Flink的API分层、架构与组件原理、并行度、任务执行计划、chain ...

Flink的API分层

注：越底层API越灵活，越上层的API越轻便
Stateful Stream Processing
• 位于最底层， 是core API 的底层实现
• processFunction
• 利用低阶，构建一些新的组件或者算子
• 灵活性高，但开发比较复杂
Core API
• DataSet - 批处理 API
• DataStream –流处理 API
Table API & SQL

1. • SQL 构建在Table 之上，都需要构建Table 环境
2. • 不同的类型的Table 构建不同的Table 环境
3. • Table 可以与DataStream或者DataSet进行相互转换
4. • Streaming SQL不同于存储的SQL，最终会转化为流式执行计划

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Flink架构

当 Flink 集群启动后，首先会启动一个 JobManger 和一个或多个的 TaskManager。由 Client 提交任务给 JobManager，JobManager 再调度任务到各个 TaskManager 去执行，然后 TaskManager 将心跳和统计信息汇报给 JobManager。TaskManager 之间以流的形式进行数据的传输。上述三者均为独立的 JVM 进程。
• Client 为提交 Job 的客户端，可以是运行在任何机器上（与 JobManager 环境连通即可）。提交 Job 后，Client 可以结束进程（Streaming的任务），也可以不结束并等待结果返回。
• JobManager 主要负责从 Client 处接收到 Job 和 JAR 包等资源后，会生成优化后的执行计划，并以 Task 的单元调度到各个 TaskManager 去执行。
• TaskManager 在启动的时候就设置好了槽位数（Slot），每个 slot 能启动一个 Task，Task 为线程。从 JobManager 处接收需要部署的 Task，部署启动后，与自己的上游建立 Netty 连接，接收数据并处理。
• flnik架构中的角色间的通信使用Akka，数据的传输使用Netty
Task Slot
在上图中我们介绍了 TaskManager 是一个 JVM 进程，并会以独立的线程来执行一个task或多个subtask。为了控制一个 TaskManager 能接受多少个 task，Flink 提出了 Task Slot 的概念。
Flink 中的计算资源通过 Task Slot 来定义。每个 task slot 代表了 TaskManager 的一个固定大小的资源子集。例如，一个拥有3个slot的 TaskManager，会将其管理的内存平均分成三分分给各个 slot。将资源 slot 化意味着来自不同job的task不会为了内存而竞争，而是每个task都拥有一定数量的内存储备。需要注意的是，这里不会涉及到CPU的隔离，slot目前仅仅用来隔离task的内存。
通过调整 task slot 的数量，用户可以定义task之间是如何相互隔离的。每个 TaskManager 有一个slot，也就意味着每个task运行在独立的 JVM 中。每个 TaskManager 有多个slot的话，也就是说多个task运行在同一个JVM中。而在同一个JVM进程中的task，可以共享TCP连接（基于多路复用）和心跳消息，可以减少数据的网络传输。也能共享一些数据结构，一定程度上减少了每个task的消耗。
task的并行度

通过job的webUI界面查看任务的并行度


任务执行计划

生成个json字符串然后粘贴在这里 https://flink.apache.org/visualizer/会看到任务执行图
但这并不是最终在 Flink 中运行的执行图，只是一个表示拓扑节点关系的计划图，在 Flink 中对应了 SteramGraph。另外，提交拓扑后（并发度设为2）还能在 UI 中看到另一张执行计划图，如下所示，该图对应了 Flink 中的 JobGraph。

其实Flink 中的执行图可以分成四层：StreamGraph -> JobGraph -> ExecutionGraph -> 物理执行图
• StreamGraph：是根据用户通过 Stream API 编写的代码生成的最初的图。用来表示程序的拓扑结构。
• JobGraph：StreamGraph经过优化后生成了 JobGraph，提交给 JobManager 的数据结构。主要的优化为，将多个符合条件的节点 chain 在一起作为一个节点，这样可以减少数据在节点之间流动所需要的序列化/反序列化/传输消耗。
• ExecutionGraph：JobManager 根据 JobGraph 生成ExecutionGraph。ExecutionGraph是JobGraph的并行化版本，是调度层最核心的数据结构。
• 物理执行图：JobManager 根据 ExecutionGraph 对 Job 进行调度后，在各个TaskManager 上部署 Task 后形成的“图”，并不是一个具体的数据结构。
例如上文中的2个并发度（Source为1个并发度）的 SocketTextStreamWordCount 四层执行图的演变过程如下图所示：


那么 Flink 为什么要设计这4张图呢，其目的是什么呢？Spark 中也有多张图，数据依赖图以及物理执行的DAG。其目的都是一样的，就是解耦，每张图各司其职，每张图对应了 Job 不同的阶段，更方便做该阶段的事情。我们给出更完整的 Flink Graph 的层次图。

