导语
在大数据处理领域,流处理和批处理是两种主要的处理方式。然而,传统的体系通常将这两者视为独立的任务,需要不同的工具和框架来处理。Apache Flink是一个开源的流处理框架,它打破了这种界限,提供了一个统一的平台来处理实时流数据和批处理数据。
一、根本概念与架构
Apache Flink 的根本概念与架构主要包括以下几个核心构成部分:
根本概念
1.流处理模子:
- 无界流 (Unbounded Streams): 数据流理论上没有终点,持续不停地流入体系。Flink 会一连地处理这些变乱,即使在处理过程中新的数据还在不停到来。
- 有界流 (Bounded Streams): 数据流有一个明确的出发点和终点,处理完所有数据后任务即结束。Flink 可以像处理流一样处理批数据,采用雷同的 API 并提供高效执行。
2.时间语义:
- Event Time: 每个变乱都有一个原始发生的时间戳,这对于窗口操纵至关重要,特殊是在乱序变乱处理中。
- Processing Time: 处理变乱时机器的当前时间,是最简单的处理时间语义。
- Ingestion Time: 变乱被数据源吸收到的时间。
3.状态管理:
- Flink 答应用户在算子(operator)内部保持状态,这样就可以实现复杂的有状态盘算,如滑动窗口、键值对状态聚合等。
- Flink 利用 checkpoint 机制来实现容错,定期将状态长期化到可靠的存储介质上,以便在出现故障时可以或许恢复状态并继续处理。
4.窗口(Windowing):
- 窗口是流处理中用来对一连数据流举行切片和聚合的抽象概念
架构概览
Flink 的架构包含以下几个关键组件:
1.Runtime Environment:
- JobManager(或称为 Master)负责整个应用的执行计划管理和协调。
- TaskManager(或称为 Worker)是执行实际数据处理任务的历程,每个 TaskManager 可以启动多个并发任务槽(slots)。
2.DataStream API:
- 用户通过编写 DataStream API 代码来界说数据流的处理逻辑。
3.Execution Graph:
- Flink 将用户的程序转化为可执行的逻辑图(logical graph),进一步优化为物理执行图(physical execution graph)。这个图中包含了所有的算子节点和数据流边。
示例代码
下面是一个简化的 Flink DataStream API 示例,展示了读取 Kafka 数据源并对数据做简单计数的例子:
- import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
- import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
- import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
- import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
- import org.apache.flink.streaming.connectors.kafka.FlinkKafkaConsumer;
- public class SimpleFlinkJob {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建执行环境
- final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- // 设置 Kafka 消费者参数
- Properties kafkaProps = new Properties();
- kafkaProps.setProperty("bootstrap.servers", "localhost:9092");
- kafkaProps.setProperty("group.id", "testGroup");
- // 创建 Kafka 数据源
- FlinkKafkaConsumer<String> kafkaSource = new FlinkKafkaConsumer<>("input-topic", new SimpleStringSchema(), kafkaProps);
- // 从 Kafka 中读取数据流
- DataStream<String> stream = env.addSource(kafkaSource);
- // 定义数据转换操作,这里是对字符串计数
- DataStream<Tuple2<String, Integer>> counts = stream
- .map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
- @Override
- public Tuple2<String, Integer> map(String value) {
- return new Tuple2<>(value, 1);
- }
- })
- .keyBy(0)
- .sum(1);
- // 打印输出结果
- counts.print().setParallelism(1);
- // 执行任务
- env.execute("Simple Flink Job");
- }
- }
复制代码 在这个示例中:
- StreamExecutionEnvironment 表示 Flink 的运行时环境。
- FlinkKafkaConsumer 是一个从 Kafka 获取数据流的 Source 算子。
- map 函数实现了将每条记载映射为一个包含字符串和计数值的元组。
- keyBy 对数据举行分区,按照 key 举行分组。
- sum 在每个分组上累加计数值。
- 最后调用 execute 方法提交任务到集群执行。
二、部署与集群管理
