flink sql 知其所以然| 自定义 redis 数据维表（附源码）

Posted 2021-08-24 antigeneral

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1.序篇-本文结构

1. 背景篇-为啥需要 redis 维表
2. 目标篇-做 redis 维表的预期效果是什么
3. 难点剖析篇-此框架建设的难点、目前有哪些实现
4. 维表实现篇-维表实现的过程
5. 总结与展望篇

本文主要介绍了 flink sql redis 维表的实现过程。

如果想在本地测试下：

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1. 在公众号后台回复flink sql 知其所以然（二）| sql 自定义 redis 数据维表获取源码（源码基于 1.13.1 实现）
2. 在你的本地安装并打开 redis-server，然后使用 redis-cli 执行命令 set a "{\\"score\\":3,\\"name\\":\\"namehhh\\",\\"name1\\":\\"namehhh112\\"}"
3. 执行源码包中的 flink.examples.sql._03.source_sink.RedisLookupTest 测试类，就可以在 console 中看到结果。

如果想直接在集群环境使用：

1. 命令行执行 mvn package -DskipTests=true 打包
2. 将生成的包 flink-examples-0.0.1-SNAPSHOT.jar 引入 flink lib 中即可，无需其它设置。

2.背景篇-为啥需要 redis 维表

2.1.啥是维表？事实表？

Dimension Table 概念多出现于数据仓库里面，维表与事实表相互对应。

给两个场景来看看：

比如需要统计分性别的 DAU：

1. 客户端上报的日志中（事实表）只有设备 id，只用这个事实表是没法统计出分性别的 DAU 的。
2. 这时候就需要一张带有设备 id、性别映射的表（这就是维表）来提供性别数据。
3. 然后使用事实表去 join 这张维表去获取到每一个设备 id 对应的性别，然后就可以统计出分性别的 DAU。相当于一个扩充维度的操作。

https://blog.csdn.net/weixin_47482194/article/details/105855116?spm=1001.2014.3001.5501

比如目前想要统计整体销售额：

1. 目前已有 “销售统计表”，是一个事实表，其中没有具体销售品项的金额。
2. “商品价格表” 可以用于提供具体销售品项的金额，这就是销售统计的一个维度表。

事实数据和维度数据的识别必须依据具体的主题问题而定。“事实表” 用来存储事实的度量及指向各个维的外键值。维表用来保存该维的元数据。

参考：https://blog.csdn.net/lindan1984/article/details/96566626

2.2.为啥需要 redis 维表？

目前在实时计算的场景中，熟悉 datastream 的同学大多数都使用过 mysql\\Hbase\\redis 作为维表引擎存储一些维度数据，然后在 datastream api 中调用 mysql\\Hbase\\redis 客户端去获取到维度数据进行维度扩充。

而 redis 作为 flink 实时场景中最常用的高速维表引擎，官方是没有提供 flink sql api 的 redis 维表 connector 的。如下图，基于 1.13 版本。

https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.13/docs/connectors/table/overview/

1

阿里云 flink 是提供了这个能力的。但是这个需要使用阿里云的产品才能使用。有钱人可以直接上。

https://www.alibabacloud.com/help/zh/faq-detail/122722.htm?spm=a2c63.q38357.a3.7.a1227a53TBMuSY

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因此本文在介绍怎样自定义一个 sql 数据维表的同时，实现一个 sql redis 来给大家使用。

3.目标篇-做 redis 维表预期效果是什么

redis 作为维表在 datastream 中的最常用的数据结构就是 kv、hmap 两种。本文实现主要实现 kv 结构，map 结构大家可以拿到源码之后进行自定义实现。也就多加几行代码就完事了。

