打开窗，让 Flink 驻进

Posted 2022-12-15 DataFlow范式

最近天气时好时坏，忽冷忽热，感冒的人有点多，注意防寒保暖。

笔者讲解 Apache Flink 培训系列课程已经有一段时间了，一些读者反馈完成了所有实验并应用到生产实际案例，这真的非常棒，学有所成。

笔者今天继续讲解 Apache Flink 培训系列课程中的 Window 生态的内容。

Window 引入

打开窗，让春风驻进。

哦，不，是打开窗，让 Flink 驻进。

对 Flink 有所了解的读者应该都知道，Flink 实现了批处理和流处理，即 Flink 批流一体。而 Flink 的批处理又是流处理的一个特例，其中窗口就是从流处理到批处理的一个重要的桥梁。

大家查看 Flink 官网时，会发现 Flink 提供了非常全面的窗口机制：

当然笔者不会按部就班，洋洋洒洒长篇大论，读者看起来太累，笔者也没有那么多完整的时间，笔者希望采取渐进式，即分章分层次渐入佳境式，最后以达到完全掌握窗口的知识。

Window 含义

从字面意思理解，窗口就是一段区间。

• 比如我们想要统计在过去的 10 分钟内有多少车流量。在这种情况下，我们必须定义一个窗口，用来收集最近一分钟内的数据，并对这个窗口内的数据进行计算。

• 再比如我们想要监控事件流数据每一千个元素，发出报警。

从上面可以理解出，Flink 中窗口可以是基于时间的窗口（Count-based windows），也可以是基于计数的窗口（Time-based windows）。

其实笔者在前面的文章中提到过 Flink 的窗口，它是将一个无界数据流拆分成有界的数据集合，也是处理有限流的核心组件。

Window 是实时流应用程序中的常见操作，它支持在无界流的有界间隔上进行聚合之类的转换操作。通常，这些间隔是基于时间的逻辑定义的。Window operator 提供了一种方法来将事件分组到有限大小的 bucket 中（其实就是有界的数据集合），并对这些 bucket 的有界内容应用计算逻辑。例如 Window operator 可以将流的事件分组到 5 分钟的窗口中，并计算每个窗口已经接收了多少事件。

针对不同的需求场景，Flink 提供了几种不同的 Window 类型。

Window 类型

其实上面抛出了两个问题：

• 1. 何时创建存储数据的 bucket

• 2. 流数据分配到哪个 bucket

那么 Flink 定义了哪些策略来解决上面的问题呢？

其实 Flink 使用不同 window 类型的策略来解决这些问题，如下：

• Tumbling Windows

  即滚动窗口，比如计算每隔 10 分钟的高铁客流量，需要使用滚动窗口，每 10 分钟累计一次。

• Sliding Windows

  即滑动窗口，比如每 2 分钟计算一下最近 10 分钟的高铁客流量呢，需要使用滑动窗口，滑动的大小为 2 分钟。

• Session Windows

  即会话窗口，比如统计用户在一次网页交互的会话内点击页面的次数，那么此时就需要用会话窗口了。

• Global Windows

  即全局窗口，全局窗口分配器将具有相同键的所有元素分配给同一单个全局窗口。仅当指定自定义触发器时，此窗口模式才有用。否则，将不会执行任何计算，因为全局窗口没有可以处理聚合元素的自然的结束点。

另外，Flink 也支持自定义 window 类型。如果需要定制数据分发策略，则可以实现一个 Class，继承自 WindowAssigner。

下面笔者会详细讲解 Flink 内置的 window 类型，即 WindowAssigner。

内置的 Window Assigners

Flink 为最常见的窗口使用案例提供了内置的 WindowAssigner。笔者在此处讨论的所有 assigners 都是基于时间的，基于时间的 WindowAssigner 根据 event-time 时间戳或当前 processing-time 向窗口分配元素。时间窗口有开始和结束的时间戳。

