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Flink之状态编程

丁D
学无止境
2023-06-20 17:45
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摘要本文将从状态的概念入手，详细介绍 Flink 中的状态分类、状态的使用、持久化及状态后端的配置。

### 一、Flink状态概念
Flink的处理机制核心：有状态的流式计算，那么什么是有状态，什么是无状态呢？

在流式处理中，数据是连续不断的到来和处理的，每个任务在计算的时候，可以基于当前数据直接转换就能得到结果如map，filter（无状态），
也可以是依赖上一个数据才能得到结果，这个时候我们就需要将上一个结果记录下来如sum（有状态）。

下面的几个场景都需要使用流处理的状态功能：
    1、数据流中的数据有重复，我们想对重复数据去重，需要记录哪些数据已经流入过应用，当新数据流入时，根据已流入过的数据来判断去重。
    2、检查输入流是否符合某个特定的模式，需要将之前流入的元素以状态的形式缓存下来。比如，判断一个温度传感器数据流中的温度是否在持续上升。
    3、对一个时间窗口内的数据进行聚合分析，分析一个小时内某项指标的75分位或99分位的数值。

![](/upload/flink_state.png)

有状态的算子处理流程如下：
1、接收到上游数据
2、通过上下文获取当前状态
3、根据业务逻辑计算，更新状态
4、将处理结果输出给下游

Flink的算子任务，可以设置并行度，从而在不同的slot运行多个实例，我们把这个实例叫成“并行子任务”或者“算子子任务”。

### 二、状态分类
1、**托管状态（推荐）：**由flink统一管理 存储、故障恢复、重组等
2、**原始状态：** 需要我们自定义，一般不用除非托管搞不定

重点介绍托管状态
我们知道 Flink一个算子任务，可以分为多个并行子任务，分配在不同的任务槽（task slot）中运行，而这些slot的计算资源是物理隔离的，
所以flink管理的的状态是在不同的并行子任务是无法共享的，基于这个想法我们可以将状态分为 算子状态和按键状态

**算子状态：**状态的作用在一个并行子任务，也就是一个算子子任务，所有这个子任务处理的数据共享一个状态
**按键状态：**我们的流可以根据keyby进行分组成keyedStream，这个时候同一个key共享一个状态

值得注意的是无论是keyed state还是operator state，他们都是在本地实例上进行维护的，也就是说每一个并行子任务维护着对应的状态
算子子任务之间的状态并不能共享。

算子状态的实际应用场景不如 Keyed State 多，一般用在 Source 或 Sink 等与外部系统连接的算子上，或者完全没有 key 定义的场景。比如 Flink 的 Kafka 连接器中，就用到了算子状态。在我们给 Source 算子设置并行度后，Kafka 消费者的每一个并行实例，都会为对应的主题（topic）分区维护一个偏移量， 作为算子状态保存起来。这在保证 Flink 应用“精确一次”（exactly-once）状态一致性时非常有用。

### 三、状态数据结构

按键状态数据结构分为5种：
**1、值状态（ValueState）**
**2、列表状态（ListState）**
**3、映射状态（MapState）**
**4、归约状态（ReducingState）**
**5、聚合状态（AggregatingState）**

算子状态数据结构分为3种
**1、列表状态（ListState）**
**2、联合列表状态（UnionListState）**
**3、广播状态（BroadcastState）：** 有时我们希望算子并行子任务都保持同一份“全局”状态，用来做统一的配置和规则设定。这时所有分区的所有数据都会访问到同一个状态，状态就像被“广播”到所有分区一样，这种特殊的算子状态，就叫作广播状态（BroadcastState）。