预期效果就如阿里云的 flink redis：

下面是我在本地跑的结果，先看看 redis 中存储的数据，只有这一条数据，是 json 字符串：

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下面是预期 flink sql：

CREATE TABLE dimTable (
    name STRING,
    name1 STRING,
    score BIGINT  -- redis 中存储数据的 schema
) WITH (
    \'connector\' = \'redis\', -- 指定 connector 是 redis 类型的
    \'hostname\' = \'127.0.0.1\', -- redis server ip
    \'port\' = \'6379\', -- redis server 端口
    \'format\' = \'json\' -- 指定 format 解析格式
    \'lookup.cache.max-rows\' = \'500\', -- guava local cache 最大条目
    \'lookup.cache.ttl\' = \'3600\', -- guava local cache ttl
    \'lookup.max-retries\' = \'1\' -- redis 命令执行失败后重复次数
)

SELECT o.f0, o.f1, c.name, c.name1, c.score
FROM leftTable AS o
-- 维表 join
LEFT JOIN dimTable FOR SYSTEM_TIME AS OF o.proctime AS c
ON o.f0 = c.name

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结果如下，后面三列就对应到 c.name, c.name1, c.score：

+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]
+I[a, b, namehhh, namehhh112, 3]

4.难点剖析篇-目前有哪些实现

目前可以从网上搜到的实现、以及可以参考的实现有以下两个：

1. https://github.com/jeff-zou/flink-connector-redis。但是其没有实现 flink sql redis 维表，只实现了 sink 表，并且使用起来有比较多的限制，包括需要在建表时就指定 key-column，value-column 等，其实博主觉得没必要指定这些字段，这些都可以动态调整。其实现是对 apache-bahir-flink https://github.com/apache/bahir-flink 的二次开发，但与 bahir 原生实现有割裂感，因为这个项目几乎重新实现了一遍，接口也和 bahir 不同。
2. 阿里云实现 https://www.alibabacloud.com/help/zh/faq-detail/122722.htm?spm=a2c63.q38357.a3.7.a1227a53TBMuSY。可以参考的只有用法和配置等。但是有些配置项也属于阿里自定义的。

因此博主在实现时，就定了一个基调。

1. 复用 connector：复用 bahir 提供的 redis connnector
2. 复用 format：复用 flink 目前的 format 机制，目前这个上述两个实现都没有做到
3. 简洁性：实现 kv 结构。hget 封装一部分
4. 维表 local cache：为避免高频率访问 redis，维表加了 local cache 作为缓存

5.维表实现篇-维表实现的过程

在实现 redis 维表之前，不得不谈谈 flink 维表加载和使用机制。

5.1.flink 维表原理

其实上节已经详细描述了 flink sql 对于 source\\sink 的加载机制，维表属于 source 的中的 lookup 表，在具体 flink 程序运行的过程之中可以简单的理解为一个 map，在 map 中调用 redis-client 接口访问 redis 进行扩充维度的过程。

1. 通过 SPI 机制加载所有的 source\\sink\\format 工厂 Factory
2. 过滤出 DynamicTableSourceFactory + connector 标识的 source 工厂类
3. 通过 source 工厂类创建出对应的 source

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5

如图 source 和 sink 是通过 FactoryUtil.createTableSource 和 FactoryUtil.createTableSink 创建的

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所有通过 SPI 的 source\\sink\\formt 插件都继承自 Factory。

整体创建 source 方法的调用链如下图。

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5.2.flink 维表实现方案

先看下博主的最终实现。

总重要的三个实现类：

1. RedisDynamicTableFactory
2. RedisDynamicTableSource
3. RedisRowDataLookupFunction

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具体流程：

1. 定义 SPI 的工厂类 RedisDynamicTableFactory implements DynamicTableSourceFactory，并且在 resource\\META-INF 下创建 SPI 的插件文件
2. 实现 factoryIdentifier 标识 redis
3. 实现 RedisDynamicTableFactory#createDynamicTableSource 来创建对应的 source RedisDynamicTableSource
4. 定义 RedisDynamicTableSource implements LookupTableSource
5. 实现 RedisDynamicTableFactory#getLookupRuntimeProvider 方法，创建具体的维表 UDF  TableFunction<T>，定义为 RedisRowDataLookupFunction
6. 实现 RedisRowDataLookupFunction 的 eval 方法，这个方法就是用于访问 redis 扩充维度的。

介绍完流程，进入具体实现方案细节：

RedisDynamicTableFactory 主要创建 source 的逻辑：

public class RedisDynamicTableFactory implements DynamicTableSourceFactory {
    ...

