuntimeContext 有以下几个获取状态的方法：

ValueState<T> getState(ValueStateDescriptor<T>)
MapState<UK, UV> getMapState(MapStateDescriptor<UK, UV>)
ListState<T> getListState(ListStateDescriptor<T>)
ReducingState<T> getReducingState(ReducingStateDescriptor<T>)
AggregatingState<IN, OUT> getAggregatingState(AggregatingStateDescriptor<IN, ACC, OUT>)

对于不同结构类型的状态，只要传入对应的描述器、调用对应的方法就可以了。

获取到状态对象之后，就可以调用它们各自的方法进行读写操作了。另外，所有类型的状态都有一个方法.clear()，用于清除当前状态。

代码中使用状态的整体结构如下：

public static class MyFlatMapFunction extends RichFlatMapFunction<Long, String> 
{
    // 声明状态
    private transient ValueState<Long> state;
    @Override
    public void open(Configuration config) {
        // 在 open 生命周期方法中获取状态
        ValueStateDescriptor<Long> descriptor = new ValueStateDescriptor<>(
            "my state", // 状态名称
            Types.LONG // 状态类型
        );
        state = getRuntimeContext().getState(descriptor);
    }
    @Override
    public void flatMap(Long input, Collector<String> out) throws Exception {
        // 访问状态
        Long currentState = state.value();
        currentState += 1; // 状态数值加 1
        // 更新状态
        state.update(currentState);
        if (currentState >= 100) {
            out.collect(“state: ” + currentState);
            state.clear(); // 清空状态
        }
    } 
}

因为 RichFlatmapFunction 中的.flatmap()是每来一条数据都会调用一次的，所以我们不应该在这里调用运行时上下文的.getState()方法，而是在生命周期方法.open()中获取状态对象。

这里需要注意，这种方式定义的都是 Keyed State，它对于每个 key 都会保存一份状态实例。所以对状态进行读写操作时，获取到的状态跟当前输入数据的 key 有关；只有相同 key的数据，才会操作同一个状态，不同 key 的数据访问到的状态值是不同的。而且上面提到的.clear()方法，也只会清除当前 key 对应的状态。

另外，状态不一定都存储在内存中，也可以放在磁盘或其他地方，具体的位置是由一个可配置的组件来管理的，这个组件叫作“状态后端”（State Backend）。关于状态后端，后面会介绍。

实例-值状态（ValueState）

我们这里会使用用户 id 来进行分流，然后分别统计每个用户的 pv 数据，由于我们并不想每次 pv 加一，就将统计结果发送到下游去，所以这里我们注册了一个定时器，用来隔一段时间发送 pv 的统计结果，这样对下游算子的压力不至于太大。

具体实现方式是定义一个用来保存定时器时间戳的值状态变量。当定时器触发并向下游发送数据以后，便清空储存定时器时间戳的状态变量，这样当新的数据到来时，发现并没有定时器存在，就可以注册新的定时器了，注册完定时器之后将定时器的时间戳继续保存在状态变量中。

public class PeriodicPvExample{

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        })
                );

        stream.print("input");

        // 统计每个用户的pv，隔一段时间（10s）输出一次结果
        stream.keyBy(data -> data.user)
                .process(new PeriodicPvResult())
                .print();

        env.execute();
    }

    // 注册定时器，周期性输出pv
    public static class PeriodicPvResult extends KeyedProcessFunction<String ,Event, String>{
        // 定义两个状态，保存当前pv值，以及定时器时间戳
        ValueState<Long> countState;
        ValueState<Long> timerTsState;

        @Override
        public void open(Configuration parameters) throws Exception {
            countState = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<Long>("count", Long.class));
            timerTsState = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<Long>("timerTs", Long.class));
        }

        @Override
        public void processElement(Event value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
            // 更新count值
            Long count = countState.value();
            if (count == null){
                countState.update(1L);
            } else {
                countState.update(count + 1);
            }
            // 注册定时器
            if (timerTsState.value() == null){
                ctx.timerService().registerEventTimeTimer(value.timestamp + 10 * 1000L);
                timerTsState.update(value.timestamp + 10 * 1000L);
            }
        }

        @Override
        public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
            out.collect(ctx.getCurrentKey() + " pv: " + countState.value());
            // 清空状态
            timerTsState.clear();
        }
    }
}

实例-列表状态（ListState）

在 Flink SQL 中，支持两条流的全量 Join，语法如下：

SELECT * FROM A INNER JOIN B WHERE A.id = B.id；

这样一条 SQL 语句要慎用，因为 Flink 会将 A 流和 B 流的所有数据都保存下来，然后进行 Join。不过在这里我们可以用列表状态变量来实现一下这个 SQL 语句的功能。代码如下：

public class TwoStreamFullJoinExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, String, Long>> stream1 = env
                .fromElements(
                        Tuple3.of("a", "stream-1", 1000L),
                        Tuple3.of("b", "stream-1", 2000L)
                )
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy.<Tuple3<String, String, Long>>forMonotonousTimestamps()
                                .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Tuple3<String, String, Long>>() {
                                    @Override
                                    public long extractTimestamp(Tuple3<String, String, Long> t, long l) {
                                        return t.f2;
                                    }
                                })
                );