Apache Flink 的部署与集群管理涉及多个层面,从单机模式、Standalone 模式到在 YARN、Mesos、Kubernetes 等资源管理框架上的部署。以下将重点介绍在 Standalone 模式和 Kubernetes 上部署 Flink 的根本步调,但请注意,由于运维性质的内容通常不涉及代码示例,因此此处不会提供详细代码,而是提供详细的操纵流程引导。
1. Standalone 模式部署 Flink 集群
在 Standalone 模式下,你需要手动启动 JobManager 和 TaskManager。以下是根本步调:
a. 下载并解压 Flink 发布包
从 Apache Flink 官方网站下载对应版本的二进制发布包,解压到目标目录。
- wget https://www.apache.org/dyn/closer.lua/flink/flink-<version>/flink-<version>-bin-scala_<scala_version>.tgz
- tar -zxvf flink-<version>-bin-scala_<scala_version>.tgz
- cd flink-<version>
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b. 启动 JobManager
修改 conf/flink-conf.yaml 文件以配置集群参数,然后启动 JobManager:
c. 启动 TaskManagers
在另一台或多台机器上重复步调 a 和 b,然后启动 TaskManager,指向 JobManager 的地址:
- ./bin/taskmanager.sh start --host <taskmanager-hostname> --jobmanager rpc://<jobmanager-hostname>:<rpc-port>
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2. 在 Kubernetes 上部署 Flink 集群
在 Kubernetes 上部署 Flink 需要创建相应的 Deployment 和 Service 资源。以下是一个简化的部署过程概述:
a. 准备 Kubernetes 配置
根据官方文档或社区的最佳实践,准备 flink-conf.yaml、jobmanager-deployment.yaml、taskmanager-deployment.yaml 等资源配置文件。这些文件将界说 JobManager 和 TaskManager 的 Pod 规模、镜像、端口映射等信息。
b. 部署 JobManager
利用 kubectl 应用配置文件来部署 JobManager:
- kubectl apply -f jobmanager-deployment.yaml
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c. 部署 TaskManager
同样,部署 TaskManager 到 Kubernetes 集群:
- kubectl apply -f taskmanager-deployment.yaml
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d. 创建 Kubernetes 服务
为了使 JobManager 可以或许暴露给外部访问大概使得 TaskManager 能找到 JobManager,通常需要创建 Kubernetes 服务:
- kubectl apply -f jobmanager-service.yaml
复制代码 注意事项
- 配置文件 flink-conf.yaml 中应包含有关 Flink 集群本身的配置项,比方并行度、checkpoint 存储、网络通讯配置等。
- 在实际生产环境中,还需考虑长期化存储、安全认证、日记网络等问题。
- 当前 Flink 版本可能已经提供 Helm Chart,可以直接利用 Helm 工具来安装和管理 Flink 集群。
三、算子与操纵符
Apache Flink 提供了丰富的算子(operators)和操纵符,用于构建复杂的流处理和批处理应用。以下是一些常用的算子举例和说明:
1. 转换算子(Transformation Operators)
a. Map 算子
作用:对数据流中的每个元素应用一个函数,产生一个新的数据流。
- // Java API 示例
- DataStream<String> words = ...;
- DataStream<Integer> wordLengths = words.map(new MapFunction<String, Integer>() {
- @Override
- public Integer map(String value) {
- return value.length();
- }
- });
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b. Filter 算子
作用:根据提供的条件过滤出数据流中的元素。
- // Java API 示例
- DataStream<String> filteredWords = words.filter(new FilterFunction<String>() {
- @Override
- public boolean filter(String value) {
- return value.length() > 5;
- }
- });
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c. KeyBy 算子
作用:对数据流举行分区,确保具有雷同键的元素发送到同一个并行任务中。
- // Java API 示例
- DataStream<Tuple2<String, Integer>> keyedWords = words.keyBy(0); // 假设数据流元素为 Tuple2<String, SomeType>
