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一文搞懂 Flink 处理水印全过程

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shengjk1
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发布于: 2021 年 03 月 30 日

1.正文


前面,我们已经学过了 一文搞懂 Flink 处理 Barrier 全过程,今天我们一起来看一下 flink 是如何处理水印的,以 Flink 消费 kafka 为例


		FlinkKafkaConsumer<String> consumer = new FlinkKafkaConsumer<String>(topics, new SimpleStringSchema(), properties);		consumer.setStartFromLatest();		consumer.assignTimestampsAndWatermarks(new AscendingTimestampExtractor<String>() {			@Override			public long extractAscendingTimestamp(String element) {				String locTime = "";				try {					Map<String, Object> map = Json2Others.json2map(element);					locTime = map.get("locTime").toString();				} catch (IOException e) {				}				LocalDateTime startDateTime =					LocalDateTime.parse(locTime, DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));				long milli = startDateTime.toInstant(OffsetDateTime.now().getOffset()).toEpochMilli();				return milli;			}		});
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通过 assignTimestampsAndWatermarks 来对 watermarksPeriodic 进行赋值,当 KafkaFetcher ( 关于 KafkaFetcher 可以参考 写给大忙人看的Flink 消费 Kafka) 在初始化的时候,会创建 PeriodicWatermarkEmitter


// if we have periodic watermarks, kick off the interval scheduler		// 在构建 fetcher 的时候创建 PeriodicWatermarkEmitter 并启动,以周期性发送		if (timestampWatermarkMode == PERIODIC_WATERMARKS) {			@SuppressWarnings("unchecked")			PeriodicWatermarkEmitter periodicEmitter = new PeriodicWatermarkEmitter(					subscribedPartitionStates,					sourceContext,					processingTimeProvider,					autoWatermarkInterval);
periodicEmitter.start(); }
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PeriodicWatermarkEmitter 主要的作用就是周期性的发送 watermark,默认周期是 200 ms,通过 env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime); 指定。


@Override		//每隔 interval 时间会调用此方法		public void onProcessingTime(long timestamp) throws Exception {
long minAcrossAll = Long.MAX_VALUE; boolean isEffectiveMinAggregation = false; for (KafkaTopicPartitionState<?> state : allPartitions) {
// we access the current watermark for the periodic assigners under the state // lock, to prevent concurrent modification to any internal variables final long curr; //noinspection SynchronizationOnLocalVariableOrMethodParameter synchronized (state) { curr = ((KafkaTopicPartitionStateWithPeriodicWatermarks<?, ?>) state).getCurrentWatermarkTimestamp(); }
minAcrossAll = Math.min(minAcrossAll, curr); isEffectiveMinAggregation = true; }
// emit next watermark, if there is one // 每隔 interval 对 watermark 进行合并取其最小的 watermark 发送至下游算子,并且保持单调递增 if (isEffectiveMinAggregation && minAcrossAll > lastWatermarkTimestamp) { lastWatermarkTimestamp = minAcrossAll; emitter.emitWatermark(new Watermark(minAcrossAll));// StreamSourceContexts.ManualWatermarkContext,watermark 与 record 的发送路径是分开的 }
// schedule the next watermark timerService.registerTimer(timerService.getCurrentProcessingTime() + interval, this); }
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其中 PeriodicWatermarkEmitter 最关键性的方法就是 onProcessingTime。做了两件事

  1. 在保持水印单调性的同时合并各个 partition 的水印( 即取各个 partition 水印的最小值 )

  2. 注册 process timer 以便周期性的调用 onProcessingTime


接下来就是进行一系列的发送,与 StreamRecord 的发送过程类似,具体可以参考 一文搞定 Flink 消费消息的全流程


下游算子通过 StreamInputProcessor.processInput 方法接受到 watermark 并处理


......					// 如果元素是 watermark,就准备更新当前 channel 的 watermark 值(并不是简单赋值,因为有乱序存在)					if (recordOrMark.isWatermark()) {						// handle watermark						statusWatermarkValve.inputWatermark(recordOrMark.asWatermark(), currentChannel);						continue;						// 如果元素是 status,就进行相应处理。可以看作是一个 flag,标志着当前 stream 接下来即将没有元素输入(idle),						// 或者当前即将由空闲状态转为有元素状态(active)。同时,StreamStatus 还对如何处理 watermark 有影响。						// 通过发送 status,上游的 operator 可以很方便的通知下游当前的数据流的状态。					} else if (recordOrMark.isStreamStatus()) {						// handle stream status 把对应的 channelStatuse 改为 空闲,						// 然后如果所有的 channelStatuse 都是 idle 则找到最大的 watermark 并处理,否则找到最小的 watermark 并处理						statusWatermarkValve.inputStreamStatus(recordOrMark.asStreamStatus(), currentChannel);						continue;					} 					......
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进入 StatusWatermarkValve.inputWatermark watermark 真正被处理的地方


//当水印输入时的处理操作	public void inputWatermark(Watermark watermark, int channelIndex) {		// ignore the input watermark if its input channel, or all input channels are idle (i.e. overall the valve is idle).		// streamStatus 和 channelStatus 都是 active 才继续往下计算		if (lastOutputStreamStatus.isActive() && channelStatuses[channelIndex].streamStatus.isActive()) {			long watermarkMillis = watermark.getTimestamp();
// if the input watermark's value is less than the last received watermark for its input channel, ignore it also. // ignore 小于已经接收到的 watermark 的 watermark,保持其单调性 if (watermarkMillis > channelStatuses[channelIndex].watermark) { channelStatuses[channelIndex].watermark = watermarkMillis;
// previously unaligned input channels are now aligned if its watermark has caught up // 如果之前未对齐的,现在对齐。 if (!channelStatuses[channelIndex].isWatermarkAligned && watermarkMillis >= lastOutputWatermark) { channelStatuses[channelIndex].isWatermarkAligned = true; }
// ow, attempt to find a new min watermark across all aligned channels findAndOutputNewMinWatermarkAcrossAlignedChannels(); } } }
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isWatermarkAligned 其实就是由于之前是 idle,无需关心 watermark, 现在有数据了,需要关心 watermark 了。