    @Override
    public String factoryIdentifier() {
        // 标识 redis
        return "redis";
    }

    @Override
    public DynamicTableSource createDynamicTableSource(Context context) {

        // either implement your custom validation logic here ...
        // or use the provided helper utility
        final FactoryUtil.TableFactoryHelper helper = FactoryUtil.createTableFactoryHelper(this, context);

        // discover a suitable decoding format
        // format 实现
        final DecodingFormat<DeserializationSchema<RowData>> decodingFormat = helper.discoverDecodingFormat(
                DeserializationFormatFactory.class,
                FactoryUtil.FORMAT);

        // validate all options
        // 所有 option 配置的校验，比如 cache 类参数
        helper.validate();

        // get the validated options
        final ReadableConfig options = helper.getOptions();

        final RedisLookupOptions redisLookupOptions = RedisOptions.getRedisLookupOptions(options);

        TableSchema schema = context.getCatalogTable().getSchema();

        // 创建 RedisDynamicTableSource
        return new RedisDynamicTableSource(
                schema.toPhysicalRowDataType()
                , decodingFormat
                , redisLookupOptions);
    }
}

resources\\META-INF 文件：

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RedisDynamicTableSource 主要创建 table udf 的逻辑：

public class RedisDynamicTableSource implements LookupTableSource {
    ...

    @Override
    public LookupRuntimeProvider getLookupRuntimeProvider(LookupContext context) {

        // 初始化 redis 客户端配置
        FlinkJedisConfigBase flinkJedisConfigBase = new FlinkJedisPoolConfig.Builder()
                .setHost(this.redisLookupOptions.getHostname())
                .setPort(this.redisLookupOptions.getPort())
                .build();

        // redis key，value 序列化器
        LookupRedisMapper lookupRedisMapper = new LookupRedisMapper(
                this.createDeserialization(context, this.decodingFormat, createValueFormatProjection(this.physicalDataType)));

        // 创建 table udf
        return TableFunctionProvider.of(new RedisRowDataLookupFunction(
                flinkJedisConfigBase
                , lookupRedisMapper
                , this.redisLookupOptions));
    }
}

RedisRowDataLookupFunction table udf 执行维表关联的主要流程：

public class RedisRowDataLookupFunction extends TableFunction<RowData> {
    ...

    /**
     * 具体 redis 执行方法
     */
    public void eval(Object... objects) throws IOException {

        for (int retry = 0; retry <= maxRetryTimes; retry++) {
            try {
                // fetch result
                this.evaler.accept(objects);
                break;
            } catch (Exception e) {
                LOG.error(String.format("HBase lookup error, retry times = %d", retry), e);
                if (retry >= maxRetryTimes) {
                    throw new RuntimeException("Execution of Redis lookup failed.", e);
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000 * retry);
                } catch (InterruptedException e1) {
                    throw new RuntimeException(e1);
                }
            }
        }
    }


    @Override
    public void open(FunctionContext context) {
        LOG.info("start open ...");

        // redis 命令执行器，初始化 redis 链接
        try {
            this.redisCommandsContainer =
                    RedisCommandsContainerBuilder
                            .build(this.flinkJedisConfigBase);
            this.redisCommandsContainer.open();
        } catch (Exception e) {
            LOG.error("Redis has not been properly initialized: ", e);
            throw new RuntimeException(e);
        }