首先我们看到，JobGraph 之上除了 StreamGraph 还有 OptimizedPlan。OptimizedPlan 是由 Batch API 转换而来的。StreamGraph 是由 Stream API 转换而来的。为什么 API 不直接转换成 JobGraph？因为，Batch 和 Stream 的图结构和优化方法有很大的区别，比如 Batch 有很多执行前的预分析用来优化图的执行，而这种优化并不普适于 Stream，所以通过 OptimizedPlan 来做 Batch 的优化会更方便和清晰，也不会影响 Stream。JobGraph 的责任就是统一 Batch 和 Stream 的图，用来描述清楚一个拓扑图的结构，并且做了 chaining 的优化，chaining 是普适于 Batch 和 Stream 的，所以在这一层做掉。ExecutionGraph 的责任是方便调度和各个 tasks 状态的监控和跟踪，所以 ExecutionGraph 是并行化的 JobGraph。而“物理执行图”就是最终分布式在各个机器上运行着的tasks了。所以可以看到，这种解耦方式极大地方便了我们在各个层所做的工作，各个层之间是相互隔离的。
8.Operator Chains
为了更高效地分布式执行，Flink会尽可能地将operator的subtask链接（chain）在一起形成task。每个task在一个线程中执行。将operators链接成task是非常有效的优化：它能减少线程之间的切换，减少消息的序列化/反序列化，减少数据在缓冲区的交换，减少了延迟的同时提高整体的吞吐量。
我们仍以上面的 WordCount 为例，下面这幅图，展示了Source并行度为1，FlatMap、KeyAggregation、Sink并行度均为2，最终以5个并行的线程来执行的优化过程。

上图中将KeyAggregation和Sink两个operator进行了合并，因为这两个合并后并不会改变整体的拓扑结构。但是，并不是任意两个 operator 就能 chain 一起的。其条件还是很苛刻的：
1. 上下游的并行度一致
2. 下游节点的入度为1 （也就是说下游节点没有来自其他节点的输入）
3. 上下游节点都在同一个 slot group 中（下面会解释 slot group）

1. 4. 下游节点的 chain 策略为 ALWAYS（可以与上下游链接，map、flatmap、filter等默认是ALWAYS）
2. 5. 上游节点的 chain 策略为 ALWAYS 或 HEAD（只能与下游链接，不能与上游链接，Source默认是HEAD）
3. 6. 
5. 7. 上下游算子之间没有数据shuffle (数据分区方式是 forward)
6. 8. 用户没有禁用 chain

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Operator chain的行为可以通过编程API中进行指定。可以通过在DataStream的operator后面（如someStream.map(..))调用startNewChain()来指示从该operator开始一个新的chain（与前面截断，不会被chain到前面）。或者调用disableChaining()来指示该operator不参与chaining（不会与前后的operator chain一起）。在底层，这两个方法都是通过调整operator的 chain 策略（HEAD、NEVER）来实现的。另外，也可以通过调用StreamExecutionEnvironment.disableOperatorChaining()来全局禁用chaining。
代码验证：
• operator禁用chaining

1. • 全局禁用chaining

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1. • 查看job的graph图

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OperatorChain的优缺点：
那么 Flink 是如何将多个 operators chain在一起的呢？chain在一起的operators是如何作为一个整体被执行的呢？它们之间的数据流又是如何避免了序列化/反序列化以及网络传输的呢？下图展示了operators chain的内部实现：

如上图所示，Flink内部是通过OperatorChain这个类来将多个operator链在一起形成一个新的operator。OperatorChain形成的框框就像一个黑盒，Flink 无需知道黑盒中有多少个ChainOperator、数据在chain内部是怎么流动的，只需要将input数据交给 HeadOperator 就可以了，这就使得OperatorChain在行为上与普通的operator无差别，上面的OperaotrChain就可以看做是一个入度为1，出度为2的operator。所以在实现中，对外可见的只有HeadOperator，以及与外部连通的实线输出，这些输出对应了JobGraph中的JobEdge，在底层通过RecordWriterOutput来实现。另外，框中的虚线是operator chain内部的数据流，这个流内的数据不会经过序列化/反序列化、网络传输，而是直接将消息对象传递给下游的 ChainOperator 处理，这是性能提升的关键点，在底层是通过 ChainingOutput 实现的
OperatorChain的优点总结：
•  减少线程切换
•  减少序列化与反序列化
•  减少数据在缓冲区的交换
•  减少延迟并且提高吞吐能力
OperatorChain的缺点总结：
• 可能会让N个比较复杂的业务跑在一个slot中，本来一个业务就慢，这发生这种情况就更慢了，所以可以通过startNewChain()/disableChaining()或全局禁用disableOperatorChaining()给分开
SlotSharingGroup 与 CoLocationGroup
每一个 TaskManager 会拥有一个或多个的 task slot，每个 slot 都能跑由多个连续 task 组成的一个 pipeline，比如 MapFunction 的第n个并行实例和 ReduceFunction 的第n个并行实例可以组成一个 pipeline。
如上文所述的 WordCount 例子，5个Task没有solt共享的时候在TaskManager的slots中如下图分布，2个TaskManager，每个有3个slot：

