Flink 多种时间概念、Watermark、allowedLateness、SideOutput概念及应用

Flink 多种时间概念、Watermark、allowedLateness、SideOutput概念及应用 背景

1. Window窗口函数，flink怎么知道哪个是字段是对应的时间呢？
2. 由于网络问题，数据先产生，但是乱序延迟了，那属于哪个时间窗呢？
3. Flink里面定义窗口，可以引用不同的时间概念

Flink里面时间分类 事件时间EventTime

• 事件发生的时间
• 是每个单独事件在其产生进程上发生的时间，这个时间通常在记录进入 Flink 之前记录在对象中
• 在事件时间中，时间值取决于数据产生记录的时间

进入时间 IngestionTime

• 事件到进入Flink

处理时间ProcessingTime

• 事件被flink处理的时间
• 正在执行相应 *** 作的机器的系统时间
• 是最简单的时间概念，不需要流和机器之间的协调，它提供最佳性能和最低延迟
• 但是在分布式和异步环境中，处理时间有不确定性，存在延迟或乱序问题
  

各种时间引发的思考

1. 事件时间已经能够解决所有的问题了，那为何还要用处理时间呢？
2. 处理时间由于不用考虑事件的延迟与乱序，所以处理数据的速度高效
3. 如果一些应用比较重视处理速度而非准确性，那么就可以使用处理时间，但结果具有不确定性
4. 事件时间有延迟，但是能够保证处理的结果具有准确性，并且可以处理延迟甚至无序的数据

举个例子

一个电商平台，要统计双十一每分钟内成交额，你认为是哪个时间比较好？
(EventTime) 下单支付时间是2021-11-11 00:00:10
(IngestionTime ) 进入Flink时间2021-11-11 00:01:15（网络拥堵、延迟）
(ProcessingTime)进入窗口时间2021-11-11 00:04:30（网络拥堵、延迟）

时间概念总结：

一般我们都是用EventTime事件时间进行处理统计数据，但数据由于网络问题延迟、乱序到达会导致窗口计算数据不准确。
需求：
比如时间窗是 [12:01:01,12:01:10 ) ，但是有数据延迟到达当 12:01:10 秒数据到达的时候，不立刻触发窗口计算而是等一定的时间，等迟到的数据来后再关闭窗口进行计算。

Watermark 水位线

• 由flink的某个operator *** 作生成后，就在整个程序中随event数据流转
  1. With Periodic Watermarks（周期生成，可以定义一个最大允许乱序的时间，用的很多）
  2. With Punctuated Watermarks（标点水位线，根据数据流中某些特殊标记事件来生成，相对少）
• 衡量数据是否乱序的时间，什么时候不用等早之前的数据
• 是一个全局时间戳，不是某一个key下的值
• 是一个特殊字段，单调递增的方式，主要是和数据本身的时间戳做比较
• 用来确定什么时候不再等待更早的数据了，可以触发窗口进行计算，忍耐是有限度的，给迟到的数据一些机会

注意

Watermark 设置太小会影响数据准确性，设置太大会影响数据的实时性，更加会加重Flink作业的负担
需要经过测试，和业务相关联，得出一个较合适的值即可

公式：

Watermaker = 当前计算窗口最大的事件时间 - 允许乱序延迟的时间

窗口触发计算的时机

watermark之前是按照窗口的关闭时间点计算的 [12:01:01,12:01:10 )
watermark之后，触发计算的时机

• 窗口内有数据
• Watermaker >= Window EndTime窗口结束时间

触发计算后，其他窗口内数据再到达也被丢弃

数据流中的事件是有序

数据流中的事件是无序

案例剖析：
window大小为10s，窗口是W1 [23:12:00~23:12:10) 、 W2[23:12:10~23:12:20)
下面是数据的event time
数据A 23:12:07
数据B 23:12:11
数据C 23:12:08
数据D 23:12:17
数据E 23:12:09
没加入watermark,由上到下进入flink
数据B到了之后，W1就进行了窗口计算，数据只有A
数据C 迟到了3秒，到了之后，由于W1已经计算了，所以就丢失了数据C
加入watermark, 允许5秒延迟乱序，由上到下进入flink

