深入解读 Flink 1.17

2023-05-25
浙江
本文字数：3969 字
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摘要：本文整理自阿里云技术专家，Apache Flink PMC Member & Committer、Flink CDC Maintainer 徐榜江(雪尽) 在深入解读 Flink 1.17 的分享。内容主要分为四个部分：
Flink 1.17 Overview
Flink 1.17 Overall Story
Flink 1.17 Key Features
Summary

一、Flink 1.17 Overview

Flink 1.17 版本完成了 7 个 FLIP，累计贡献者 170+，解决 600+Issue 以及 1100+Commits，整体来看是一个较大的版本。

从 Issue 分布来看，1.17 版本主要在 Runtime 层面以及 Table 层面做了较多改进，其中 Runtime 层面约 170+Issue，Table 层面约 120 个。另外，在 Checkpoint & State、API、Connector 层面也做了诸多提升与改进。

1.17 版本完成的 FLIP 如上图所示，分别为：

FLIP-256：扩展了 Rest API 支持提交作业时指定参数，与 Flink CLI 基本对齐。
FLIP-265：将 Scala 的 API 支持标记为 deprecated, Flink 里的 API 有 Scala 与 Java 两套, 随着社区的不断发展与演进，Scala API 出现了各种问题，比如 Scala 版本升级困难，在 Flink 1.15 里，从 Scala 2.12.7 升级到 2.12.15 必须做出兼容性破坏的改造；另一方面，Java API 比 Scala API 在社区演进更快一些，前者的 Feature 会更多; 再加之社区比较缺少熟悉 Scala 技术栈的 Contributor，因此社区决定将 Scala 的 API 慢慢移除，更专注于 Java API。
FLIP-266：对 TM 的网络层配置做了很多简化，新增了多个核心特性，提高了 Runtime 层面网络的开箱即用，用户做更少的配置即可获得较好的作业优化效果。
FLIP-280：在 SQL 层面引入了 PLAN ADVICE 功能，帮助用户检查 PLAN 的正确性以及对 SQL 做优化，比如聚合是否应该拆分、非确定性的列导致不正确性的问题等，并提示用户改写和优化 SQL。
FLIP-281：Sink 对于 Batch 作业支持了预测执行。预测执行主要分为三个 FLIP 来逐步实现，第一个 FLIP 支持作业链路中除 Source、Sink 之外的算子，第二个 FLIP 支持了 Source 算子， FLIP-281 是最后一个 FLIP，支持了 Sink 算子。Sink 算子比较特殊，在 Flink 作业的拓扑里，它会 flush 数据到外部系统，需要写入数据，多个 Task 协同外部系统的执行对于数据的一致性会带来较大挑战。而 FLIP-281 支持了 Sink 的预测执行之后，Batch 作业的全链路都支持了预测执行。
FLIP-282：引入了 Delete 和 Update API。在 Flink 从 Streaming Processing 到 Streaming Warehouse 的演进中，需要为 Streaming Warehouse 定制一些 API，比如行级数据的 Delete 与 Update API，方便与其他 Connector 的对接。
FLIP-283：将自适应的 Batch 调度器作为默认调度器。之前的 1.16 版本已经推出 Adaptive Batch Scheduler，但它不是默认调度器，而 1.17 版本将设置为默认调度器。

二、Flink 1.17 Overall Story

Flink 1.17 版本向 Streaming Warehouse 迈进了一大步。

如图所示，Flink 在从 Streaming Processing 到 Streaming Warehouse 迈进后，我们不再需要批处理的链路，也不用拆分流处理的链路，批处理和流处理链路是统一的、流批一体的。

数据在数仓的每一层之间都通过 Flink 进行实时的流动，并且每一层数据实时可查，可以通过其他引擎查询湖存储里的数据，湖存储可以是 Paimon（从 Flink Table Store 子项目孵化出的 Apache 项目），也可以是 Hudi 等，提供了真正的流式服务。

该架构的优势在于，不再需要两套系统，架构更简洁。同时，将离线与实时整合在一起，只需一份存储，成本更低，通过 Flink SQL 流批一体的引擎做加工，语义和数据均可保持一致。垂直方向上，每一层数据实时可查，架构透明开放。