默认情况下，Flink 允许subtasks共享slot，条件是它们都来自同一个Job的不同task的subtask。结果可能一个slot持有该job的整个pipeline。允许slot共享有以下两点好处：
1. Flink 集群所需的task slots数与job中最高的并行度一致。
2. 更容易获得更充分的资源利用。如果没有slot共享，那么非密集型操作source/flatmap就会占用同密集型操作 keyAggregation/sink 一样多的资源。如果有slot共享，将基线的2个并行度增加到6个，能充分利用slot资源，同时保证每个TaskManager能平均分配到相同数量的subtasks。

我们将 WordCount 的并行度从之前的2个增加到6个（Source并行度仍为1），并开启slot共享（所有operator都在default共享组），将得到如上图所示的slot分布图。该任务最终会占用6个slots（最高并行度为6）。其次，我们可以看到密集型操作 keyAggregation/sink 被平均地分配到各个 TaskManager。
SlotSharingGroup：
• SlotSharingGroup是Flink中用来实现slot共享的类，它尽可能地让subtasks共享一个slot。
• 保证同一个group的并行度相同的sub-tasks 共享同一个slots
• 算子的默认group为default（即默认一个job下的subtask都可以共享一个slot）
• 为了防止不合理的共享，用户也能通过API来强制指定operator的共享组，比如：someStream.filter(...).slotSharingGroup("group1");就强制指定了filter的slot共享组为group1。

1. • 怎么确定一个未做SlotSharingGroup设置的算子的Group是什么呢（根据上游算子的 group 和自身是否设置group共同确定）
2. • 适当设置可以减少每个slot运行的线程数，从而整体上减少机器的负载

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CoLocationGroup(强制)：
• 保证所有的并行度相同的sub-tasks运行在同一个slot
• 主要用于迭代流(训练机器学习模型)
代码验证：
• 设置本地开发环境tm的slot数量

1. • 设置最后的operator使用新的group

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1. • 由于不和前面的operator在一个group，无法进行slot的共享，所以最后的operator占用了其它slot

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1. • 为什么占用了两个呢？
2.         ○ 因为不同组，与上面的default不能共享slot，组间互斥
3.         ○ 同组中的同一个operator的subtask不能在一个slot中，由于operator的并行度是2，所以占用了两个槽位，subtask组内互斥

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原理与实现
那么多个tasks（或者说operators）是如何共享slot的呢？
关于Flink调度，有两个非常重要的原则我们必须知道：
1. 同一个operator的各个subtask是不能呆在同一个SharedSlot中的，例如FlatMap[1]和FlatMap[2]是不能在同一个SharedSlot中的。
2. Flink是按照拓扑顺序从Source一个个调度到Sink的。例如WordCount（Source并行度为1，其他并行度为2），那么调度的顺序依次是：Source -> FlatMap[1] -> FlatMap[2] -> KeyAgg->Sink[1] -> KeyAgg->Sink[2]。假设现在有2个TaskManager，每个只有1个slot（为简化问题），那么分配slot的过程如图所示：

注：图中 SharedSlot 与 SimpleSlot 后带的括号中的数字代表槽位号（slotNumber）
1. 为Source分配slot。首先，我们从TaskManager1中分配出一个SharedSlot。并从SharedSlot中为Source分配出一个SimpleSlot。如上图中的①和②。
2. 为FlatMap[1]分配slot。目前已经有一个SharedSlot，则从该SharedSlot中分配出一个SimpleSlot用来部署FlatMap[1]。如上图中的③。
3. 为FlatMap[2]分配slot。由于TaskManager1的SharedSlot中已经有同operator的FlatMap[1]了，我们只能分配到其他SharedSlot中去。从TaskManager2中分配出一个SharedSlot，并从该SharedSlot中为FlatMap[2]分配出一个SimpleSlot。如上图的④和⑤。
4. 为Key->Sink[1]分配slot。目前两个SharedSlot都符合条件，从TaskManager1的SharedSlot中分配出一个SimpleSlot用来部署Key->Sink[1]。如上图中的⑥。
5. 为Key->Sink[2]分配slot。TaskManager1的SharedSlot中已经有同operator的Key->Sink[1]了，则只能选择另一个SharedSlot中分配出一个SimpleSlot用来部署Key->Sink[2]。如上图中的⑦。
最后Source、FlatMap[1]、Key->Sink[1]这些subtask都会部署到TaskManager1的唯一一个slot中，并启动对应的线程。FlatMap[2]、Key->Sink[2]这些subtask都会被部署到TaskManager2的唯一一个slot中，并启动对应的线程。从而实现了slot共享。
Flink中计算资源的相关概念以及原理实现。最核心的是 Task Slot，每个slot能运行一个或多个task。为了拓扑更高效地运行，Flink提出了Chaining，尽可能地将operators chain在一起作为一个task来处理。为了资源更充分的利用，Flink又提出了SlotSharingGroup，尽可能地让多个task共享一个slot。
如何计算一个应用需要多少slot
• 不设置SlotSharingGroup，就是不设置新的组大家都为default组。(应用的最大并行度)
• 设置SlotSharingGroup ，就是设置了新的组，比如下图有两个组default和test组(所有SlotSharingGroup中的最大并行度之和)

由于source和map之后的operator不属于同一个group，所以source和它们不能在一个solt中运行，而这里的source的default组的并行度是10，test组的并行度是20，所以所需槽位一共是30

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