        SingleOutputStreamOperator<Tuple3<String, String, Long>> stream2 = env
                .fromElements(
                        Tuple3.of("a", "stream-2", 3000L),
                        Tuple3.of("b", "stream-2", 4000L)
                )
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        WatermarkStrategy.<Tuple3<String, String, Long>>forMonotonousTimestamps()
                                .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Tuple3<String, String, Long>>() {
                                    @Override
                                    public long extractTimestamp(Tuple3<String, String, Long> t, long l) {
                                        return t.f2;
                                    }
                                })
                );

        stream1.keyBy(r -> r.f0)
                .connect(stream2.keyBy(r -> r.f0))
                .process(new CoProcessFunction<Tuple3<String, String, Long>, Tuple3<String, String, Long>, String>() {
                    private ListState<Tuple3<String, String, Long>> stream1ListState;
                    private ListState<Tuple3<String, String, Long>> stream2ListState;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                        super.open(parameters);
                        stream1ListState = getRuntimeContext().getListState(
                                new ListStateDescriptor<Tuple3<String, String, Long>>("stream1-list", Types.TUPLE(Types.STRING, Types.STRING))
                        );
                        stream2ListState = getRuntimeContext().getListState(
                                new ListStateDescriptor<Tuple3<String, String, Long>>("stream2-list", Types.TUPLE(Types.STRING, Types.STRING))
                        );
                    }

                    @Override
                    public void processElement1(Tuple3<String, String, Long> left, Context context, Collector<String> collector) throws Exception {
                        stream1ListState.add(left);
                        for (Tuple3<String, String, Long> right : stream2ListState.get()) {
                            collector.collect(left + " => " + right);
                        }
                    }

                    @Override
                    public void processElement2(Tuple3<String, String, Long> right, Context context, Collector<String> collector) throws Exception {
                        stream2ListState.add(right);
                        for (Tuple3<String, String, Long> left : stream1ListState.get()) {
                            collector.collect(left + " => " + right);
                        }
                    }
                })
                .print();

        env.execute();
    }
}

输出结果是：

(a,stream-1,1000) => (a,stream-2,3000)
(b,stream-1,2000) => (b,stream-2,4000)

实例-映射状态（MapState）

映射状态的用法和 Java 中的 HashMap 很相似。在这里我们可以通过 MapState 的使用来探索一下窗口的底层实现，也就是我们要用映射状态来完整模拟窗口的功能。这里我们模拟一个滚动窗口。我们要计算的是每一个 url 在每一个窗口中的 pv 数据。我们之前使用增量聚合和全窗口聚合结合的方式实现过这个需求。这里我们用 MapState 再来实现一下。

public class FakeWindowExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        })
                );

        // 统计每10s窗口内，每个url的pv
        stream.keyBy(data -> data.url)
                .process(new FakeWindowResult(10000L))
                .print();

        env.execute();
    }

    public static class FakeWindowResult extends KeyedProcessFunction<String, Event, String>{
        // 定义属性，窗口长度
        private Long windowSize;

        public FakeWindowResult(Long windowSize) {
            this.windowSize = windowSize;
        }

        // 声明状态，用map保存pv值（窗口start，count）
        MapState<Long, Long> windowPvMapState;

        @Override
        public void open(Configuration parameters) throws Exception {
            windowPvMapState = getRuntimeContext().getMapState(new MapStateDescriptor<Long, Long>("window-pv", Long.class, Long.class));
        }

        @Override
        public void processElement(Event value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
            // 每来一条数据，就根据时间戳判断属于哪个窗口
            Long windowStart = value.timestamp / windowSize * windowSize;
            Long windowEnd = windowStart + windowSize;

            // 注册 end -1 的定时器，窗口触发计算
            ctx.timerService().registerEventTimeTimer(windowEnd - 1);

            // 更新状态中的pv值
            if (windowPvMapState.contains(windowStart)){
                Long pv = windowPvMapState.get(windowStart);
                windowPvMapState.put(windowStart, pv + 1);
            } else {
                windowPvMapState.put(windowStart, 1L);
            }
        }

        // 定时器触发，直接输出统计的pv结果
        @Override
        public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
            Long windowEnd = timestamp + 1;
            Long windowStart = windowEnd - windowSize;
            Long pv = windowPvMapState.get(windowStart);
            out.collect( "url: " + ctx.getCurrentKey()
                    + " 访问量: " + pv
                    + " 窗口：" + new Timestamp(windowStart) + " ~ " + new Timestamp(windowEnd));

            // 模拟窗口的销毁，清除map中的key
            windowPvMapState.remove(windowStart);
        }
    }    
}

实例-聚合状态（AggregatingState）

我们举一个简单的例子，对用户点击事件流每 5 个数据统计一次平均时间戳。这是一个类似计数窗口（CountWindow）求平均值的计算，这里我们可以使用一个有聚合状态的RichFlatMapFunction 来实现。

public class AverageTimestampExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        })
                );


        // 统计每个用户的点击频次，到达5次就输出统计结果
        stream.keyBy(data -> data.user)
                .flatMap(new AvgTsResult())
                .print();

        env.execute();
    }

    public static class AvgTsResult extends RichFlatMapFunction<Event, String>{
        // 定义聚合状态，用来计算平均时间戳
        AggregatingState<Event, Long> avgTsAggState;