所有内置的 WindowAssigner 都提供一个默认触发器，一旦 processing-time 或 event-time 时间超过了窗口的结尾，它将触发窗口的计算。重要的是要注意，当第一个元素分配给它时，就会创建一个窗口。Flink 永远不会计算空的窗口。

基于计数的窗口 

除了基于时间的窗口外，Flink 还支持基于计数的窗口，即按到达 window operator 的顺序将固定数量的元素分组的窗口。由于它们取决于摄取的顺序，因此基于计数的窗口不是确定性的。此外，如果在没有自定义触发器的情况下使用它们，它们可能会引起问题，该触发器在某个时候会丢弃不完整和过时的窗口。

Flink 的内置 WindowAssigner 创建 TimeWindow 类型的窗口。此窗口类型实质上表示两个时间戳之间的时间间隔，其中包含开始时间，不包含结束时间。

下面，笔者展示 DataStream API 的不同内置 WindowAssigner 以及如何使用它们来定义 窗口算子。

Tumbling Windows

即滚动窗口，滚动窗口分配器将元素放入不重叠的固定大小的窗口中，如图所示： 

Datastream API 提供两个分配器：TumblingEventTimeWindows 和 TumblingProcessingTimeWindows

TumblingEventTimeWindows 分别用于滚动 event-time window 和 processing-time window。滚动窗口分配器接收一个参数，窗口大小以时间单位表示；可以使用分配器的 of（Time size）方法指定。时间间隔可以设置为毫秒、秒、分钟、小时或天。

以下代码显示如何在传感器数据测量流上定义 event-time 和 processing-time 滚动窗口：

val sensorData: DataStream[SensorReading] = ...
val avgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 分组读取 1s 基于 event-time windows 的事件
  .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(1)))
  .process(new TemperatureAverager)

val avgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 分组读取 1s 基于 processing-time windows 的事件
  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(1)))
  .process(new TemperatureAverager)

可以使用简便的方式指定 window 时间：

val avgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 等价于 window.(TumblingEventTimeWindows.of(size))
  .timeWindow(Time.seconds(1))
  .process(new TemperatureAverager)

默认情况下，滚动窗口与纪元时间 1970-01-01-00:00:00.000 对齐。例如，一个大小为 1 小时的 assigner 将在 00:00:00、01:00:00、02:00:00 等处定义窗口。当然，也可以在 assigner 中定义第二个参数，表示 offset。下面的代码显示了偏移量为 15 分钟的窗口，偏移量分别从 00:15:00、01:15:00、02:15:00 开始，依次类推：

val avgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // group readings in 1 hour windows with 15 min offset
  .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.hours(1), Time.minutes(15)))
  .process(new TemperatureAverager)

Sliding Windows

即滑动窗口，滑动窗口分配器将元素分配给固定大小的窗口，这些窗口按指定的滑动间隔移动，如图所示： 

对于滑动窗口，必须指定窗口大小和滑动间隔，以定义新窗口的启动频率。当滑动间隔小于窗口大小时，窗口重叠，可以将元素分配给多个窗口。如果滑动间隔大于窗口的大小，一些元素可能不会被分配到任何窗口，因此可能被删除。

下面的代码展示了如何将传感器读数分组到 1 小时大小的滑动窗口中，滑动间隔为15分钟。每个读数将被添加到四个窗口。DataStream API 提供了 event-time 和 processing-time 分配器，以及使用的快捷方法，并且可以将时间间隔 offset 设置为 window assigner 的第三个参数：

// 基于 event-time 的滑动窗口 assigner
val slidingAvgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 每隔 15 分钟 创建 1 小时的 event-time window
  .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.hours(1), Time.minutes(15)))
  .process(new TemperatureAverager)
// 基于 processing-time 的滑动窗口 assigner
val slidingAvgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 每隔 15 分钟 创建 1 小时的 processing-time window
  .window(SlidingProcessingTimeWindows.of(Time.hours(1), Time.minutes(15)))
  .process(new TemperatureAverager)
// 使用滑动窗口 assigner 的快捷方法
val slidingAvgTemp = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 等价于 window.(SlidingEventTimeWindow.of(size, slide))
  .timeWindow(Time.hours(1), Time(minutes(15)))
  .process(new TemperatureAverager)

