Flink检查点机制与状态管理

1 检查点机制

1.1 CheckPoints

为了使 Flink 的状态具有良好的容错性，Flink 提供了检查点机制 (CheckPoints) 。通过检查点机制，Flink 定期在数据流上生成 checkpoint barrier ，当某个算子收到 barrier 时，即会基于当前状态生成一份快照，然后再将该 barrier 传递到下游算子，下游算子接收到该 barrier 后，也基于当前状态生成一份快照，依次传递直至到最后的 Sink 算子上。当出现异常后，Flink 就可以根据最近的一次的快照数据将所有算子恢复到先前的状态。

1.2 开启检查点

默认情况下，检查点机制是关闭的，需要在程序中进行开启：

// 开启检查点机制，并指定状态检查点之间的时间间隔
env.enableCheckpointing(1000); 

// 其他可选配置如下：
// 设置语义
env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
// 设置两个检查点之间的最小时间间隔
env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(500);
// 设置执行Checkpoint操作时的超时时间
env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(60000);
// 设置最大并发执行的检查点的数量
env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(1);
// 将检查点持久化到外部存储
env.getCheckpointConfig().enableExternalizedCheckpoints(ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);
// 如果有更近的保存点时，是否将作业回退到该检查点
env.getCheckpointConfig().setPreferCheckpointForRecovery(true);

1.3 保存点机制

保存点机制 (Savepoints) 是检查点机制的一种特殊的实现，它允许你通过手工的方式来触发 Checkpoint，并将结果持久化存储到指定路径中，主要用于避免 Flink 集群在重启或升级时导致状态丢失。

1.4 RichFunction 检查点实战

public class OperatorWarning implements CheckpointedFunction {
    // 非正常数据
    private List<Tuple2<String, Long>> bufferedData;
    // checkPointedState
    private transient ListState<Tuple2<String, Long>> checkPointedState;
   
    @Override
    public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
        // 注意这里获取的是OperatorStateStore
        checkPointedState = context.getOperatorStateStore().
                getListState(new ListStateDescriptor<>("abnormalData", TypeInformation.of(new TypeHint<Tuple2<String, Long>>() {})));
        // 如果发生重启，则需要从快照中将状态进行恢复
        if (context.isRestored()) {
            for (Tuple2<String, Long> element : checkPointedState.get()) {
                bufferedData.add(element);
            }
        }
    }

    @Override
    public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
        // 在进行快照时，将数据存储到checkPointedState
        checkPointedState.clear();
        for (Tuple2<String, Long> element : bufferedData) {
            checkPointedState.add(element);
        }
    }
}

2 状态管理

2.1 算子状态

算子状态 (Operator State)：顾名思义，状态是和算子进行绑定的，一个算子的状态不能被其他算子所访问到。官方文档上对 Operator State 的解释是：each operator state is bound to one parallel operator instance，所以更为确切的说一个算子状态是与一个并发的算子实例所绑定的，即假设算子的并行度是 2，那么其应有两个对应的算子状态：

2.2 键控状态

键控状态 (Keyed State) ：是一种特殊的算子状态，即状态是根据 key 值进行区分的，Flink 会为每类键值维护一个状态实例。如下图所示，每个颜色代表不同 key 值，对应四个不同的状态实例。需要注意的是键控状态只能在 KeyedStream 上进行使用，我们可以通过 stream.keyBy(…) 来得到 KeyedStream 。

2.3 监控状态编程

Flink 提供了以下数据格式来管理和存储键控状态 (Keyed State)：

• ValueState：存储单值类型的状态。可以使用 update(T) 进行更新，并通过 T value() 进行检索。
• ListState：存储列表类型的状态。可以使用 add(T) 或 addAll(List) 添加元素；并通过 get() 获得整个列表。
• ReducingState：用于存储经过 ReduceFunction 计算后的结果，使用 add(T) 增加元素。
• AggregatingState：用于存储经过 AggregatingState 计算后的结果，使用 add(IN) 添加元素。
• FoldingState：已被标识为废弃，会在未来版本中移除，官方推荐使用 AggregatingState 代替。
• MapState：维护 Map 类型的状态。