        // 定义一个值状态，用来保存当前用户访问频次
        ValueState<Long> countState;

        @Override
        public void open(Configuration parameters) throws Exception {
            avgTsAggState = getRuntimeContext().getAggregatingState(new AggregatingStateDescriptor<Event, Tuple2<Long, Long>, Long>(
                    "avg-ts",
                    new AggregateFunction<Event, Tuple2<Long, Long>, Long>() {
                        @Override
                        public Tuple2<Long, Long> createAccumulator() {
                            return Tuple2.of(0L, 0L);
                        }

                        @Override
                        public Tuple2<Long, Long> add(Event value, Tuple2<Long, Long> accumulator) {
                            return Tuple2.of(accumulator.f0 + value.timestamp, accumulator.f1 + 1);
                        }

                        @Override
                        public Long getResult(Tuple2<Long, Long> accumulator) {
                            return accumulator.f0 / accumulator.f1;
                        }

                        @Override
                        public Tuple2<Long, Long> merge(Tuple2<Long, Long> a, Tuple2<Long, Long> b) {
                            return null;
                        }
                    },
                    Types.TUPLE(Types.LONG, Types.LONG)
            ));

            countState = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<Long>("count", Long.class));
        }

        @Override
        public void flatMap(Event value, Collector<String> out) throws Exception {
            Long count = countState.value();
            if (count == null){
                count = 1L;
            } else {
                count ++;
            }

            countState.update(count);
            avgTsAggState.add(value);

            // 达到5次就输出结果，并清空状态
            if (count == 5){
                out.collect(value.user + " 平均时间戳：" + new Timestamp(avgTsAggState.get()));
                countState.clear();
            }
        }
    }
}

状态生存时间（TTL）

在实际应用中，很多状态会随着时间的推移逐渐增长，如果不加以限制，最终就会导致存储空间的耗尽。一个优化的思路是直接在代码中调用.clear()方法去清除状态，但是有时候我们的逻辑要求不能直接清除。这时就需要配置一个状态的“生存时间”（time-to-live，TTL），当状态在内存中存在的时间超出这个值时，就将它清除。

具体实现上，如果用一个进程不停地扫描所有状态看是否过期，显然会占用大量资源做无用功。

状态的失效其实不需要立即删除，所以我们可以给状态附加一个属性，也就是状态的“失效时间”。状态创建的时候，设置失效时间 = 当前时间 + TTL；之后如果有对状态的访问和修改，我们可以再对失效时间进行更新；当设置的清除条件被触发时（比如，状态被访问的时候，或者每隔一段时间扫描一次失效状态），就可以判断状态是否失效、从而进行清除了。

配置状态的 TTL 时，需要创建一个 StateTtlConfig 配置对象，然后调用状态描述器的.enableTimeToLive()方法启动 TTL 功能。

StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig
    .newBuilder(Time.seconds(10))
    .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)
    .setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired)
    .build();
ValueStateDescriptor<String> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("mystate", String.class);
stateDescriptor.enableTimeToLive(ttlConfig);

这里用到了几个配置项：

.newBuilder()：状态 TTL 配置的构造器方法，必须调用，方法需要传入一个 Time 作为参数，这就是设定的状态生存时间，返回一个 Builder 之后再调用.build()方法就可以得到 StateTtlConfig 了。
.setUpdateType()：设置更新类型。更新类型指定了什么时候更新状态失效时间：
- OnCreateAndWrite(默认)：表示只有创建状态和更改状态（写操作）时更新失效时间；
- OnReadAndWrite ：表示无论读写操作都会更新失效时间，也就是只要对状态进行了访问，就表明它是活跃的，从而延长生存时间。
.setStateVisibility()：设置状态的可见性。所谓的“状态可见性”，是指因为清除操作并不是实时的，所以当状态过期之后还有可能基于存在，这时如果对它进行访问，能否正常读取到就是一个问题了。这里设置的 NeverReturnExpired 是默认行为，表示从不返回过期值，也就是只要过期就认为它已经被清除了，应用不能继续读取；这在处理会话或者隐私数据时比较重要。对应的另一种配置是 ReturnExpireDefNotCleanedUp，就是如果过期状态还存在，就返回它的值。

除此之外，**TTL 配置还可以设置在保存检查点（checkpoint）时触发清除操作，或者配置增量的清理（incremental cleanup），还可以针对 RocksDB 状态后端使用压缩过滤器（compaction filter）进行后台清理。**关于检查点和状态后端的内容，我们会在后续章节继续讲解。

这里需要注意，目前的 TTL 设置只支持处理时间。另外，所有集合类型的状态（例如ListState、MapState）在设置 TTL 时，都是针对每一项（per-entry）元素的。也就是说，一个列表状态中的每一个元素，都会以自己的失效时间来进行清理，而不是整个列表一起清理。

算子状态（Operator State）

除按键分区状态（Keyed State）之外，另一大类受控状态就是算子状态（Operator State）。从某种意义上说，算子状态是更底层的状态类型，因为它只针对当前算子并行任务有效，不需要考虑不同 key 的隔离。算子状态功能不如按键分区状态丰富，应用场景较少，它的调用方法也会有一些区别。

