Flink 的键组 KeyGroup 与 缩放 Rescale

Posted 2022-04-08 青冬

序

参考：

Flink状态的缩放（rescale）与键组（Key Group）设计_LittleMagics的博客-CSDN博客

【Flink】Flink key 应该分配到哪个 KeyGroup 以及 KeyGroup 分配在哪个subtask_九师兄的博客-CSDN博客_flink key

总览：

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前言

在 Flink 中，有很多数据需要进行保存，而且以及集群的方式进行保存以及重现。在分布式中的保存以及回复是很难实现的。那么我们先看看 Flink 是怎么进行保存的。

State

State 是 Flink 进行状态保留，那么具体定义如下：

When it comes to stateful stream processing, state comprises of the information that an application or stream processing engine will remember across events and streams as more realtime (unbounded) and/or offline (bounded) data flow through the system.

这句话的主要意思就是，State 是流处理过程中需要记住的数据的快照，而这些数据既可以包括业务数据，也可以包括元数据（比如 各种 JDBC、Connecter）。以最常用的 RocksDB 状态后端为例子，状态数据的流动可以抽象为三层，分别是：User code、Local state backend、Persisted savepoint。

用户代码产生的状态实时地存储在本地文件中，并且随着 Checkpoint 的周期异步地同步到远端可靠的分布式文件系统中。这样皆可以保证100%的本地性，各个 Sub-Task 只需要负责自己所属的那一部分 State 的保存，不需要通过网络互相传输 State，也不需要频繁的读写 HDFS，减少网络开支。

这里主要说明的是，我们 Flink 任务通过 yarn 运行在 dataManager 上，这个节点一般也是我们 dataNode 节点，那么保存在 hdfs 上的数据，这个 dataNode 也是有的，从而实现本地化。

在 Flink 需要作业重启的时候，从 HDFS 取回状态数据到本地，即可恢复运行。

而且在 Flink 中，有两种状态： Keyed State & Operator State。前者与每个键相关联，后者与每个算子的并行实例（Sub-Task）相关联。然后主要讨论的是关于 Keyed State 的缩放。

Keyed State 缩放

在实际使用 Flink 程序的时候，我们可能会更改某些算子的并行度（可能是因为计算的太慢、可能是上游的并行度调整、可能是其他某些原因），我们都要保存当前 State，然后修改代码的并行度，再从 Savepoint 处恢复。如果没有 State的话，我们进行 并行度修改是很方便的，只需要进行数据流的重新分配就行：

但如果加上了 State，我们就必须考虑怎么进行 State 的恢复：

思考一下最开始的 Flink 分配 key 是通过 hash 取并发的余数进行（hash(key) % parallelism），然后分配到各个 SubTask 上去，但如果放缩后根据新的计算方式势必会有以下的问题：

根据对应图可以看出来，状态恢复基本就是随机读写了，这样会跨磁盘、跨网路，效率低下。并且放缩后，各个 SubTask 处理的 key 也发生了改变，降低了本地性。为了解决这个问题，FLINK-3755 对 Keyed State 专门引入了 KeyGroup & KeyGroupRange。

KeyGroup & KeyGroupRange

keyGroup

在上一章，其实我们讨论 Timer 的存储的时候，在 InternalTimeTimerManagerImpl 中提起过 KeyGroup & KeyGroupRange，我们说 KeyGroup 是 Keyed State 原子单位，而且 Flink 作业内 Key Group 的数量与 maxParallelism 相同，也就是说 keyGroup 的索引在 [ 0, maxParallelism - 1 ] 的区间范围内。 每个 subTask 都会处理一个到多个 KeyGroup，这些都会保存到 KeyGroupRange 中（subTask 中存储了 KeyGroupRange，也就是这个 subTask 需要处理哪些 keyGroupRange）：

比如上图算子A可能是通过keyed后的数据，如果我当前的 maxParallelism 是3（现实不可能），那么意味着我有3个 keyGroup，对应的A1处理一个，A2处理一个，A3处理了一个；而算子B的B1处理的是三个 KeyGroup。