- // 或者基于 lambda 表达式
- DataStream<String> keyedWordsByLength = words.keyBy(word -> word.length());
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d. Window 算子
作用:将数据流分别为有限巨细的窗口,并对窗口内的数据举行聚合或其他操纵。
- // Java API 示例,对数据流按 event time 进行滑动窗口处理
- DataStream<Tuple2<String, Integer>> windowedCounts = words
- .keyBy(0)
- .timeWindow(Time.seconds(10)) // 10 秒滑动窗口
- .sum(1); // 对第二个字段求和
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2. 毗连与归并算子(Join and Co-group Operators)
a. Join 算子
作用:毗连两个数据流,基于指定的键举行内毗连、外毗连等操纵。
- // Java API 示例
- DataStream<String> stream1 = ...;
- DataStream<String> stream2 = ...;
- DataStream<Tuple2<String, Tuple2<String, String>>> joinedStreams = stream1
- .join(stream2)
- .where(value -> value.length()) // 指定第一个流的 join key
- .equalTo(value -> value.length()) // 指定第二个流的 join key
- .apply(new JoinFunction<String, String, Tuple2<String, String>>() {
- @Override
- public Tuple2<String, String> join(String first, String second) {
- return new Tuple2<>(first, second);
- }
- });
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b. Union 算子
作用:将两个数据流归并为一个。
- DataStream<String> streamA = ...;
- DataStream<String> streamB = ...;
- DataStream<String> combinedStream = streamA.union(streamB);
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四、表与 SQL API
Apache Flink 的 Table API 和 SQL 是一种声明式的编程接口,答应用户以雷同于关系数据库的方式处理无界和有界数据流。这两种接口相互补充,可以无缝结合在一起利用,简化了数据处理逻辑的编写。
1. 表 API 示例
首先,我们需要创建一个 TableEnvironment,这将是执行 Table API 操纵的上下文。
- // 创建 BatchTableEnvironment 或 StreamTableEnvironment
- import org.apache.flink.table.api.EnvironmentSettings;
- import org.apache.flink.table.api.TableEnvironment;
- EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.newInstance()
- .useBlinkPlanner()
- .inBatchMode() // 如果是批处理模式,改为 inStreamingMode() 以支持流处理
- .build();
- TableEnvironment tableEnv = TableEnvironment.create(settings);
复制代码 接下来,可以将 DataStream 或 DataSet 转换为 Table,然后利用 Table API 举行操纵。
- // 假设我们有一个 DataStream
- DataStream<Tuple2<String, Integer>> dataStream = ...
- // 将 DataStream 转换为 Table
- tableEnv.createTemporaryView("MyTable", dataStream, $("word"), $("count"));
- // 使用 Table API 进行操作
- Table result = tableEnv.sqlQuery(
- "SELECT word, COUNT(count) as word_count FROM MyTable GROUP BY word"
- );
- // 将 Table 转换回 DataStream 或 DataSet
- DataStream<Row> resultSetAsDataStream = tableEnv.toAppendStream(result, Row.class);
复制代码
2. SQL 示例
Flink SQL 语法与标准 SQL 相似,可用于查询 Table API 创建的表。
- // 创建表
- tableEnv.executeSql(
- "CREATE TABLE MyTable (" +
- " word STRING," +
- " count INT" +
- ") WITH (" +