基本概念和特点

算子状态（Operator State）就是一个算子并行实例上定义的状态，作用范围被限定为当前算子任务。算子状态跟数据的 key 无关，所以不同 key 的数据只要被分发到同一个并行子任务，就会访问到同一个 Operator State。

算子状态的实际应用场景不如 Keyed State 多**，一般用在 Source 或 Sink 等与外部系统连接的算子上，或者完全没有 key 定义的场景**。比如 Flink 的 Kafka 连接器中，就用到了算子状态。在我们给 Source 算子设置并行度后，Kafka 消费者的每一个并行实例，都会为对应的主题（topic）分区维护一个偏移量，作为算子状态保存起来。这在保证 Flink 应用“精确一次”（exactly-once）状态一致性时非常有用。

当算子的并行度发生变化时，算子状态也支持在并行的算子任务实例之间做重组分配。根据状态的类型不同，重组分配的方案也会不同。

状态类型

算子状态也支持不同的结构类型，主要有三种：ListState、UnionListState 和 BroadcastState。

（1）列表状态（ListState）

与 Keyed State 中的 ListState 一样，将状态表示为一组数据的列表。与 Keyed State 中的列表状态的区别是：在算子状态的上下文中，不会按键（key）分别处理状态，所以每一个并行子任务上只会保留一个“列表”（list），也就是当前并行子任务上所有状态项的集合。列表中的状态项就是可以重新分配的最细粒度，彼此之间完全独立。

当算子并行度进行缩放调整时，算子的列表状态中的所有元素项会被统一收集起来，相当于把多个分区的列表合并成了一个“大列表”，然后再均匀地分配给所有并行任务。这种“均匀分配”的具体方法就是“轮询”（round-robin），与之前介绍的 rebanlance 数据传输方式类似，是通过逐一“发牌”的方式将状态项平均分配的。这种方式也叫作“平均分割重组”（even-split redistribution）。

算子状态中不会存在“键组”（key group）这样的结构，所以为了方便重组分配，就把它直接定义成了“列表”（list）。这也就解释了，为什么算子状态中没有最简单的值状态（ValueState）。

（2）联合列表状态（UnionListState）

与 ListState 类似，联合列表状态也会将状态表示为一个列表。它与常规列表状态的区别在于，算子并行度进行缩放调整时对于状态的分配方式不同。

UnionListState 的重点就在于“联合”（union）。**在并行度调整时，常规列表状态是轮询分配状态项，而联合列表状态的算子则会直接广播状态的完整列表。这样，并行度缩放之后的并行子任务就获取到了联合后完整的“大列表”，可以自行选择要使用的状态项和要丢弃的状态项。**这种分配也叫作“联合重组”（union redistribution）。如果列表中状态项数量太多，为资源和效率考虑一般不建议使用联合重组的方式。

（3）广播状态（BroadcastState）

有时我们希望算子并行子任务都保持同一份“全局”状态，用来做统一的配置和规则设定。这时所有分区的所有数据都会访问到同一个状态，状态就像被“广播”到所有分区一样，这种特殊的算子状态，就叫作广播状态（BroadcastState）。

因为广播状态在每个并行子任务上的实例都一样，所以在并行度调整的时候就比较简单，只要复制一份到新的并行任务就可以实现扩展；而对于并行度缩小的情况，可以将多余的并行子任务连同状态直接砍掉——因为状态都是复制出来的，并不会丢失。

在底层，广播状态是以类似映射结构（map）的键值对（key-value）来保存的，必须基于一个“广播流”（BroadcastStream）来创建。

CheckpointedFunction 接口

我们已经知道，状态从本质上来说就是算子并行子任务实例上的一个特殊本地变量。它的特殊之处就在于 Flink 会提供完整的管理机制，来保证它的持久化保存，以便发生故障时进行状态恢复；另外还可以针对不同的 key 保存独立的状态实例。按键分区状态（Keyed State）对这两个功能都要考虑；而算子状态（Operator State）并不考虑 key 的影响，所以主要任务就是要让 Flink 了解状态的信息、将状态数据持久化后保存到外部存储空间。

看起来算子状态的使用应该更加简单才对。不过仔细思考又会发现一个问题：我们对状态进行持久化保存的目的是为了故障恢复；在发生故障、重启应用后，数据还会被发往之前分配的分区吗？显然不是，因为并行度可能发生了调整，不论是按键（key）的哈希值分区，还是直接轮询（round-robin）分区，数据分配到的分区都会发生变化。

数据分区发生变化，带来的问题就是，怎么保证原先的状态跟故障恢复后数据的对应关系呢？

对于 Keyed State 这个问题很好解决：状态都是跟 key 相关的，而相同 key 的数据不管发往哪个分区，总是会全部进入一个分区的；于是只要将状态也按照 key 的哈希值计算出对应的分区，进行重组分配就可以了。恢复状态后继续处理数据，就总能按照 key 找到对应之前的状态，就保证了结果的一致性。所以 Flink 对 Keyed State 进行了非常完善的包装，我们不需实现任何接口就可以直接使用。
而对于 Operator State 来说就会有所不同。因为不存在 key，所有数据发往哪个分区是不可预测的；也就是说，当发生故障重启之后，我们不能保证某个数据跟之前一样，进入到同一个并行子任务、访问同一个状态。所以 Flink 无法直接判断该怎样保存和恢复状态，而是提供了接口，让我们根据业务需求自行设计状态的快照保存（snapshot）和恢复（restore）逻辑。