KeyGroupRange

KeyGroupRange 被创建在每个 subTask 中，记录着这个 subTask 需要处理哪些数据。

查看源码结构如下：

startKeyGroup 和 endKeyGroup 实际上是指 keyGroup的索引区间，而且是闭区间。所以我们可以知道 subTask 获取数据是通过连续的一段值来进行获取的。

那么：

• 如果决定一个 key 该分配在哪个 KeyGroup 中？
• 如果决定一个 SubTask 应该处理哪些 KeyGroup？

KeyGroupRangeAssignment

那就观察观察代码，然后讲解吧。

computeDefaultMaxParallelism()

这个类以前我们也有讲到过，在计算默认最大并行度的时候，就是通过这个类的 computeDefaultMaxParallelism 计算得出：

具体规则就是 将算子的并行度*1.5后，向上取整，到2的N次幂。如果范围在 2**7 到 2**15 之间，那么就中。如果超出范围，小了就取 128，大了就取32768。

所以 Flink 生成的 maxParallelism 位于128到32768之间，如果任务特别巨大，最好手动再加一点，如果后期升级超出 maxParallelism 的话，可能会导致无法从 Savepoint 处恢复。

computeKeyGroupForKeyHash()

获取当前元素所对应的 KeyGroup

根据 Key 取 hash 值，进行 murmurHash后，对 maxParallelism 进行求余，就是对应的 KeyGroup。

客官们可就迷糊了，这还不是已经取了一次 hashcode，为什么还要取 murmurhash呢？

通过源码可以看到 computeKeyGroupForKeyHash() 被两个地方所调用，从 assignToKeyGroup() 过来时已经进行了一次hashcode取值，是直接通过 object.hash 获得；另一个是通过 KeyGroupRangePartitioner.partition() ，传入是 key，为 int。

所以强词夺理的解释可以为，传入一个 Int 后再 reHash 的结果计算并行度。

computeOperatorIndexForKeyGroup()

获取 KeyGroup 所对应的 subTaskIndex，通过 KeyGroup * 当前并行度 / 最大并行度。

比如我们一般的 maxParallelism 为128，那么 keyGroupId 为 0~127，根据公式计算：

(0~127) * parallelism / 128 = [0, parallelism)

这里的 keyGroupId 也是对 maxParallelism 取余得到的，所以一定得到的结果是 [0, parallelism) 内的整数。

(n-1) * m / n = [0, m)

但是像以往所说，我们是通过 keyGroup 和 keyGroupRange 来进行存储的，所以还有另外一个计算。

computeKeyGroupRangeForOperatorIndex()

获取 subTask 的 KeyGroupRange。

通过 maxParallelism 、 parallelism 、 operatorIndex 来计算这个 operator 对应的 keyGroupRange。

KeyGroupRange 主要的就是 start 与 end，所以计算出这两个就可以了：

start = ((operatorIndex * maxParallelism + parallelism - 1) / parallelism);

end = ((operatorIndex + 1) * maxParallelism - 1) / parallelism;

在进行注册调用的时候会进行 Operation KeyGroupRange 的计算，就会调用这个方法。

Rescale

在上述代码可以看到，我们连续的 hash 数据更可能由一个 Operator 进行使用，也更可能存储在本地上。如果我们重启 Flink 程序，并且将并发由3改成4，那么变化如下图：

可以看到，将 KeyGroup 作为 Keyed State 的基本分配单位后，我们的本地性和随机读写、网络IO等问题都得到了不同程度的解决。而且必须要注意 maxParallelism 对于一个 Flink 程序的重要性。

总结

画图：

看完了，但貌似还是心有余悸，KeyGroupRangeAssignment 确实可以用来计算并行度、KeyGroupRange什么的，但在哪些地方进行注册的，keyed State 怎么跟随的？

done, keep on.