- " 'connector' = 'kafka', " + // 假设我们从 Kafka 中读取数据
- " 'topic' = 'myTopic', " +
- " 'properties.bootstrap.servers' = 'localhost:9092'" +
- ")"
- );
- // 执行 SQL 查询
- tableEnv.executeSql(
- "SELECT word, COUNT(count) as word_count " +
- "FROM MyTable " +
- "GROUP BY word"
- ).print(); // 输出结果到控制台
- // 或者将查询结果转换为 DataStream 或 DataSet
- tableEnv.executeSql("...").toRetractStream(row -> row.getField(0), Types.STRING); // 对于可变结果
- tableEnv.executeSql("...").toChangelogStream(); // 对于 changelog 结果
复制代码 详细讲解
- Table API 答应用户利用类方法的形式操纵表格布局的数据,比方 .select(), .filter(), .groupBy() 等,这种方式非常直观且易于理解。
- SQL 提供了一种熟悉的查询语言,可以方便地举行复杂查询和聚合操纵。SQL 查询可以直接应用于 Flink 中的表,无论这些表是由数据流或静态数据源创建的。
- Table API 和 SQL 的融合:两种接口可以混淆利用,可以在 Table API 中嵌入 SQL 查询,也可以在 SQL 中引用通过 Table API 创建的表。
- 统一的语义:无论是处理流数据还是批数据,Flink 的 Table API 和 SQL 都依照雷同的语义,使得同一份代码可以在不同的执行模式下运行。
- 动态表(Dynamic Tables):在流处理模式下,表可以被视为动态表,它会随时间变化,支持更新和删除操纵,这种特性使得 Flink 可以或许处理真正的实时流数据处理场景。
五、状态后端与长期化
Apache Flink 的状态后端(State Backend)是决定状态如安在 Flink 应用程序中存储和长期化的核心组件。状态后端的选择会影响状态数据的存储位置、存储方式以及故障恢复时的状态一致性保证。
状态后端范例
Flink 提供了几种内置的状态后端,每种都有本身的特点和适用场景:
1.MemoryStateBackend
- 状态存储在 TaskManager 内存中。
- 得当状态较小且可以容忍在 TaskManager 故障时丢失状态的应用场景。
- 不支持超大状态,因为所有状态都必须可以或许装入 TaskManager 的内存中。
2.FsStateBackend
- 默认情况下,将较热的状态存储在 TaskManager 内存中,而较冷的状态则溢写到文件体系(如 HDFS)中。
- 在举行检查点时,将所有状态序列化并生存到文件体系,从而支持较大状态量且能在 TaskManager 故障时恢复状态。
- 示例配置(Java API):
- final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://namenode:port/flink-checkpoints"));
-
复制代码
3.RocksDBStateBackend
- 将状态存储在本地磁盘上的嵌入式 RocksDB 实例中,而非完全依赖于内存。
- 即使在状态非常大的情况下也能有用工作,因为它可以利用本地磁盘空间,同时仍然能实现低耽误访问。
- 同样在检查点时将状态长期化到远程文件体系。
- 示例配置(Java API):
- final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- env.setStateBackend(new RocksDBStateBackend("hdfs://namenode:port/flink-checkpoints", true));
-
复制代码 参数 true 表示开启异步快照,提高性能。
检查点与状态长期化
检查点(Checkpoints)是 Flink 用于状态长期化的主要本领。当启用检查点时,Flink 会定期创建应用程序的全局一致快照,其中包括所有算子的状态。在遇到故障时,Flink 可以从最近乐成的检查点恢复,从而保证状态的一致性和 Exactly-once 语义。
示例代码配置状态后端
以下是如安在 Flink 应用程序中配置 FsStateBackend 的示例代码片段:
- import org.apache.flink.runtime.state.filesystem.FsStateBackend;
- import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
- public class MyApp {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建流处理执行环境
- final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- // 配置 FsStateBackend,将状态存储在 HDFS 上
- FsStateBackend stateBackend = new FsStateBackend("hdfs://namenode:port/flink-checkpoints");
- // 设置检查点间隔(例如每隔一分钟)
- env.enableCheckpointing(60000); // interval in milliseconds
- // 设置状态后端
- env.setStateBackend(stateBackend);
- // ... 添加数据源、转换算子和sink等...