在 Flink 中，对状态进行持久化保存的快照机制叫作“检查点”（Checkpoint）。于是使用算子状态时，就需要对检查点的相关操作进行定义，实现一个 CheckpointedFunction 接口。

CheckpointedFunction 接口在源码中定义如下：

public interface CheckpointedFunction {
    // 保存状态快照到检查点时，调用这个方法
    void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception
    // 初始化状态时调用这个方法，也会在恢复状态时调用
    void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception;
}

每次应用保存检查点做快照时，都会调用.snapshotState()方法，将状态进行外部持久化。
而在算子任务进行初始化时，会调用. initializeState()方法。这又有两种情况：一种是整个应用第一次运行，这时状态会被初始化为一个默认值（default value）；另一种是应用重启时，从检查点（checkpoint）或者保存点（savepoint）中读取之前状态的快照，并赋给本地状态。

所以，接口中的.snapshotState()方法定义了检查点的快照保存逻辑，而. initializeState()方法不仅定义了初始化逻辑，也定义了恢复逻辑。

这里需要注意，CheckpointedFunction 接口中的两个方法，分别传入了一个上下文（context）作为参数。不同的是：

.snapshotState()方法拿到的是快照的上下文 FunctionSnapshotContext，它可以提供检查点的相关信息，不过无法获取状态句柄；
而. initializeState()方法拿到的是FunctionInitializationContext，这是函数类进行初始化时的上下文，是真正的“运行时上下文”。FunctionInitializationContext 中提供了“算子状态存储”（OperatorStateStore）和“按键分区状态存储（” KeyedStateStore），在这两个存储对象中可以非常方便地获取当前任务实例中的 OperatorState 和 Keyed State。例如：

ListStateDescriptor<String> descriptor = new ListStateDescriptor<>("buffered-elements",Types.of(String));
ListState<String> checkpointedState = context.getOperatorStateStore().getListState(descriptor);

代码实例

自定义的 SinkFunction 会在CheckpointedFunction 中进行数据缓存，然后统一发送到下游。这个例子演示了列表状态的平均分割重组（event-split redistribution）。

public class BufferingSinkExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        env.enableCheckpointing(10000L);
//        env.setStateBackend(new EmbeddedRocksDBStateBackend());

//        env.getCheckpointConfig().setCheckpointStorage(new FileSystemCheckpointStorage(""));

        CheckpointConfig checkpointConfig = env.getCheckpointConfig();
        checkpointConfig.setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
        checkpointConfig.setMinPauseBetweenCheckpoints(500);
        checkpointConfig.setCheckpointTimeout(60000);
        checkpointConfig.setMaxConcurrentCheckpoints(1);
        checkpointConfig.enableExternalizedCheckpoints(
                CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);
        checkpointConfig.enableUnalignedCheckpoints();


        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        })
                );

        stream.print("input");

        // 批量缓存输出
        stream.addSink(new BufferingSink(10));

        env.execute();
    }

    public static class BufferingSink implements SinkFunction<Event>, CheckpointedFunction {
        private final int threshold;
        private transient ListState<Event> checkpointedState;
        private List<Event> bufferedElements;

        public BufferingSink(int threshold) {
            this.threshold = threshold;
            this.bufferedElements = new ArrayList<>();
        }

        @Override
        public void invoke(Event value, Context context) throws Exception {
            bufferedElements.add(value);
            if (bufferedElements.size() == threshold) {
                for (Event element: bufferedElements) {
                    // 输出到外部系统，这里用控制台打印模拟
                    System.out.println(element);
                }
                System.out.println("==========输出完毕=========");
                bufferedElements.clear();
            }
        }

        @Override
        public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
            checkpointedState.clear();
            // 把当前局部变量中的所有元素写入到检查点中
            for (Event element : bufferedElements) {
                checkpointedState.add(element);
            }
        }

        @Override
        public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
            ListStateDescriptor<Event> descriptor = new ListStateDescriptor<>(
                    "buffered-elements",
                    Types.POJO(Event.class));

            checkpointedState = context.getOperatorStateStore().getListState(descriptor);

            // 如果是从故障中恢复，就将ListState中的所有元素添加到局部变量中
            if (context.isRestored()) {
                for (Event element : checkpointedState.get()) {
                    bufferedElements.add(element);
                }
            }
        }
    }
}

广播状态（Broadcast State）

算子状态中有一类很特殊，就是广播状态（Broadcast State）。从概念和原理上讲，广播状态非常容易理解：状态广播出去，所有并行子任务的状态都是相同的；并行度调整时只要直接复制就可以了。然而在应用上，广播状态却与其他算子状态大不相同。

基本用法

让所有并行子任务都持有同一份状态，也就意味着一旦状态有变化，所以子任务上的实例都要更新。什么时候会用到这样的广播状态呢？

一个最为普遍的应用，就是“动态配置”或者“动态规则”。我们在处理流数据时，有时会基于一些配置（configuration）或者规则（rule）。简单的配置当然可以直接读取配置文件，一次加载，永久有效；但数据流是连续不断的，如果这配置随着时间推移还会动态变化，那又该怎么办呢？