Session Windows

即会话窗口，会话窗口分配器将元素放入大小不同的活动的非重叠窗口中。会话窗口的边界由不活动的间隙定义，在这些间隙中没有接收到任何记录。下图说明了如何将元素分配给会话窗口： 

笔者将在下面的示例中演示如何将传感器读数分组到会话窗口，其中每个会话都定义为 15 分钟的不活动时间：

// 使用基于 event-time 的 session windows assigner
val sessionWindows = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 创建具有 15 分钟间隔的基于 event-time 的会话窗口
  .window(EventTimeSessionWindows.withGap(Time.minutes(15)))
  .process(...)
// 使用基于 processing-time 的 session windows assigner
val sessionWindows = sensorData
  .keyBy(_.id)
   // 创建具有 15 分钟间隔的基于 processing-time 的会话窗口
  .window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Time.minutes(15)))
  .process(...)

由于会话窗口的开始和结束取决于接收到的元素，所以 window assigner 不能立即将所有元素分配到正确的窗口。取而代之的是，SessionWindows assigner 最初将每个传入元素映射到它自己的窗口中，以元素的时间戳作为开始时间，会话间隔作为窗口大小。随后，它将合并具有重叠范围的所有窗口。

Global Windows

全局窗口分配器将具有相同键的所有元素分配给同一单个全局窗口。仅当指定自定义 trigger 时，此窗口模式才有用。否则，将不会执行任何计算，因为全局窗口没有可以处理聚合元素的自然的结束点。

为了方便大家理解，笔者举一个例子，就拿点餐来说：

• 1. 用户登录小程序或 APP，会进行一系列点点点操作，比如点击、浏览、搜索、购买等，用户的这些操作可以被记录为用户操作的事件流，也可以理解为数据流。

• 2. 使用小程序或 APP 的用户会有很多，每个用户的操作都是独立的，没有必然的联系，各自的数据流分别分配在单独的全局窗口。

• 3. 如果该全局窗口没有指定 trigger 条件，永远不会发生计算。所以需要指定自定义的 trigger 才会执行运算。

Window 使用方式

Flink 的 DataStream API 为最常见的窗口操作提供了各种内置方法，并提供了非常灵活的窗口机制来定义自定义窗口逻辑，如下为常用的 Keyed Windows 和 Non-Keyed Windows。

我们可以将 Window 应用于分组的流中，如下所示：

stream
   .keyBy(...)
   .window(...)
  [.trigger(...)]
  [.evictor(...)]
  [.allowedLateness(...)]
  [.sideOutputLateData(...)]
   .reduce/aggregate/fold/apply()
  [.getSideOutput(...)]

也可以将 window 应用在非分组的流中，如下所示：

stream
   .windowAll(...)
  [.trigger(...)]
  [.evictor(...)]
  [.allowedLateness(...)]
  [.sideOutputLateData(...)]
   .reduce/aggregate/fold/apply()
  [.getSideOutput(...)]