        // 初始化 local cache
        this.cache = cacheMaxSize <= 0 || cacheExpireMs <= 0 ? null : CacheBuilder.newBuilder()
                .recordStats()
                .expireAfterWrite(cacheExpireMs, TimeUnit.MILLISECONDS)
                .maximumSize(cacheMaxSize)
                .build();

        if (cache != null) {
            context.getMetricGroup()
                    .gauge("lookupCacheHitRate", (Gauge<Double>) () -> cache.stats().hitRate());


            this.evaler = in -> {
                RowData cacheRowData = cache.getIfPresent(in);
                if (cacheRowData != null) {
                    collect(cacheRowData);
                } else {
                    // fetch result
                    byte[] key = lookupRedisMapper.serialize(in);

                    byte[] value = null;

                    switch (redisCommand) {
                        case GET:
                            value = this.redisCommandsContainer.get(key);
                            break;
                        case HGET:
                            value = this.redisCommandsContainer.hget(key, this.additionalKey.getBytes());
                            break;
                        default:
                            throw new IllegalArgumentException("Cannot process such data type: " + redisCommand);
                    }

                    RowData rowData = this.lookupRedisMapper.deserialize(value);

                    collect(rowData);

                    cache.put(key, rowData);
                }
            };

        }
        ...
    }
}

5.2.1.复用 bahir connector

如图是 bahir redis connector 的实现。

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博主在实现过程中将能复用的都尽力复用。如图是最终实现目录。

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可以看到目录结构是与 bahir redis connector 一致的。

其中 redis 客户端及其配置 是直接复用了 bahir redis 的。由于 bahir redis 基本都是 sink 实现，某些实现没法继承复用，所以这里我单独开辟了目录，redis 命令执行器 和 redis 命令定义器，但是也基本和 bahir 一致。如果你想要在生产环境中进行使用，可以直接将两部分代码合并，成本很低。

5.2.2.复用 format

博主直接复用了 flink 本身自带的 format 机制来作为维表反序列化机制。参考 HBase connector 实现将 cache 命中率添加到 metric 中。

public class RedisDynamicTableFactory implements DynamicTableSourceFactory {
    ...
    @Override
    public DynamicTableSource createDynamicTableSource(Context context) {
        ...

        // discover a suitable decoding format
        // 复用 format 实现
        final DecodingFormat<DeserializationSchema<RowData>> decodingFormat = helper.discoverDecodingFormat(
                DeserializationFormatFactory.class,
                FactoryUtil.FORMAT);
        ...
    }
}

format 同样也是 SPI 机制加载。

源码公众号后台回复flink sql 知其所以然（二）| sql 自定义 redis 数据维表获取。

5.2.3.维表 local cache

local cache 在初始化时可以指定 cache 大小，缓存时长等。

this.evaler = in -> {
    RowData cacheRowData = cache.getIfPresent(in);
    if (cacheRowData != null) {
        collect(cacheRowData);
    } else {
        // fetch result
        byte[] key = lookupRedisMapper.serialize(in);

        byte[] value = null;

        switch (redisCommand) {
            case GET:
                value = this.redisCommandsContainer.get(key);
                break;
            case HGET:
                value = this.redisCommandsContainer.hget(key, this.additionalKey.getBytes());
                break;
            default:
                throw new IllegalArgumentException("Cannot process such data type: " + redisCommand);
        }

        RowData rowData = this.lookupRedisMapper.deserialize(value);

        collect(rowData);

        cache.put(key, rowData);
    }
};

6.总结与展望篇

6.1.总结

本文主要是针对 flink sql redis 维表进行了扩展以及实现，并且复用 bahir redis connector 的配置，具有良好的扩展性。如果你正好需要这么一个 connector，直接公众号后台回复flink sql 知其所以然（二）| sql 自定义 redis 数据维表获取源码吧。

6.2.展望

当然上述只是 redis 维表一个基础的实现，用于生产环境还有很多方面可以去扩展的。

1. jedis cluster 的扩展：目前 bahir datastream 中已经实现了，可以直接参考，扩展起来非常简单
2. aync lookup 维表的扩展：目前 hbase lookup 表已经实现了，可以直接参考实现
3. 异常 AOP，alert 等
   
   

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