一个简单的想法是，定期扫描配置文件，发现改变就立即更新。但这样就需要另外启动一个扫描进程，如果扫描周期太长，配置更新不及时就会导致结果错误；如果扫描周期太短，又会耗费大量资源做无用功。

解决的办法，还是流处理的“事件驱动”思路——我们可以将这动态的配置数据看作一条流，将这条流和本身要处理的数据流进行连接（connect），就可以实时地更新配置进行计算了。

由于配置或者规则数据是全局有效的，我们需要把它广播给所有的并行子任务。而子任务需要把它作为一个算子状态保存起来，以保证故障恢复后处理结果是一致的。这时的状态，就是一个典型的广播状态。我们知道，广播状态与其他算子状态的列表（list）结构不同，底层是以键值对（key-value）形式描述的，所以其实就是一个映射状态（MapState）。

在代码上，可以直接调用 DataStream 的.broadcast()方法，传入一个“映射状态描述器”（MapStateDescriptor）说明状态的名称和类型，就可以得到一个“广播流”（BroadcastStream）；

**进而将要处理的数据流与这条广播流进行连接（connect），就会得到“广播连接流”（BroadcastConnectedStream）。注意广播状态只能用在广播连接流中。**关于广播连接流，我们已经在前面做过介绍，这里可以复习一下：

MapStateDescriptor<String, Rule> ruleStateDescriptor = new MapStateDescriptor<>(...);
BroadcastStream<Rule> ruleBroadcastStream = ruleStream.broadcast(ruleStateDescriptor);
DataStream<String> output = stream.connect(ruleBroadcastStream).process( new BroadcastProcessFunction<>() {...} );

这里我们定义了一个“规则流”ruleStream，里面的数据表示了数据流 stream 处理的规则，规则的数据类型定义为 Rule。于是需要先定义一个 MapStateDescriptor 来描述广播状态，然后传入 ruleStream.broadcast()得到广播流，接着用 stream 和广播流进行连接。这里状态描述器中的 key 类型为 String，就是为了区分不同的状态值而给定的 key 的名称。

对于广播连接流调用 .process() 方法，可以传入 “ 广播处理函数 ”KeyedBroadcastProcessFunction 或者 BroadcastProcessFunction 来进行处理计算。广播处理函数里面有两个方法.processElement()和.processBroadcastElement()，源码中定义如下：

public abstract class BroadcastProcessFunction<IN1, IN2, OUT> extends BaseBroadcastProcessFunction {
    ...
    public abstract void processElement(IN1 value, ReadOnlyContext ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;
    public abstract void processBroadcastElement(IN2 value, Context ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;
    ...
}

.processElement()方法，处理的是正常数据流，第一个参数 value 就是当前到来的流数据；
而.processBroadcastElement()方法就相当于是用来处理广播流的，它的第一个参数 value就是广播流中的规则或者配置数据。

两个方法第二个参数都是一个上下文 ctx，都可以通过调用.getBroadcastState()方法获取到当前的广播状态；区别在于，.processElement()方法里的上下文是 “ 只读 ” 的（ ReadOnly ），因此获取到的广播状态也只能读取不能更改；而.processBroadcastElement()方法里的 Context 则没有限制，可以根据当前广播流中的数据更新状态。

Rule rule = ctx.getBroadcastState( new MapStateDescriptor<>("rules", Types.String, Types.POJO(Rule.class))).get("my rule");

通过调用 ctx.getBroadcastState()方法，传入一个 MapStateDescriptor，就可以得到当前的叫作“rules”的广播状态；调用它的.get()方法，就可以取出其中“my rule”对应的值进行计算处理。

代码实例

接下来我们举一个广播状态的应用案例。考虑在电商应用中，往往需要判断用户先后发生的行为的“组合模式”，比如“登录-下单”或者“登录-支付”，检测出这些连续的行为进行统计，就可以了解平台的运用状况以及用户的行为习惯。

public class BroadcastStateExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        // 读取用户行为事件流
        DataStreamSource<Action> actionStream = env.fromElements(
                new Action("Alice", "login"),
                new Action("Alice", "pay"),
                new Action("Bob", "login"),
                new Action("Bob", "buy")
        );

        // 定义行为模式流，代表了要检测的标准
        DataStreamSource<Pattern> patternStream = env
                .fromElements(
                        new Pattern("login", "pay"),
                        new Pattern("login", "buy")
                );

        // 定义广播状态的描述器，创建广播流
        MapStateDescriptor<Void, Pattern> bcStateDescriptor = new MapStateDescriptor<>(
                "patterns", Types.VOID, Types.POJO(Pattern.class));
        BroadcastStream<Pattern> bcPatterns = patternStream.broadcast(bcStateDescriptor);

        // 将事件流和广播流连接起来，进行处理
        DataStream<Tuple2<String, Pattern>> matches = actionStream
                .keyBy(data -> data.userId)
                .connect(bcPatterns)
                .process(new PatternEvaluator());

        matches.print();

        env.execute();
    }

    public static class PatternEvaluator
            extends KeyedBroadcastProcessFunction<String, Action, Pattern, Tuple2<String, Pattern>> {

