Flink 速成

28、Flink 基础 - Flink容错机制

一、一致性检查点(checkpoint)

1、 Flink故障恢复机制的核心，就是应用状态的一致性检查点；
2、有状态流应用的一致检查点，其实就是所有任务的状态，在某个时间点的一份拷贝（一份快照）；
1)这个时间点，应该是所有任务都恰好处理完一个相同的输入数据的时候
5这个数据虽然进了奇数流但是偶数流也应该做快照，因为属于同一个相同数据，只是没有被他处理)
2)（这里根据奇偶性分流，偶数流求偶数和，奇数流求奇数和，5这里明显已经被sum_odd（1+3+5）处理了，且sum_even不需要处理该数据，因为前面已经判断该数据不需要到sum_even流，相当于所有任务都已经处理完source的数据5了。） 3、在JobManager中也有个Chechpoint的指针，指向了仓库的状态快照的一个拓扑图，为以后的数据故障恢复做准备；

二、从检查点恢复状态

在执行流应用程序期间，Flink 会定期保存状态的一致检查点

如果发生故障， Flink 将会使用最近的检查点来一致恢复应用程序的状态，并重新启动处理流程

（如图中所示，7这个数据被source读到了，准备传给奇数流时，奇数流宕机了，数据传输发生中断）

遇到故障之后，第一步就是重启应用

(重启后，起初流都是空的)

第二步是从 checkpoint 中读取状态，将状态重置

(读取在远程仓库(Storage，这里的仓库指状态后端保存数据指定的三种方式之一)保存的状态)

从检查点重新启动应用程序后，其内部状态与检查点完成时的状态完全相同

第三步：开始消费并处理检查点到发生故障之间的所有数据

这种检查点的保存和恢复机制可以为应用程序状态提供“精确一次”（exactly-once）的一致性，因为所有算子都会保存检查点并恢复其所有状态，这样一来所有的输入流就都会被重置到检查点完成时的位置

（这里要求source源也能记录状态，回退到读取数据7的状态，kafka有相应的偏移指针能完成该操作）

三、 Flink检查点算法

概述
checkpoint和Watermark一样，都会以广播的形式告诉所有下游。

1、一种简单的想法；
1)暂停应用，保存状态到检查点，再重新恢复应用（当然Flink 不是采用这种简单粗暴的方式） 2、 Flink的改进实现；
1)基于Chandy-Lamport算法的分布式快照
2)将检查点的保存和数据处理分离开，不暂停整个应用
（就是每个任务单独拍摄自己的快照到内存，之后再到jobManager整合） 3、检查点分界线（CheckpointBarrier）；
1)Flink的检查点算法用到了一种称为分界线（barrier）的特殊数据形式，用来把一条流上数据按照不同的检查点分开
2)分界线之前到来的数据导致的状态更改，都会被包含在当前分界线所属的检查点中；而基于分界线之后的数据导致的所有更改，就会被包含在之后的检查点中

具体讲解

1、现在是一个有两个输入流的应用程序，用并行的两个Source任务来读取；
2、两条自然数数据流，蓝色数据流已经输出完蓝3了，黄色数据流输出完黄4了；
3、在Souce端Source1接收到了数据蓝3正在往下游发向一个数据蓝2和蓝3；Source2接受到了数据黄4，且往下游发送数据黄4；
4、偶数流已经处理完黄2所以后面显示为2，奇数流处理完蓝1和黄1黄3所以为5，并分别往下游发送每次聚合后的结果给Sink；

JobManager 会向每个 source 任务发送一条带有新检查点 ID 的消息，通过这种方式来启动检查点

（这个带有新检查点ID的东西为barrier，由图中三角型表示，数值2只是ID）

数据源将它们的状态写入检查点，并发出一个检查点barrier
状态后端在状态存入检查点之后，会返回通知给source任务，source任务就会向JobManager确认检查点完成
上图，在Source端接受到barrier后，将自己此身的3 和 4 的数据的状态写入检查点，且向JobManager发送checkpoint成功的消息，然后向下游分别发出一个检查点 barrier

可以看出在Source接受barrier时，数据流也在不断的处理，不会进行中断

此时的偶数流已经处理完蓝2变成了4，但是还没处理到黄4，只是下游sink发送了一个数据4，而奇数流已经处理完蓝3变成了8（黄1+蓝1+黄3+蓝3），并向下游sink发送了8

此时检查点barrier都还未到Sum_odd奇数流和Sum_even偶数流

分界线对齐：barrier向下游传递，sum任务会等待所有输入分区的barrier到达
对于barrier已经达到的分区，继续到达的数据会被缓存
而barrier尚未到达的分区，数据会被正常处理
此时蓝色流的barrier先一步抵达了偶数流，黄色的barrier还未到，但是因为数据的不中断一直处理，此时的先到的蓝色的barrier会将此时的偶数流的数据4进行缓存处理，流接着处理接下来的数据等待着黄色的barrier的到来，而黄色barrier之前的数据将会对缓存的数据相加