大家先熟悉一下即可，里面有几个算子，笔者解释一下：

• window/windowAll

  window 方法接收的输入是一个 WindowAssigner。WindowAssigner 负责将每条输入的事件数据分发到正确的窗口中。

• trigger

  用来判断一个窗口是否需要被触发，每个 WindowAssigner 都自带一个默认的 trigger，如果默认的 trigger 不能满足需求，则可以自定义一个类，继承自 Trigger。笔者结合 Trigger 的抽象类定义，讲解具体的含义：

public abstract class Trigger<T, W extends Window> implements Serializable 
    private static final long serialVersionUID = -4104633972991191369L;
    public abstract TriggerResult onElement(T element, long timestamp, W window, TriggerContext ctx) throws Exception;
    public abstract TriggerResult onProcessingTime(long time, W window, TriggerContext ctx) throws Exception;
    public abstract TriggerResult onEventTime(long time, W window, TriggerContext ctx) throws Exception;
    public void onMerge(W window, OnMergeContext ctx) throws Exception 
        throw new UnsupportedOperationException("This trigger does not support merging.");
    
    public abstract void clear(W window, TriggerContext ctx) throws Exception;
    ...

• onElement

  每次往 window 增加一个元素的时候会触发

• onProcessingTime

  当 processing-time timer 被触发的时候会调用

• onEventTime

  当 event-time timer 被触发的时候会调用

• onMerge

  对两个 trigger 的 state 进行 merge 的时候会调用

• clear

  window 销毁的时候被调用

上面前三个会返回一个 TriggerResult enum，TriggerResult 有如下几种可能的选择：

• CONTINUE

  Window 上不做任何事情

• FIRE_AND_PURGE

  触发窗口，发送 window 结果，然后销毁窗口

• FIRE

  触发 window，发送结果

• PURGE

  清空整个 window 的元素并销毁窗口

• evictor

  主要用作一些数据的自定义操作，可以在执行用户代码之前，也可以在执行用户代码之后。笔者带大家看一下 Evictor 的接口定义：

// org.apache.flink.streaming.api.windowing.evictors.Evictor
public interface Evictor<T, W extends Window> extends Serializable 
    void evictBefore(Iterable<TimestampedValue<T>> elements, int size, W window, EvictorContext evictorContext);
    void evictAfter(Iterable<TimestampedValue<T>> elements, int size, W window, EvictorContext evictorContext);
    interface EvictorContext 
        long getCurrentProcessingTime();
        MetricGroup getMetricGroup();
        long getCurrentWatermark();
    

查看 Evictor 接口实现类时，发现 Flink 已经提供了三种的 Evictor：

• 1. CountEvictor

  保持一定数量的元素。 其实就是在窗口中保留指定数量的元素，并从窗口头部开始丢弃其余元素。

• 2. DeltaEvictor

  根据 DeltaFunction 和阈值保留元素。Eviction 从 buffer 的第一个元素开始，并从 buffer 中删除所有比阈值具有更高增量的元素。如果不好理解的话，笔者换个说法，即计算窗口中最后一个元素与其余每个元素之间的增量，丢弃那些增量大于或等于阈值的元素。

• 3. TimeEvictor

  保留窗口中最近一段时间内的元素，并丢弃其余元素。

CountEvictor 和 DeltaEvictor 其实还是很好理解的。这里笔者重点讲解一下 TimeEvictor。

为了更好地理解，除了实战外（但是笔者会在下篇文章中进行窗口方面的实战），剩下的就是直接上源码，重点看 evict 核心方法，evictBefore 和 evictAfter 都会调用 evict 方法：

public class TimeEvictor<W extends Window> implements Evictor<Object, W> 
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private final long windowSize;
    private final boolean doEvictAfter;
    public TimeEvictor(long windowSize) 
        this.windowSize = windowSize;
        this.doEvictAfter = false;
    
    public TimeEvictor(long windowSize, boolean doEvictAfter) 
        this.windowSize = windowSize;
        this.doEvictAfter = doEvictAfter;
    
    @Override
    public void evictBefore(Iterable<TimestampedValue<Object>> elements, int size, W window, EvictorContext ctx) 
        if (!doEvictAfter) 
            evict(elements, size, ctx);
        
    
    @Override
    public void evictAfter(Iterable<TimestampedValue<Object>> elements, int size, W window, EvictorContext ctx) 
        if (doEvictAfter) 
            evict(elements, size, ctx);
        
    
    private void evict(Iterable<TimestampedValue<Object>> elements, int size, EvictorContext ctx) 
        if (!hasTimestamp(elements)) 
            return;
        