        // 定义一个值状态，保存上一次用户行为
        ValueState<String> prevActionState;

        @Override
        public void open(Configuration conf) {
            prevActionState = getRuntimeContext().getState(
                    new ValueStateDescriptor<>("lastAction", Types.STRING));
        }

        @Override
        public void processBroadcastElement(
                Pattern pattern,
                Context ctx,
                Collector<Tuple2<String, Pattern>> out) throws Exception {

            BroadcastState<Void, Pattern> bcState = ctx.getBroadcastState(
                    new MapStateDescriptor<>("patterns", Types.VOID, Types.POJO(Pattern.class)));

            // 将广播状态更新为当前的pattern
            bcState.put(null, pattern);
        }

        @Override
        public void processElement(Action action, ReadOnlyContext ctx,
                                   Collector<Tuple2<String, Pattern>> out) throws Exception {
            Pattern pattern = ctx.getBroadcastState(
                    new MapStateDescriptor<>("patterns", Types.VOID, Types.POJO(Pattern.class))).get(null);

            String prevAction = prevActionState.value();
            if (pattern != null && prevAction != null) {
                // 如果前后两次行为都符合模式定义，输出一组匹配
                if (pattern.action1.equals(prevAction) && pattern.action2.equals(action.action)) {
                    out.collect(new Tuple2<>(ctx.getCurrentKey(), pattern));
                }
            }
            // 更新状态
            prevActionState.update(action.action);
        }
    }

    // 定义用户行为事件POJO类
    public static class Action {
        public String userId;
        public String action;

        public Action() {
        }

        public Action(String userId, String action) {
            this.userId = userId;
            this.action = action;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Action{" +
                    "userId=" + userId +
                    ", action='" + action + '\'' +
                    '}';
        }
    }

    // 定义行为模式POJO类，包含先后发生的两个行为
    public static class Pattern {
        public String action1;
        public String action2;

        public Pattern() {
        }

        public Pattern(String action1, String action2) {
            this.action1 = action1;
            this.action2 = action2;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Pattern{" +
                    "action1='" + action1 + '\'' +
                    ", action2='" + action2 + '\'' +
                    '}';
        }
    }
}

状态持久化和状态后端

在 Flink 的状态管理机制中，很重要的一个功能就是对状态进行持久化（persistence）保存，这样就可以在发生故障后进行重启恢复。Flink 对状态进行持久化的方式，就是将当前所有分布式状态进行“快照”保存，写入一个“检查点”（checkpoint）或者保存点（savepoint）保存到外部存储系统中。具体的存储介质，一般是分布式文件系统（distributed file system）。

检查点（Checkpoint）

有状态流应用中的检查点（checkpoint），其实就是所有任务的状态在某个时间点的一个快照（一份拷贝）。在一个流应用程序运行时，Flink 会定期保存检查点，在检查点中会记录每个算子的 id 和状态；如果发生故障，Flink 就会用最近一次成功保存的检查点来恢复应用的状态，重新启动处理流程。

如果保存检查点之后又处理了一些数据，然后发生了故障，那么重启恢复状态之后这些数据带来的状态改变会丢失。为了让最终处理结果正确，我们还需要让源（Source）算子重新读取这些数据，再次处理一遍。这就需要流的数据源具有“数据重放”的能力，一个典型的例子就是 Kafka，我们可以通过保存消费数据的偏移量、故障重启后重新提交来实现数据的重放。这是对“至少一次”（at least once）状态一致性的保证，如果希望实现“精确一次”（exactly once）的一致性，还需要数据写入外部系统时的相关保证。

默认情况下，检查点是被禁用的，需要在代码中手动开启。直接调用执行环境的.enableCheckpointing()方法就可以开启检查点。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getEnvironment();
env.enableCheckpointing(1000);  //单位是毫秒

除了检查点之外，Flink 还提供了“保存点”（savepoint）的功能。保存点在原理和形式上跟检查点完全一样，也是状态持久化保存的一个快照；区别在于，保存点是自定义的镜像保存，所以不会由 Flink 自动创建，而需要用户手动触发。这在有计划地停止、重启应用时非常有用。

状态后端（State Backends）

检查点的保存离不开 JobManager 和 TaskManager，以及外部存储系统的协调。在应用进行检查点保存时：

首先会由 JobManager 向所有 TaskManager 发出触发检查点的命令；
TaskManger 收到之后，将当前任务的所有状态进行快照保存，持久化到远程的存储介质中；
完成之后向 JobManager 返回确认信息。

这个过程是分布式的，当 JobManger 收到所有TaskManager 的返回信息后，就会确认当前检查点成功保存，如图所示。而这一切工作的协调，就需要一个“专职人员”来完成。

