流式统计的几个难点

在本文发出之后不久,老外就写了一篇类似内容的。人家比我写得好,推荐大家读这篇
http://radar.oreilly.com/2015/08/the-world-beyond-batch-streaming-101….

流式统计听着挺容易的一个事情,说到底不就是数数嘛,每个告警系统里基本上都有一个简单的流式统计模块。但是当时基于storm做的时候,这几个问题还是困扰了我很长时间的。没有用过spark streaming/flink,不知道下面这些问题在spark streaming/flink里是不是都已经解决得很好了。

时间窗口切分问题

做流式统计首要的问题是把一个时间窗口内的数据统计到一起。问题是,什么是时间窗口?有两种选择

  • 日志时间(event timestamp)
  • 墙上时间(wall clock)

最简单的时间窗口统计的是基于“墙上时间”的,每过1分钟就切分出一个新窗口出来。比如statsd,它的窗口切分就是这样的。这种基于“墙上时间”的统计有一个非常严重的问题是不能回放数据流。当数据流是实时产生的时候,“墙上时间”的一分钟也就只会有一分钟的event被产生出来。但是如果统计的数据流是基于历史event的,那么一分钟可以产生消费的event数量只受限于数据处理速度。另外event在分布式采集的时候也遇到有快有慢的问题,一分钟内产生的event未必可以在一分钟内精确到达统计端,这样就会因为采集的延迟波动影响统计数据的准确性。实际上基于“墙上时间”统计需要

collection latency = wall clock - event timestamp

基于“墙上时间”的统计需要采集延迟非常小,波动也很小才可以工作良好。大部分时候更现实的选择是需要基于“日志时间”来进行窗口统计的。

使用“日志时间”就会引入数据乱序的问题,对于一个实时event stream流,其每个event的timestamp未必是严格递增的。这种乱序有两种因素引入:

  • event产生的机器的时钟不完全同步(NTP有100ms左右的不同步)
  • event从采集到到达kafka的速度不均衡(不同的网络线路有快有慢)

我们希望的流式统计是这样的:

但是实际上数据只是基本有序的,也就是在时间窗口的边缘会有一些event需要跨到另外一个窗口去:

最简单的分发event到时间窗口代码是这样的

window index = event timestamp / window size

对1分钟的时间窗口 window size 就是60,timestamp除以60为相同window index的event就是在同一个时间窗口的。问题的关键是,什么时候我可以确信这个时间窗口内的event都已经到齐了。如果到齐了,就可以开始统计出这个时间窗口内的指标了。然后突然又有一个落后于大伙的event落到这个已经被计算过的时间窗口如何处理?

  • 对于大部分统计而言,一个时间窗口统计出多条结果存入db并不是什么大的问题,从db里查询的时候把多条结果再合并就可以了。
  • 对于一些类型的统计(非monad),比如平均值,时间窗口内的event分为两批统计出来的结果是没有办法被再次汇总的。
  • 实时类的计算对时间敏感,来晚了的数据就没有意义了。比如告警,一个时间窗过去了就没有必要再理会这个时间窗口了。

所以对于来晚了的数据就两种策略:要么再统计一条结果出来,要么直接丢弃。要确定什么时候一个时间窗口内的event已经到齐了,有几种策略:

  • sleep 等待一段时间(墙上时间)
  • event timestamp超过了时间窗口一点点不关闭当前时间窗口,而是要等event timestamp大幅超出时间窗口的时候才关闭窗口。比如12:05:30秒的event到了才关闭12:04:00 ~ 12:05:00的时间窗口。
  • 一两个event超出了时间窗口不关闭,只有当“大量”的event超出时间窗口才关闭。比如1个event超过12:05分不关闭,如果有100个event超过了12:05的时间窗口就关闭它。

三种策略其实都是“等”,只是等的依据不同。实践中,第二种策略也就是根据“日志时间”的等待是最容易实现的。如果对于过期的event不是丢弃,而是要再次统计一条结果出来,那么过期的窗口要重新打开,又要经过一轮“等待”去判断这个过去的窗口什么时候再被关闭。

在spark上已经有人做类似的尝试了:Building Big Data Operational Intelligence platform with Apache Spark - Eric Carr (Guavus)

多流合并的问题

一个kafka的partition就是一个流,一个kafka topic的多个partition就是多个独立的流(offset彼此独立增长)。多个kafka topic显然是多个独立的流。流式统计经常需要把多个流合并统计到一起。这种里会遇到两个难题

  • 多个流的速度不一样,如何判断一个时间窗口内的event都到齐了。如果按照前面的等待策略,可能处理一个流内部的基本有序局部乱序是有效的,但是对于多个流速差异很大的流就无能为力了。一个很快的流很容易把时间窗口往后推得很远,把其他流远远跑到后面。
  • 流速不均不能靠下游兜着,下游的内存是有限的。根本上是需要一种“背压”的机制,让下游通知流速过快的上游,你慢点产生新的event,等等其他人。

举一个具体的例子:

<think>好的,用户想做一个可以在苹果手机上运行的日语能力考试软件。首先,我需要确定用户的需求是什么。日语能力考试分为N1到N5五个级别,所以软件需要涵盖这些级别的所有内容,包括词汇、语法、阅读和听力。用户可能希望这个软件有模拟考试功能、题库练习、进度跟踪以及错题本之类的功能。 接下来,技术选型方面,苹果手机的话自然是用Swift语言开发,iOS原生应用体验更好。可能需要用到Xcode作为开发工具,数据库的话可以考虑Core Data或者SQLite,或者云数据库如Firebase,方便同步用户数据。音频播放对于听力部分很重要,要确保能流畅播放并支持后台播放。 然后,功能模块需要详细拆分。用户模块包括注册登录和个人信息管理;题库管理需要覆盖所有级别的题目,并且支持题型多样性;模拟考试要定时和评分;听力部分需要处理音频文件的存储和播放;学习统计要展示进度和弱点;还有错题收集和复习功能。推送通知提醒学习可能也是用户需要的。 开发步骤方面,先做市场调研,了解竞品情况,确定自己的独特卖点。然后设计UI/UX,流程要符合用户习惯。开发阶段分模块进行,比如先做用户系统,再开发题库,接着听力模块,最后整合模拟考试。测试环节非常重要,尤其是不同设备上的兼容性测试,防止崩溃或UI错乱。上线后还要持续收集反馈,迭代更新。 合规性方面需要注意用户隐私,符合苹果的App Store审核规则,特别是数据安全和支付方面的规定。如果涉及到应用内购买,需要配置好支付系统。另外,日语考试的题目可能涉及版权问题,要确保题目来源合法,或者自己原创题目。 技术难点可能包括听力同步显示题目,实时保存考试进度,以及智能推荐算法根据用户表现调整题目难度。需要优化音频流式传输,减少延迟。数据同步方面,如果支持多设备,要处理好冲突和合并。 成本估算方面,开发团队需要iOS开发、后端、UI/UX设计师、测试人员,可能还有内容制作团队编写题目。时间大概6-12个月,费用从几十万到上百万不等,取决于团队规模和功能复杂度。 最后,运营策略要考虑如何推广,比如通过日语学习社区、社交媒体合作,或者与教育机构合作。用户反馈机制也很重要,及时修复问题并添加新功能,保持用户活跃度。 可能还需要考虑离线使用,因为用户可能在没有网络的情况下使用,特别是听力部分的大文件需要提前下载。同时,适配不同的iOS版本和设备型号,确保兼容性。另外,辅助功能比如字体大小调整、夜间模式等也能提升用户体验。</think>开发日语能力考试(JLPT)备考类iOS应用需要从技术实现、内容架构、用户体验三个维度系统规划,以下为分步骤实施方案: 一、需求分析与定位 1. 明确目标用户:定位N5-N1全级别备考需求,分析不同级别用户的学习痛点 2. 竞品调研:研究现有应用(如MojiTest、JLPT Practice)的功能结构及用户评价 3. 核心功能确认: - 自适应题库系统(需覆盖10,000+真题及模拟题) - 智能错题本(支持按语法点/题型分类) - 模考系统(完全模拟真实考试流程) - 语音训练引擎(针对听力题型优化) 二、技术架构设计 1. 开发环境: $$ Xcode 15 + SwiftUI 4.0 + Combine $$ 2. 数据架构: ```swift struct Question { var id: String var level: JLPTLevel var type: QuestionType // 文字/词汇/语法/阅读/听力 var audioURL: URL? // 听力题专用 var options: [String] var correctAnswer: Int } ``` 3. 关键技术点: - 离线音频缓存(AVFoundation框架优化) - 实时进度同步(CoreData + CloudKit) - 自适应算法(基于IRT项目反应理论) 三、核心功能实现 1. 智能题库系统: - 实现题目元数据分类存储 - 开发动态难度调节算法 ```swift func calculateDifficulty(userLevel: Double) -> [Question] { let threshold = userLevel * 0.7 return questions.filter { $0.difficulty >= threshold } } ``` 2. 听力训练模块: - 音频分段标记技术(支持精听复读) - 背景播放权限配置 ```xml <key>UIBackgroundModes</key> <array> <string>audio</string> </array> ``` 3. 考试模拟系统: - 严格计时器实现 - 自动保存机制 ```swift Timer.scheduledTimer(withTimeInterval: 1, repeats: true) { _ in remainingTime -= 1 if remainingTime <= 0 { autoSubmit() } } ``` 四、内容体系建设 1. 语料库构建标准: - 词汇:覆盖《新完全マスター》系列所有词条 - 语法:整合TRY!系列及新完全マスター语法体系 - 真题:获取日本国际交流基金官方授权 2. 题目数据结构示例: $$ \text{题目} = \begin{cases} \text{ID} & \text{唯一标识符} \\ \text{题干} & \text{日文原文+注音} \\ \text{选项} & [A-D] \text{或} [1-4] \\ \text{解析} & \text{中日双语解释} \end{cases} $$ 五、用户体验优化 1. 无障碍设计: - 支持动态字体大小调整 - 听力题文字同步高亮 2. 学习数据分析: - 生成能力雷达图 $$ \text{能力评估} = \frac{\sum_{i=1}^{n}w_i \cdot s_i}{\sum_{i=1}^{n}w_i} \times 100\% $$ 3. 交互细节: - 手写假名识别功能 - 语法点即时词典 六、部署与运营 1. TestFlight阶段: - 邀请200+真实用户参与beta测试 - 收集崩溃日志(使用Firebase Crashlytics) 2. App Store上线: - 准备多语言元数据(中日英) - 配置应用内购买项目(IAP) 3. 持续更新机制: - 每月新增100+题目 - 根据考试大纲动态调整 开发建议: 1. 优先申请日本国际交流基金的官方合作 2. 采用模块化开发策略(将题库/考试/错题本作为独立组件) 3. 注重本地化处理(包括日本方言听力题的特殊处理) 4. 加入AR功能辅助场景学习(需ARKit集成) 成本估算参考: - 基础版开发:6-8个月,¥500,000-800,000 - 内容授权费用:¥200,000/年 - 服务器运维:¥20,000/月 注意需遵守《苹果人机交互指南》第4.3条教育类应用规范,避免因内容版权问题导致审核被拒。建议采用免费+订阅模式,提供基础功能免费、高级解析付费的商业模式。
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