 @Override
    public void open(Configuration parameters) {
        StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig
                // 设置有效期为 10 秒
                .newBuilder(Time.seconds(10))
                // 设置有效期更新规则，这里设置为当创建和写入时，都重置其有效期到规定的10秒
                .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)
                /*设置只要值过期就不可见，另外一个可选值是ReturnExpiredIfNotCleanedUp，
                 代表即使值过期了，但如果还没有被物理删除，就是可见的*/
                .setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired)
                .build();
        ListStateDescriptor<Long> descriptor = new ListStateDescriptor<>("abnormalData", Long.class);
        descriptor.enableTimeToLive(ttlConfig);
        abnormalData = getRuntimeContext().getListState(descriptor);
    }

    @Override
    public void flatMap(Tuple2<String, Long> value, Collector<Tuple2<String, List<Long>>> out) throws Exception {
        Long inputValue = value.f1;
        // 如果输入值超过阈值，则记录该次不正常的数据信息
        if (inputValue >= threshold) {
            abnormalData.add(inputValue);
        }

        ArrayList<Long> list = Lists.newArrayList(abnormalData.get().iterator());
        // 如果不正常的数据出现达到一定次数，则输出报警信息
        if (list.size() >= numberOfTimes) {
            out.collect(Tuple2.of(value.f0 + " 超过指定阈值 ", list));
            // 报警信息输出后，清空状态
            abnormalData.clear();
        }
    }

2.4 算子状态编程

相比于键控状态，算子状态目前支持的存储类型只有以下三种：

• ListState：存储列表类型的状态。
• UnionListState：存储列表类型的状态，与 ListState 的区别在于：如果并行度发生变化，ListState 会将该算子的所有并发的状态实例进行汇总，然后均分给新的 Task；而 UnionListState 只是将所有并发的状态实例汇总起来，具体的划分行为则由用户进行定义。
• BroadcastState：用于广播的算子状态。

 @Override
    public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
        // 注意这里获取的是OperatorStateStore
        checkPointedState = context.getOperatorStateStore().
                getListState(new ListStateDescriptor<>("abnormalData", TypeInformation.of(new TypeHint<Tuple2<String, Long>>() {})));
        // 如果发生重启，则需要从快照中将状态进行恢复
        if (context.isRestored()) {
            for (Tuple2<String, Long> element : checkPointedState.get()) {
                bufferedData.add(element);
            }
        }
    }

备注：一个算子状态是与一个并发的算子实例所绑定的，即假设算子的并行度是 2，那么其应有两个对应的算子状态

3 状态后端

3.1 状态管理实现方式

• MemoryStateBackend
  默认的方式，即基于 JVM 的堆内存进行存储，主要适用于本地开发和调试。

• FsStateBackend
  基于文件系统进行存储，可以是本地文件系统，也可以是 HDFS 等分布式文件系统。 需要注意而是虽然选择使用了 FsStateBackend ，但正在进行的数据仍然是存储在 TaskManager 的内存中的，只有在 checkpoint 时，才会将状态快照写入到指定文件系统上。

• RocksDBStateBackend
  RocksDBStateBackend 是 Flink 内置的第三方状态管理器，采用嵌入式的 key-value 型数据库 RocksDB 来存储正在进行的数据。等到 checkpoint 时，再将其中的数据持久化到指定的文件系统中，所以采用 RocksDBStateBackend 时也需要配置持久化存储的文件系统。之所以这样做是因为 RocksDB 作为嵌入式数据库安全性比较低，但比起全文件系统的方式，其读取速率更快；比起全内存的方式，其存储空间更大，因此它是一种比较均衡的方案。

3.2 配置方式

• 基于代码方式进行配置，只对当前作业生效：

// 配置 FsStateBackend
env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints"));
// 配置 RocksDBStateBackend
env.setStateBackend(new RocksDBStateBackend("hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints"));

// 配置 RocksDBStateBackend 时，需要额外导入下面的依赖：
<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-statebackend-rocksdb_2.12</artifactId>
    <version>1.12</version>
</dependency>

• 基于 flink-conf.yaml 配置文件的方式进行配置，对所有部署在该集群上的作业都生效：

state.backend: filesystem
state.checkpoints.dir: hdfs://namenode:40010/flink/checkpoints