在 Flink 中，状态的存储、访问以及维护，都是由一个可插拔的组件决定的，这个组件就叫作状态后端（state backend）。状态后端主要负责两件事：

一是本地的状态管理；
二是将检查点（checkpoint）写入远程的持久化存储。

（1）状态后端的分类

状态后端是一个“开箱即用”的组件，可以在不改变应用程序逻辑的情况下独立配置。Flink 中提供了两类不同的状态后端：

“哈希表状态后端”（HashMapStateBackend），默认

这种方式就是我们之前所说的，把状态存放在内存里。具体实现上，哈希表状态后端在内部会直接把状态当作对象（objects），保存在 Taskmanager 的 JVM 堆（heap）上。普通的状态，以及窗口中收集的数据和触发器（triggers），都会以键值对（key-value）的形式存储起来，所以底层是一个哈希表（HashMap），这种状态后端也因此得名。

对于检查点的保存，一般是放在持久化的分布式文件系统（file system）中，也可以通过配置“检查点存储”（CheckpointStorage）来另外指定。

HashMapStateBackend 是将本地状态全部放入内存的，这样可以获得最快的读写速度，使计算性能达到最佳；代价则是内存的占用。它适用于具有大状态、长窗口、大键值状态的作业，对所有高可用性设置也是有效的。
“内嵌 RocksDB 状态后端”（EmbeddedRocksDBStateBackend）

RocksDB 是一种内嵌的 key-value 存储介质，可以把数据持久化到本地硬盘。配置EmbeddedRocksDBStateBackend 后，会将处理中的数据全部放入 RocksDB 数据库中，RocksDB默认存储在 TaskManager 的本地数据目录里。

与 HashMapStateBackend 直接在堆内存中存储对象不同，这种方式下状态主要是放在RocksDB 中的**。数据被存储为序列化的字节数组（Byte Arrays），读写操作需要序列化/反序列化，因此状态的访问性能要差一些。另外，因为做了序列化，key 的比较也会按照字节进行，而不是直接调用.hashCode()和.equals()方法。**

对于检查点，同样会写入到远程的持久化文件系统中。

EmbeddedRocksDBStateBackend 始终执行的是异步快照，也就是不会因为保存检查点而阻塞数据的处理；而且它还提供了增量式保存检查点的机制，这在很多情况下可以大大提升保存效率。

由于它会把状态数据落盘，而且支持增量化的检查点，所以在状态非常大、窗口非常长、键/值状态很大的应用场景中是一个好选择，同样对所有高可用性设置有效

（2）如何选择正确的状态后端

HashMap 和 RocksDB 两种状态后端最大的区别，就在于本地状态存放在哪里：前者是内存，后者是 RocksDB。在实际应用中，选择那种状态后端，主要是需要根据业务需求在处理性能和应用的扩展性上做一个选择。

HashMapStateBackend 是内存计算，读写速度非常快；但是，状态的大小会受到集群可用内存的限制，如果应用的状态随着时间不停地增长，就会耗尽内存资源。
而 RocksDB 是硬盘存储，所以可以根据可用的磁盘空间进行扩展，而且是唯一支持增量检查点的状态后端，所以它非常适合于超级海量状态的存储。不过由于每个状态的读写都需要做序列化/反序列化，而且可能需要直接从磁盘读取数据，这就会导致性能的降低，平均读写性能要比 HashMapStateBackend 慢一个数量级。

我们可以发现，实际应用就是权衡利弊后的取舍。最理想的当然是处理速度快且内存不受限制可以处理海量状态，那就需要非常大的内存资源了，这会导致成本超出项目预算。比起花更多的钱，稍慢的处理速度或者稍小的处理规模，老板可能更容易接受一点。

（3）状态后端的配置

在不做配置的时候，应用程序使用的默认状态后端是由集群配置文件 flink-conf.yaml 中指定的，配置的键名称为 state.backend。这个默认配置对集群上运行的所有作业都有效，我们可以通过更改配置值来改变默认的状态后端。另外，我们还可以在代码中为当前作业单独配置状态后端，这个配置会覆盖掉集群配置文件的默认值。

（1）配置默认的状态后端

在 flink-conf.yaml 中，可以使用 state.backend 来配置默认状态后端。配置项的可能值为 hashmap，这样配置的就是 HashMapStateBackend；也可以是 rocksdb，这样配置的就是 EmbeddedRocksDBStateBackend。另外，也可以是一个实现了状态后端工厂StateBackendFactory 的类的完全限定类名。

下面是一个配置 HashMapStateBackend 的例子：

# 默认状态后端
state.backend: hashmap
# 存放检查点的文件路径
state.checkpoints.dir: hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints

（2）为每个作业（Per-job）单独配置状态后端

每个作业独立的状态后端，可以在代码中，基于作业的执行环境直接设置。代码如下：

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStateBackend(new HashMapStateBackend());

上面代码设置的是 HashMapStateBackend，如果想要设置 EmbeddedRocksDBStateBackend，可以用下面的配置方式：

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStateBackend(new EmbeddedRocksDBStateBackend());

需要注意，如果想在 IDE 中使用 EmbeddedRocksDBStateBackend，需要为 Flink 项目添加依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-statebackend-rocksdb_${scala.binary.version}</artifactId>
    <version>1.13.0</version>
</dependency>

而由于 Flink 发行版中默认就包含了 RocksDB，所以只要我们的代码中没有使用 RocksDB的相关内容，就不需要引入这个依赖。即使我们在 flink-conf.yaml 配置文件中设定了state.backend 为 rocksdb，也可以直接正常运行，并且使用 RocksDB 作为状态后端。