这次处理的总结：分界线对齐：barrier 向下游传递，sum 任务会等待所有输入分区的 barrier 到达，对于barrier已经到达的分区，继续到达的数据会被缓存。而barrier尚未到达的分区，数据会被正常处理

当收到所有输入分区的 barrier 时，任务就将其状态保存到状态后端的检查点中，然后将 barrier 继续向下游转发
当蓝色的barrier和黄色的barrier(所有分区的)都到达后，进行状态保存到远程仓库，然后对JobManager发送消息，说自己的检查点保存完毕了

此时的偶数流和奇数流都为8

向下游转发检查点 barrier 后，任务继续正常的数据处理

Sink 任务向 JobManager 确认状态保存到 checkpoint 完毕
当所有任务都确认已成功将状态保存到检查点时，检查点就真正完成了

四、保存点(Savepoints)

CheckPoint为自动保存，SavePoint为手动保存

1、 Flink还提供了可以自定义的镜像保存功能，就是保存点（savepoints）；
2、原则上，创建保存点使用的算法与检查点完全相同，因此保存点可以认为就是具有一些额外元数据的检查点；
3、 Flink不会自动创建保存点，因此用户（或者外部调度程序）必须明确地触发创建操作；
4、保存点是一个强大的功能除了故障恢复外，保存点可以用于：有计划的手动备份、更新应用程序、版本迁移、暂停和重启程序，等等；

五、检查点和重启策略配置

package org.flink.state;

import org.flink.beans.SensorReading;
import org.apache.flink.api.common.restartstrategy.RestartStrategies;
import org.apache.flink.api.common.time.Time;
import org.apache.flink.contrib.streaming.state.RocksDBStateBackend;
import org.apache.flink.runtime.state.filesystem.FsStateBackend;
import org.apache.flink.runtime.state.memory.MemoryStateBackend;
import org.apache.flink.streaming.api.CheckpointingMode;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

/**
 * @remark      状态后端测试
 */
public class StateTest4_FaultTolerance {
   
     
    public static void main(String[] args) throws Exception{
   
     
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        // 1. 状态后端配置
        env.setStateBackend( new MemoryStateBackend());
        env.setStateBackend( new FsStateBackend(""));
        env.setStateBackend( new RocksDBStateBackend(""));

        // 2. 检查点配置
        env.enableCheckpointing(300);

        // 高级选项
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(60000L);
        env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(2);
        env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(100L);
        env.getCheckpointConfig().setPreferCheckpointForRecovery(true);
        env.getCheckpointConfig().setTolerableCheckpointFailureNumber(0);

        // 3. 重启策略配置
        // 固定延迟重启
        env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(3, 10000L));
        // 失败率重启
        env.setRestartStrategy(RestartStrategies.failureRateRestart(3, Time.minutes(10), Time.minutes(1)));

        // socket文本流
        DataStream<String> inputStream = env.socketTextStream("10.31.1.122", 7777);

        // 转换成SensorReading类型
        DataStream<SensorReading> dataStream = inputStream.map(line -> {
   
     
            String[] fields = line.split(",");
            return new SensorReading(fields[0], new Long(fields[1]), new Double(fields[2]));
        });

        dataStream.print();
        env.execute();
    }
}

六、状态一致性

6.1 概述

有状态的流处理，内部每个算子任务都可以有自己的状态

对于流处理器内部来说，所谓的状态一致性，其实就是我们所说的计算结果要保证准确。

一条数据不应该丢失，也不应该重复计算

在遇到故障时可以恢复状态，恢复以后的重新计算，结果应该也是完全正确的。

6.2 分类

Flink的一个重大价值在于，它既保证了exactly-once，也具有低延迟和高吞吐的处理能力。

1、 AT-MOST-ONCE（最多一次）当任务故障时，最简单的做法是什么都不干，既不恢复丢失的状态，也不重播丢失的数据At-most-once语义的含义是最多处理一次事件；
这其实是没有正确性保障的委婉说法——故障发生之后，计算结果可能丢失。类似的比如网络协议的udp。 2、 AT-LEAST-ONCE（至少一次）在大多数的真实应用场景，我们希望不丢失事件这种类型的保障称为at-least-once，意思是所有的事件都得到了处理，而一些事件还可能被处理多次；
这表示计数结果可能大于正确值，但绝不会小于正确值。也就是说，计数程序在发生故障后可能多算，但是绝不会少算。 3、 EXACTLY-ONCE（精确一次）恰好处理一次是最严格的保证，也是最难实现的恰好处理一次语义不仅仅意味着没有事件丢失，还意味着针对每一个数据，内部状态仅仅更新一次；
这指的是系统保证在发生故障后得到的计数结果与正确值一致。

6.3 一致性检查点(Checkpoints)