        // 调用 getMaxTimestamp 方法获取当前 window 的最大时间戳
        long currentTime = getMaxTimestamp(elements);
        // 获取 evict 截断时间点
        long evictCutoff = currentTime - windowSize;
        // 获取每个元素的时间戳，并和 evict 截断时间点比较
        for (Iterator<TimestampedValue<Object>> iterator = elements.iterator(); iterator.hasNext(); ) 
            TimestampedValue<Object> record = iterator.next();
            // 当元素的时间戳小于或等于 evict 截断时间点时，则删除该元素
            if (record.getTimestamp() <= evictCutoff) 
                iterator.remove();
            
        
    
    /**
     * @param elements The elements currently in the pane.
     * @return The maximum value of timestamp among the elements.
     */
    private long getMaxTimestamp(Iterable<TimestampedValue<Object>> elements) 
        long currentTime = Long.MIN_VALUE;
        for (Iterator<TimestampedValue<Object>> iterator = elements.iterator(); iterator.hasNext();)
            TimestampedValue<Object> record = iterator.next();
            currentTime = Math.max(currentTime, record.getTimestamp());
        
        return currentTime;
    
    ...

evictor 是可选的方法，如果用户不选择，则默认没有。

Window 实现

最后，笔者会将窗口的整个实现过程梳理一遍，先看一张流传甚广的图：

上图描述了 Flink 的窗口机制以及各组件之间是如何相互工作的。估计图一眼看去，第一感觉是有点乱，不过不要着急，笔者给大家梳理清楚。

• 1. 首先看图的最上面，Input Stream 源源不断地发送数据进入 window operator。

• 2. 每一个到达的元素都会被交给 WindowAssigner。WindowAssigner 会决定元素被放到哪个或哪些 Window，可能也会创建新窗口，如图中 Window3 为数字 6 创建一个新 Window。因为一个元素可以被放入多个窗口中，所以同时存在多个窗口是可能的。注意，Window 本身可以看作是一个 ID 标识符，其内部可能存储了一些元数据，如 TimeWindow 中有开始和结束时间，但是并不会存储窗口中的元素。窗口中的元素实际存储在 Key/Value State 中，Key 为 Window，Value 为元素集合（或聚合值）。为了保证窗口的容错性，该实现依赖了 Flink 的 State 机制。

• 3. 图中的每一个窗口都拥有一个属于自己的 Trigger，Trigger 上会有定时器，用来决定一个窗口何时能够被计算或清除。每当有元素加入到该 Window，或者之前注册的定时器超时了，那么 Trigger 都会被调用。Trigger 的返回结果可以是 CONTINUE（不做任何操作）、FIRE（触发 Window，处理数据）、 PURGE（清空整个 window 的元素并销毁窗口）或者 FIREANDPURGE（触发窗口，然后销毁窗口）。

• 4. 当 Trigger 执行 FIRE 后，窗口中的元素集合就会交给 Evictor，如果没有设置 Evictor 则跳过。Evictor 主要用来根据遍历窗口中的元素列表，并决定最先进入窗口的多少个元素需要被移除。

• 5. Evictor 处理后，剩余的元素会交给用户指定的 UserFunction 进行窗口的计算。如果没有 Evictor 的话，窗口中的所有元素会一起交给 UserFunction 进行计算。

总结

关于 Window 相关的大部分内容都有提及到或进行详细的讲解，包括 Window 引入、Window 中的三个核心组件（WindowAssigner、Trigger 和 Evictor），以及 Window 使用方式和实现。后续笔者会结合具体案例进行实战，并深入理解 Window 相关知识点。

参考

• https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.9/dev/stream/operators/windows.html

• Stream Processing with Apache+Flink

• https://ververica.cn/developers/time-window