数据A到达
watermark = 12:07 - 5 = 12:02 < 12:10 ,所以不触发W1计算, A属于W1

数据B到达
watermark = max{ 12:11, 12:07} - 5 = 12:06 < 12:10 ,所以不触发W1计算, B属于W2

数据C到达
watermark = max{12:08, 12:11, 12:07} - 5 = 12:06 < 12:10 ,所以不触发W1计算, C属于W1

数据D到达
watermark = max{12:17, 12:08, 12:11, 12:07} - 5 = 12:12 > 23:12:10 , 触发W1计算, D属于W2

数据E到达
watermark = max{12:09, 12:17, 12:08, 12:11, 12:07} - 5 = 12:12 > 23:12:10 , 之前已触发W1计算, 所以丢失了E数据

Watermaker 计算 = 当前计算窗口最大的事件时间 - 允许乱序延迟的时间
什么时候触发W1窗口计算
Watermaker >= Window EndTime窗口结束时间
当前计算窗口最大的事件时间 - 允许乱序延迟的时间 >= Window EndTime窗口结束时间

示例

需求：

• 分组统计不同鞋子的成交总价
• 数据有乱序延迟，允许3秒的时间

时间工具类

    public static String format(long timestamp) {
        DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        ZoneId zoneId = ZoneId.systemDefault();
        String timeStr = formatter.format(new Date(timestamp).toInstant().atZone(zoneId));
        return timeStr;
    }
​
​
    
    public static Date strToDate(String time) {
        DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        LocalDateTime localDateTime = LocalDateTime.parse(time, formatter);
        return Date.from(localDateTime.atZone(ZoneId.systemDefault()).toInstant());
​
    }

watermark代码示例：

构建执行任务环境以及任务的启动的入口, 存储全局相关的参数
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);
        DataStream ds = env.socketTextStream("127.0.0.1",8888);
​
        DataStream> flatMapDS = ds.flatMap(new FlatMapFunction>() {
                @Override
                public void flatMap(String value, Collector> out) throws Exception {
                    String[] arr = value.split(",");
                    out.collect(Tuple3.of(arr[0], arr[1],Integer.parseInt(arr[2])));
            }
        });
​
​
        SingleOutputStreamOperator> watermakerDS = flatMapDS.assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                //指定最大允许的延迟/乱序 时间
                .>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                .withTimestampAssigner(
                        (event, timestamp) -> {
                            //指定POJO的事件时间列
                            return TimeUtil.strToDate(event.f1).getTime();
                        }
                ));
​
​
        SingleOutputStreamOperator sumDS = watermakerDS.keyBy(new KeySelector, String>() {
            @Override
            public String getKey(Tuple3 value) throws Exception {
                return value.f0;
            }
        }).window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10))).apply(new WindowFunction, String, String, TimeWindow>() {
            @Override
            public void apply(String key, TimeWindow window, Iterable> input, Collector out) throws Exception {
                //存放窗口的数据的事件时间
                List eventTimeList = new ArrayList<>();
                int total = 0;
                for (Tuple3 order : input) {
                    eventTimeList.add(order.f1);
                    total = total+order.f2;
                }
                String outStr = String.format("分组key:%s,聚合值:%s,窗口开始结束:[%s~%s),窗口所有事件时间:%s", key,total, TimeUtil.format(window.getStart()),TimeUtil.format(window.getEnd()), eventTimeList);
                out.collect(outStr);
            }
        });
​
        sumDS.print();
​
        env.execute("watermark job");

测试数据：
窗口 [00:00:00 ~ 00:00:10) | [00:00:10 ~ 00:00:20)
窗口时间：10s
并行度调整为1

触发窗口计算条件

• 窗口内有数据
• watermark >= 窗口endtime
• 即 当前计算窗口最大的事件时间 - 允许乱序延迟的时间 >= Window EndTime窗口结束时间

lining,2021-11-11 00:00:07,200
lining,2021-11-11 00:00:11,200
lining,2021-11-11 00:00:08,200
nike,2021-11-11 00:00:13,200
lining,2021-11-11 00:00:13,200
lining,2021-11-11 00:00:17,200
lining,2021-11-11 00:00:09,200
lining,2021-11-11 00:00:20,200
lining,2021-11-11 00:00:22,200
lining,2021-11-11 00:00:23,200