- // 执行作业
- env.execute("My Flink Streaming Job with Checkpointing");
- }
- }
复制代码 以上代码展示了如何创建一个带有 FsStateBackend 的流处理环境,配置检查点周期,并最终启动作业。根据实际需求,您可以替换为其他状态后端,只需更改相应实例化和设置的代码即可。
六、监控与调试工具
Apache Flink 自身提供了一些监控与调试工具,同时也支持与其他监控体系集成。以下是一些主要的监控与调试本领:
1. Flink Web UI
Flink Web UI 是一个内置的图形化界面,用于监控 Flink 应用程序的运行状态。它提供了作业和任务的概览,包括但不限于:
- 作业列表及其根本信息
- 任务的并行度和状态
- TaskManager 和 Slot 的利用情况
- 作业的检查点和容错相干指标
- JVM 和内存指标
无需额外配置,Flink 在启动集群时自动启用 Web UI,默认监听在 JobManager 的 8081 端口上。
2. Metrics System
Flink 提供了一个全面的 Metrics 体系,可以网络各种运行时指标,并可通过扩展将其报告到多种监控体系,如 Prometheus、Grafana、JMX 等。
- // 示例:配置将 Metrics 发送到 Prometheus
- MetricGroup metricsGroup = getRuntimeContext().getMetricGroup();
- metricsGroup.gauge("myCustomGauge", () -> myValue);
- // 配置 Prometheus Metric Reporter
- GlobalConfiguration cfg = GlobalConfiguration.loadConfiguration("/path/to/flink/conf");
- MetricRegistry metricRegistry = new MetricRegistry();
- metricRegistry.register("prometheus", new PrometheusReporter());
- // 设置到环境配置中
- StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- env.getConfig().setMetricGroup(metricRegistry.getMetricGroup());
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3. 日记与堆栈跟踪
Flink 的日记对于定位问题至关重要,可以通过查看 JobManager、TaskManager 和用户自界说的日记来诊断问题。默认利用 Log4j 作为日记体系,可以调整 log4j.properties 配置文件以改变日记级别和输出方式。
4. CLI 工具
Flink 提供了下令行客户端,可以用来提交作业、取消作业、查看作业状态等。
- # 查看集群信息
- ./bin/flink list
- # 提交作业
- ./bin/flink run /path/to/job.jar
- # 查看作业详情
- ./bin/flink cancel <jobId>
复制代码
5. Debugging & Tracing
- Savepoint 和 Checkpoint:可以用来停息和恢复作业,有助于调试和问题排查。
- Changelog 与 Debugging Sources:Flink 支持 changelog 以及 debug sources(比如 PrintToLog、TestSinkBase),可以插入到数据流中,用于观察和验证数据流中的中心结果。
6. 第三方集成
- Prometheus 和 Grafana:通过配置 Flink Metrics 报告器,可以将监控数据推送到 Prometheus,并通过 Grafana 举行可视化展示。
- Jaeger 或 Zipkin:若需举行分布式追踪,可以将 Flink 集成到 Jaeger 或 Zipkin 中,以追踪跨多个算子的任务执行路径。
七、集成与扩展
Apache Flink 的集成与扩展涵盖了与各种外部体系的对接、自界说算子开辟、状态后端定制等方面。下面我们将分别举例说明:
1. 集成外部数据源和数据吸收器
比方,Flink 集成 Kafka 数据源:
- import org.apache.flink.streaming.connectors.kafka.FlinkKafkaConsumer;
- Properties kafkaProps = new Properties();
- kafkaProps.setProperty("bootstrap.servers", "localhost:9092");
- kafkaProps.setProperty("group.id", "testGroup");
- FlinkKafkaConsumer<String> kafkaSource = new FlinkKafkaConsumer<>(
- "input-topic", // Kafka topic
- new SimpleStringSchema(), // Deserialization schema
- kafkaProps
- );
- StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- DataStream<String> stream = env.addSource(kafkaSource);
- // ...后续处理逻辑...
