FLINK重点原理与机制：内存网络流控及反压机制剖析

Posted 2021-08-27 秋华

3 Flink TCP-based反压机制（before V1.5）

3.1. 示例：WindowWordCount

 

 

大体的逻辑就是从 Socket 里去接收数据，每 5s 去进行一次 WordCount，将这个代码提交后就进入到了编译阶段。

3.2. 编译阶段：生成 JobGraph

 

 

这时候还没有向集群去提交任务，在 Client 端会将 StreamGraph 生成 JobGraph，JobGraph 就是做为向集群提交的最基本的单元。在生成 JobGrap 的时候会做一些优化，将一些没有 Shuffle 机制的节点进行合并。有了 JobGraph 后就会向集群进行提交，进入运行阶段。

3.3. 运行阶段：调度 ExecutionGraph

 

 

 

 

JobGraph 提交到集群后会生成 ExecutionGraph ，这时候就已经具备基本的执行任务的雏形了，把每个任务拆解成了不同的 SubTask，上图 ExecutionGraph 中的 Intermediate Result Partition 就是用于发送数据的模块，最终会将 ExecutionGraph 交给 JobManager 的调度器，将整个 ExecutionGraph 调度起来。

 

然后我们概念化这样一张物理执行图，可以看到每个 Task 在接收数据时都会通过这样一个 InputGate 可以认为是负责接收数据的，再往前有这样一个 ResultPartition 负责发送数据，在 ResultPartition 又会去做分区跟下游的 Task 保持一致，就形成了 ResultSubPartition 和 InputChannel 的对应关系。这就是从逻辑层上来看的网络传输的通道，基于这么一个概念我们可以将反压的问题进行拆解。

3.4. 问题拆解：反压传播两个阶段

 

 

反压的传播实际上是分为两个阶段的，对应着上面的执行图，我们一共涉及 3 个 TaskManager，在每个 TaskManager 里面都有相应的 Task 在执行，还有负责接收数据的 InputGate，发送数据的 ResultPartition，这就是一个最基本的数据传输的通道。在这时候假设最下游的 Task （Sink）出现了问题，处理速度降了下来这时候是如何将这个压力反向传播回去呢？这时候就分为两种情况：

 

• 跨 TaskManager ，反压如何从 InputGate 传播到 ResultPartition。

• TaskManager 内，反压如何从 ResultPartition 传播到 InputGate。

3.5. 跨 TaskManager 数据传输

 

 

前面提到，发送数据需要 ResultPartition，在每个 ResultPartition 里面会有分区 ResultSubPartition，中间还会有一些关于内存管理的 Buffer。对于一个 TaskManager 来说会有一个统一的 Network BufferPool 被所有的 Task 共享，在初始化时会从 Off-heap Memory 中申请内存，申请到内存的后续内存管理就是同步 Network BufferPool 来进行的，不需要依赖 JVM GC 的机制去释放。有了 Network BufferPool 之后可以为每一个 ResultSubPartition 创建 Local BufferPool 。

 

如上图左边的 TaskManager 的 Record Writer 写了 <1，2> 这个两个数据进来，因为 ResultSubPartition 初始化的时候为空，没有 Buffer 用来接收，就会向 Local BufferPool 申请内存，这时 Local BufferPool 也没有足够的内存于是将请求转到 Network BufferPool，最终将申请到的 Buffer 按原链路返还给 ResultSubPartition，<1，2> 这个两个数据就可以被写入了。

 

之后会将 ResultSubPartition 的 Buffer 拷贝到 Netty 的 Buffer 当中最终拷贝到 Socket 的 Buffer 将消息发送出去。然后接收端按照类似的机制去处理将消息消费掉。接下来我们来模拟上下游处理速度不匹配的场景，发送端的速率为 2，接收端的速率为 1，看一下反压的过程是怎样的。

 

3.6. 跨 TaskManager 反压过程

 

 因为速度不匹配就会导致一段时间后 InputChannel 的 Buffer 被用尽，于是他会向 Local BufferPool 申请新的 Buffer ，这时候可以看到 Local BufferPool 中的一个 Buffer 就会被标记为 Used。

 

 发送端还在持续以不匹配的速度发送数据，然后就会导致 InputChannel 向 Local BufferPool 申请 Buffer 的时候发现没有可用的 Buffer 了，这时候就只能向 Network BufferPool 去申请，当然每个 Local BufferPool 都有最大的可用的 Buffer，防止一个 Local BufferPool 把 Network BufferPool 耗尽。这时候看到 Network BufferPool 还是有可用的 Buffer 可以向其申请。

 

 一段时间后，发现 Network BufferPool 没有可用的 Buffer，或是 Local BufferPool 的最大可用 Buffer 到了上限无法向 Network BufferPool 申请，没有办法去读取新的数据，这时 Netty AutoRead 就会被禁掉，Netty 就不会从 Socket 的 Buffer 中读取数据了。

 

 显然，再过不久 Socket 的 Buffer 也被用尽，这时就会将 Window = 0 发送给发送端（前文提到的 TCP 滑动窗口的机制）。这时发送端的 Socket 就会停止发送。

 

 很快发送端的 Socket 的 Buffer 也被用尽，Netty 检测到 Socket 无法写了之后就会停止向 Socket 写数据。

 

 Netty 停止写了之后，所有的数据就会阻塞在 Netty 的 Buffer 当中了，但是 Netty 的 Buffer 是无界的，可以通过 Netty 的水位机制中的 high watermark 控制他的上界。当超过了 high watermark，Netty 就会将其 channel 置为不可写，ResultSubPartition 在写之前都会检测 Netty 是否可写，发现不可写就会停止向 Netty 写数据。

 

 这时候所有的压力都来到了 ResultSubPartition，和接收端一样他会不断的向 Local BufferPool 和 Network BufferPool 申请内存。

 

 

7. TaskManager 内反压过程

 

了解了跨 TaskManager 反压过程后再来看 TaskManager 内反压过程就更好理解了，下游的 TaskManager 反压导致本 TaskManager 的 ResultSubPartition 无法继续写入数据，于是 Record Writer 的写也被阻塞住了，因为 Operator 需要有输入才能有计算后的输出，输入跟输出都是在同一线程执行， Record Writer 阻塞了，Record Reader 也停止从 InputChannel 读数据，这时上游的 TaskManager 还在不断地发送数据，最终将这个 TaskManager 的 Buffer 耗尽。具体流程可以参考下图，这就是 TaskManager 内的反压过程。