而 findAndOutputNewMinWatermarkAcrossAlignedChannels 其实就是取 所有 channel 中的最小值,并且在保证 watermark 单调递增的情况下处理 watermark, 调用了 StreamInputProcessor.handleWatermark


@Override		public void handleWatermark(Watermark watermark) {			try {				synchronized (lock) {					watermarkGauge.setCurrentWatermark(watermark.getTimestamp());//gauge					//处理 watermark 的入口					operator.processWatermark(watermark);				}			} catch (Exception e) {				throw new RuntimeException("Exception occurred while processing valve output watermark: ", e);			}		}
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我们以 AbstractStreamOperator 为例看具体是如何处理 watermark 的


public void processWatermark(Watermark mark) throws Exception {//operator.processWatermark(mark)		if (timeServiceManager != null) {//有 timeService 则不为 null 如 window   InternalTimeServiceManager			//timeService			timeServiceManager.advanceWatermark(mark);		}		//处理结束之后继续往下游发送依次循环。		output.emitWatermark(mark);	}
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当 filter、flatMap 等算子 timeServiceManager 均等于 null,我们以 windowOperator 为例,看 timeServiceManager.advanceWatermark(mark); 如何操作的


	public void advanceWatermark(Watermark watermark) throws Exception {		for (InternalTimerServiceImpl<?, ?> service : timerServices.values()) {			service.advanceWatermark(watermark.getTimestamp());//处理 watermark  event time 对于 trigger 的调用逻辑		}	}
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继续调用


	public void advanceWatermark(long time) throws Exception {//watermark timestamp		currentWatermark = time;
InternalTimer<K, N> timer; while ((timer = eventTimeTimersQueue.peek()) != null && timer.getTimestamp() <= time) {//自定义,触发一系列满足条件的 key eventTimeTimersQueue.poll(); keyContext.setCurrentKey(timer.getKey());// // 触发 triggerTarget.onEventTime triggerTarget.onEventTime(timer); } }
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当注册的 eventTimer 的 timestamp <= currentwatermark 时,触发 triggerTarget.onEventTime(timer); 即调用 WindowOperator.onEventTime 方法

关于 windowOperator 的具体细节可以参考 写给大忙人看的 Flink Window原理

// 这个是通过 timer 来调用的	// window processElement 的时候 registerCleanupTimer(window)   window.maxTimestamp()+allowedLateness	// 和 eventTrigger onElement  registerEventTimeTimer(window.maxTimestamp()) 会创建相应的 timer	// 所以当 allowedLateness 不为 0 的时候,同一个 window.maxTimestamp() 对应的 eventWindow 会触发两次,	// 而且默认 windowAssigner.isEventTime() && isCleanupTime(triggerContext.window, timer.getTimestamp()) 才会清除 window state	public void onEventTime(InternalTimer<K, W> timer) throws Exception {		triggerContext.key = timer.getKey();		triggerContext.window = timer.getNamespace();
MergingWindowSet<W> mergingWindows;
if (windowAssigner instanceof MergingWindowAssigner) { mergingWindows = getMergingWindowSet(); W stateWindow = mergingWindows.getStateWindow(triggerContext.window); if (stateWindow == null) { // Timer firing for non-existent window, this can only happen if a // trigger did not clean up timers. We have already cleared the merging // window and therefore the Trigger state, however, so nothing to do. return; } else { windowState.setCurrentNamespace(stateWindow); } } else { windowState.setCurrentNamespace(triggerContext.window); mergingWindows = null; }
TriggerResult triggerResult = triggerContext.onEventTime(timer.getTimestamp());
if (triggerResult.isFire()) { ACC contents = windowState.get(); if (contents != null) { emitWindowContents(triggerContext.window, contents); } }
if (triggerResult.isPurge()) { windowState.clear(); }
if (windowAssigner.isEventTime() && isCleanupTime(triggerContext.window, timer.getTimestamp())) { clearAllState(triggerContext.window, windowState, mergingWindows); }
if (mergingWindows != null) { // need to make sure to update the merging state in state mergingWindows.persist(); } }
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关于窗口的触发有三种情况( 对应的源码部分可以参考 写给大忙人看的 Flink Window原理 )

  1. 然后就是当 time == window.maxTimestamp() 立即触发窗口

  2. window.maxTimestamp() <= ctx.getCurrentWatermark() 立即触发,即允许迟到范围内的数据到来

  3. window.maxTimestamp() + allowedLateness<= ctx.getCurrentWatermark() ,主要是为了针对延迟数据,保证数据的准确性


2.总结


水印的处理其实还蛮简单的,分两部分


1. 水印在满足单调递增的情况下,要么直接发往下游( OneInputStreamOperator,像 keyby、filter、flatMap ),

要么取最小值然后发往下游( TwoInputStreamOperator,像 co 系列 coFlatMap、IntervalJoinOperator、TemporalJoin)

2. 设置水印时间为当前 StreamRecord 中的时间戳,此时间戳是<= watermark ,因为 watermark 是单调递增的,而 StreamRecord 的时间戳就是提取出来的时间戳


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