为了更好地向流式数仓迈进，我们在 Batch 方面做了很多增强。

Streaming Warehouse：引入了 Delete 与 Update API，同时提供了 add/modify/drop 列，主键以及 Watermark 语法。
Batch 性能优化块：预测执行、自适应 Batch 调度器、混合 Shuffle 模式以及 Join-reorder 算法。
提交工具：SQL Client 支持了 Gateway 模式，支持通过 SQL 语句管理 Flink 作业。

Streaming 性能也在不断演进。

Streaming SQL 语义增强：修复了非确定性操作导致的 PLAN 错误，引入了 PLAN ADVICE 提供 SQL 的优化建议以及错误的 warning，完善了 Watermark 对齐。
Checkpoint 改进：提出通用的增量 Checkpoint，主要实现了速度以及稳定性的提升。同时，Unaligned Checkpoint 实现了生产可用。
Statebackend 升级：将 FRocksDB 的版本做了升级，带来了更多 Feature，支持 Apple 的芯片组，比如 Mac M1。

三、Flink 1.17 Key Features

我们对 Batch 做了端到端的性能优化，涵盖了 SQL 的 PLAN、Runtime 算子、调度全流程。

Runtime 的预测执行：支持了 Sink 算子，同时改进了慢任务的检测，之前只考虑慢任务的执行时间，现在还考虑数据量。
自适应 Batch 调度器：将自适应调度器作为默认调度器。调度器可以根据每个 Job 和节点处理的数据量自动设置并发，更智能。另外，做了配置简化，提升整体的易用性。
混合 Shuffle：混合 Shuffle 是一种结合了 blocking 与 pipeline 优点提出的新的 Shuffle 模式。在 1.17 版本里支持了自定义 Batch 调度器、预测执行，同时支持重用中间数据，提升性能。另外，混合 Shuffle 模式在大规模生产环境下的稳定性得到进一步提升。
SQL 层面的优化：Planner 引入了动态规划的的 Join-reorder 算法，之前的 Join-reorder 算法优化出的 PLAN 树相当于是一棵偏左树，并发处理往往只有两路；而动态规划的 Join-reorder 算会使得 PLAN 树更平衡，并发也更高。在算子层面做了动态 local hash 聚合优化，通过 code 键实现，比如 count 聚合时，数据比较稀疏处可以直接跳过聚合，提升性能。同时，在算子上消除了部分虚函数的调用，使得性能进一步提升。

经过上述各层的优化，Flink 1.17 整体相比 Flink 1.16 的 TPC-DS 性能提升 26%。

Flink 1.16 耗时接近 7000 秒，1.17 降为 5000+秒。上图可见，部分 Query 的性能提升十分明显，比如 Q58 从 150+秒降低至几十秒。

另外，我们对 Checkpoint 和 State 也做了很多改进。

比如通用增量 Checkpoint（GIC）速度方面有了很大提升，在开启通用增量 Checkpoint 后，WordCount 与 Window 作业性能提升了 4.23 倍与 38.39 倍，WordCount 完成时间有接近 90%的减少，Window 作业的 Checkpoint 耗时从 130s 降至 1.58s。

对于流作业而言，开启通用增量 Checkpoint 后，速度和稳定性都得到了质的提升。

另外，我们对 GIC 的稳定性也做了提升。如上图所示，红线代表开启了通用增量 Checkpoint 的耗时，耗时更短，毛刺更少，这说明 WordCount 与 Window 作业的稳定性均有显著提升。而如果不开启通用增量 Checkpoint，Window 的作业耗时可高达 400s，且极不稳定。

用户写了一个 SQL Query 之后，可能在这个 Query 里有双流 Join，有聚合，有维表关联等等。那么，如何判断一个 Query 是否有问题呢？

为此，我们提供了 PLAN ADVICE 功能，在执行 Explain 语句时候支持 PLAN_ADVICE 选项。比如，在执行 Query 之前可以先做一次 Explain，得到一些建议。

如上图，告警信息提示 current_timestamp 是一个非确定性函数，源表的数据是 Changelog 流，因为源表和结果表的主键不一致，会生成一个 SinkUpsertMaterializer 算子来在 state 中物化输入并输出正确的结果给 Sink，但 SinkUpsertMaterializer 节点要求输入不能有非确定性更新，用户使用 PLAN_ADVIC 就会获得对应的建议，避免这类正确性问题。此外，社区也在计划让 SinkUpsertMaterializer 支持 upsertKey 模式，在后续的版本中可以在框架侧解决这个问题。