Flink 二次兜底延迟数据处理–>allowedLateness

• 超过了watermark的等待后，还有延迟数据到达怎么办？
• watermark先输出，然后配置allowedLateness 再延长时间，然后到了后更新之前的窗口数据

示例：

//分组 开窗
        SingleOutputStreamOperator sumDS = watermarkDS.keyBy(new KeySelector, String>() {
            @Override
            public String getKey(Tuple3 value) throws Exception {
                return value.f0;
            }
        })
          //开窗
          .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)))
          //允许 1分钟
          .allowedLateness(Time.minutes(1))
          //聚合， 方便调试拿到窗口全部数据，全窗口函数
          .apply();
​
        sumDS.print();

Flink 最后的兜底延迟数据处理-> 测输出流

超过了watermark的等待后，还有延迟数据到达怎么办？
watermark先输出，然后配置allowedLateness 再延长时间，然后到了后更新之前的窗口数据
数据超过了allowedLateness 后，就丢失了吗？用侧输出流 SideOutput

示例

OutputTag> lateData = new OutputTag>("lateData"){};
​
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)))
                //允许 1分钟
                .allowedLateness(Time.minutes(1))
                //最后的兜底容忍
                .sideOutputLateData(lateData)
​
//不会更新之前的窗口数据，需要代码单独写逻辑处理更新之前的数据，也可以积累后批处理
sumDS.getSideOutput(lateData).print("late data");

思考：

数据有乱序延迟，如何保证在需要的窗口内获得指定的数据？

• flink采用watermark 、allowedLateness() 、sideOutputLateData()三个机制来保证获取数据
• watermark的作用是防止数据出现延迟乱序，允许等待一会再触发窗口计算，提前输出
• allowLateness，是将窗口关闭时间再延迟一段时间.设置后就像window变大了
• sideOutPut是最后兜底 *** 作，超过allowLateness后，窗口已经彻底关闭了，就会把数据放到侧输出流
• 测输出流 OutputTag tag = new OutputTag(){}, 由于泛型查除问题，需要重写方法，加花括号

那么为什么不直接把window设置大一点呢？或者把watermark加大点? 而使用allowedLateness

• watermark先输出数据，allowLateness会局部修复数据并主动更新窗口的数据输出
• 这期间的迟到数据不会被丢弃，而是会触发窗口重新计算

应用场景？

• 实时监控平台
• 可以用watermark及时输出数据
• allowLateness 做短期的更新迟到数据
• sideOutPut做兜底更新保证数据准确性

总结

• 第一层 窗口window 的作用是从DataStream数据流里指定范围获取数据。
• 第二层 watermark的作用是防止数据出现乱序延迟，允许窗口等待延迟数据达到，再触发计算
• 第三层 allowLateness 会让窗口关闭时间再延迟一段时间, 如果还有数据达到，会局部修复数据并主动更新窗口的数据输出
• 第四层
  sideOutPut侧输出流是最后兜底 *** 作，在窗口已经彻底关闭后，所有过期延迟数据放到侧输出流，可以单独获取，存储到某个地方再批量更新之前的聚合的数据

注意

Flink 默认的处理方式直接丢弃迟到的数据
sideOutPut还可以进行分流功能
DataStream没有getSideOutput方法，SingleOutputStreamOperator才有
Watermark新接口-->WatermarkStrategy，TimestampAssigner 和 WatermarkGenerator 因为其对时间戳和 watermark 等重点的抽象和分离很清晰，并且还统一了周期性和标记形式的 watermark 生成方式
新接口之前是用AssignerWithPeriodicWatermarks和AssignerWithPunctuatedWatermarks ,现在可以弃用了