状态的注册，主要是通过“状态描述器”（StateDescriptor）来实现的。状态描述器中最重要的内容，就是状态的名称（name）和类型（type）。
```
public void open(Configuration parameters) throws Exception {
  lastTemperatureValueState = getRuntimeContext()
      .getState(new ValueStateDescriptor("last-temp", Double.class));
}
```
一般来说我们在生命周期方法.open()中获取状态对象。但这个变量不应该在 open 中声明——应该在外面直接把它定义为类的属性，
这样就可以在不同的方法中通用了。而在外部又不能直接获取状态，因为编译时是无法拿到运行时上下文的。
所以最终的解决方案就变成了：在外部声明状态对象，在 open 生命周期方法中通过运行时上下文获取状态。

### 四、状态具体使用demo
```
import dto.SensorReadingDTO;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.RichFlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple3;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.util.Collector;
import util.DateUtil;

//如果传感器的温度差大于10度就预警
//使用状态记录上一次的状态
public class Status_1_KeyedState {

public static void main(String[] args) throws Exception {

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment
        .getExecutionEnvironment();
    env.setParallelism(1);

DataStreamSource<String> streamSource = env.socketTextStream("127.0.0.1", 10008);

DataStream<SensorReadingDTO> dataStream = streamSource
        .map(new MapFunction<String, SensorReadingDTO>() {
          @Override
          public SensorReadingDTO map(String input) throws Exception {
            if (StringUtils.isNotBlank(input)) {
              String[] infoArray = input.split(",");
              SensorReadingDTO sensorReadingDTO = new SensorReadingDTO();
              sensorReadingDTO.setId(infoArray[0]);
              sensorReadingDTO.setTimestamp(Long.valueOf(infoArray[1]) * 1000);
              sensorReadingDTO.setTemperature(Double.valueOf(infoArray[2]));
              sensorReadingDTO.setTimestampStr(DateUtil.format(sensorReadingDTO.getTimestamp()));
              return sensorReadingDTO;
            }
            return null;
          }
        });
    //使用flatMap  可以输出0,1个或多个，没有超过10度的，就不要输出
    //但是使用map  只能输入1个，必须输出一个，所以不符合
    DataStream<Tuple3<String,Double,Double>> checkDataStream = dataStream.keyBy(SensorReadingDTO::getId)
        .flatMap(new MyMapper(Double.valueOf(10)));
    checkDataStream.print();
    env.execute();
  }

public static class MyMapper extends RichFlatMapFunction<SensorReadingDTO, Tuple3<String,Double,Double>> {

private ValueState<Double> lastTemperatureValueState;
    private final Double threshold;

public MyMapper(Double threshold) {
      this.threshold = threshold;
    }

@Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
      lastTemperatureValueState = getRuntimeContext()
          .getState(new ValueStateDescriptor("last-temp", Double.class));
    }

@Override
    public void close() throws Exception {
      //释放
      lastTemperatureValueState.clear();
    }

@Override
    public void flatMap(SensorReadingDTO sensorReadingDTO, Collector<Tuple3<String,Double,Double>> out) throws Exception {
      //第一次 为空记录当前温度
      Double lastTemp = lastTemperatureValueState.value();
      Double curTemp = sensorReadingDTO.getTemperature();

// 如果不为空，判断是否温差超过阈值，超过则报警
      if (lastTemp != null) {
        if (Math.abs(curTemp - lastTemp) >= threshold) {
          out.collect(new Tuple3<>(sensorReadingDTO.getId(), lastTemp, curTemp));
        }
      }
      // 更新保存的"上一次温度"
      lastTemperatureValueState.update(curTemp);
    }
  }
}
```

### 五、状态后端
**1、MemoryStateBackend**
  内存级的状态后端，会将键控状态作为内存中的对象进行管理，将它们存储在TaskManager的JVM堆上，而将checkpoint存储在JobManager的内存中
  特点：快速、低延迟，但不稳定
**2、FsStateBackend**（默认）
  将checkpoint存到远程的持久化文件系统（FileSystem）上，而对于本地状态，跟MemoryStateBackend一样，也会存在TaskManager的JVM堆上
  同时拥有内存级的本地访问速度，和更好的容错保证
**3、RocksDBStateBackend**
  将所有状态序列化后，存入本地的RocksDB中存储

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