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2. 自界说算子开辟
假设我们自界说一个简单转换算子,用于盘算字符串长度:
- import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
- import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
- import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
- public class WordLengthMapper implements MapFunction<String, Integer> {
- @Override
- public Integer map(String value) {
- return value.length();
- }
- }
- public class CustomOperatorExample {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- DataStream<String> input = env.fromElements("hello", "world");
- DataStream<Integer> lengths = input.map(new WordLengthMapper());
- lengths.print().setParallelism(1);
- env.execute("Custom Operator Example");
- }
- }
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3. 扩展状态后端
虽然 Flink 提供了内置的状态后端,但偶然也需要根据特定需求扩展自界说的状态后端。以下是一个简化的状态后端抽象类继续示例:
- import org.apache.flink.api.common.typeutils.TypeSerializer;
- import org.apache.flink.runtime.state.StateBackend;
- import org.apache.flink.runtime.state.VoidNamespaceSerializer;
- import org.apache.flink.runtime.state.heap.HeapKeyedStateBackend;
- import org.apache.flink.runtime.state.heap.KeyGroupRange;
- import org.apache.flink.runtime.state.heap.HeapPriorityQueueSetFactory;
- import org.apache.flink.runtime.state.memory.MemoryStateBackend;
- public class CustomStateBackend extends StateBackend {
- private final StateBackend delegateBackend; // 使用 MemoryStateBackend 作为底层实现
- public CustomStateBackend() {
- this.delegateBackend = new MemoryStateBackend();
- }
- @Override
- public HeapKeyedStateBackend createKeyedStateBackend(
- Environment env,
- JobID jobId,
- String operatorIdentifier,
- TypeSerializer<?> keySerializer,
- int numberOfKeyGroups,
- KeyGroupRange keyGroupRange,
- TaskKvStateRegistry kvStateRegistry) throws IOException {
- // 在这里可以添加自定义逻辑,比如包装或增强 MemoryStateBackend 的行为
- HeapKeyedStateBackend defaultBackend = ((HeapKeyedStateBackend) delegateBackend.createKeyedStateBackend(
- env,
- jobId,
- operatorIdentifier,
- keySerializer,
- numberOfKeyGroups,
- keyGroupRange,
- kvStateRegistry));
- // 返回自定义的或增强过的 HeapKeyedStateBackend
- return defaultBackend;
- }
- // ... 其他方法需要重写以提供自定义行为 ...
- }
复制代码
4. 集成第三方库或服务
比方,集成 Apache Calcite 提供 SQL 解析和优化:
- import org.apache.flink.api.common.typeinfo.TypeInformation;
- import org.apache.flink.api.java.typeutils.RowTypeInfo;
- import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
- import org.apache.flink.table.api.bridge.java.StreamTableEnvironment;
- import org.apache.flink.types.Row;
- public class FlinkWithCalciteExample {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- // 创建流处理环境
- final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
- // 创建 Table 环境
- StreamTableEnvironment tEnv = StreamTableEnvironment.create(env);
- // 定义表结构和数据源
- // ... (此处省略定义表结构和数据源的代码)
- // 使用 SQL 查询
- Table result = tEnv.sqlQuery("SELECT * FROM myTable WHERE column1 > 100");
- // 将查询结果转换为 DataStream
- DataStream<Row> resultSet = tEnv.toAppendStream(result, new RowTypeInfo(...)); // 根据表结构定义 RowTypeInfo
- // ... 后续处理逻辑 ...
- }
- }
复制代码
总结
Apache Flink是一个强盛的实时流处理和批处理框架,它打破了传统流处理和批处理的界限,提供了一个统一的平台来处理各种范例的数据。通过其精确一次的状态一致性、高吞吐量、低耽误等特性,Flink已经被广泛应用于各种实时分析和批处理任务中。
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