Flink使用了一种轻量级快照机制——检查点（checkpoint）来保证exactly-once语义
有状态流应用的一致检查点，其实就是：所有任务的状态，在某个时间点的一份备份（一份快照）。而这个时间点，应该是所有任务都恰好处理完一个相同的输入数据的时间。
应用状态的一致检查点，是Flink故障恢复机制的核心

端到端(end-to-end)状态一致性
目前我们看到的一致性保证都是由流处理器实现的，也就是说都是在Flink流处理器内部保证的；而在真实应用中，流处理应用除了流处理器以外还包含了数据源（例如Kafka）和输出到持久化系统

端到端的一致性保证，意味着结果的正确性贯穿了整个流处理应用的始终；每一个组件都保证了它自己的一致性

整个端到端的一致性级别取决于所有组件中一致性最弱的组件

端到端 exactly-once

1、内部保证——checkpoint；
2、 source端——可重设数据的读取位置；
3、 sink端——从故障恢复时，数据不会重复写入外部系统；
1)幂等写入
2)事务写入

幂等写入
所谓幂等操作，是说一个操作，可以重复执行很多次，但只导致一次结果更改，也就是说，后面再重复执行就不起作用了。

（中间可能会存在不正确的情况，只能保证最后结果正确。比如5=>10=>15=>5=>10=>15，虽然最后是恢复到了15，但是中间有个恢复的过程，如果这个过程能够被读取，就会出问题。）

事务写入

1、事务（Transaction）；
1)应用程序中一系列严密的操作，所有操作必须成功完成，否则在每个操作中所作的所有更改都会被撤销
2)具有原子性：一个事务中的一系列的操作要么全部成功，要么一个都不做 2、实现思想；
1)构建的事务对应着checkpoint，等到checkpoint真正完成的时候，才把所有对应的结果写入sink系统中。 3、实现方式；
1)预写日志
2)两阶段提交

预写日志(Write-Ahead-Log，WAL)
把结果数据先当成状态保存，然后在收到checkpoint完成的通知时，一次性写入sink系统
简单易于实现，由于数据提前在状态后端中做了缓存，所以无论什么sink系统，都能用这种方式一批搞定
DataStream API提供了一个模版类：GenericWriteAheadSink，来实现这种事务性sink

两阶段提交(Two-Phase-Commit，2PC)
对于每个checkpoint，sink任务会启动一个事务，并将接下来所有接收到的数据添加到事务里
然后将这些数据写入外部sink系统，但不提交它们——这时只是"预提交"
这种方式真正实现了exactly-once，它需要一个提供事务支持的外部sink系统。Flink提供了TwoPhaseCommitSinkFunction接口

不同Source和Sink的一致性保证

七、 Flink+Kafka 端到端状态一致性的保证

内部——利用checkpoint机制，把状态存盘，发生故障的时候可以恢复，保证内部的状态一致性
source——kafka consumer作为source，可以将偏移量保存下来，如果后续任务出现了故障，恢复的时候可以由连接器重制偏移量，重新消费数据，保证一致性
sink——kafka producer作为sink，采用两阶段提交sink，需要实现一个TwoPhaseCommitSinkFunction

Exactly-once 两阶段提交

JobManager 协调各个 TaskManager 进行 checkpoint 存储
checkpoint保存在 StateBackend中，默认StateBackend是内存级的，也可以改为文件级的进行持久化保存

当checkpoint 启动时，JobManager 会将检查点分界线（barrier）注入数据流
barrier会在算子间传递下去

每个算子会对当前的状态做个快照，保存到状态后端
checkpoint 机制可以保证内部的状态一致性

每个内部的 transform 任务遇到 barrier 时，都会把状态存到 checkpoint 里

sink 任务首先把数据写入外部 kafka，这些数据都属于预提交的事务；遇到 barrier 时，把状态保存到状态后端，并开启新的预提交事务

(barrier之前的数据还是在之前的事务中没关闭事务，遇到barrier后的数据另外新开启一个事务)

当所有算子任务的快照完成，也就是这次的 checkpoint 完成时，JobManager 会向所有任务发通知，确认这次 checkpoint 完成
sink 任务收到确认通知，正式提交之前的事务，kafka 中未确认数据改为“已确认”

Exactly-once 两阶段提交步骤总结

1、第一条数据来了之后，开启一个kafka的事务（transaction），正常写入kafka分区日志但标记为未提交，这就是“预提交”；
2、 jobmanager触发checkpoint操作，barrier从source开始向下传递，遇到barrier的算子将状态存入状态后端，并通知jobmanager；
3、 sink连接器收到barrier，保存当前状态，存入checkpoint，通知jobmanager，并；
开启下一阶段的事务，用于提交下个检查点的数据 4、 jobmanager收到所有任务的通知，发出确认信息，表示checkpoint完成；
5、 sink任务收到jobmanager的确认信息，正式提交这段时间的数据；
6、外部kafka关闭事务，提交的数据可以正常消费了；

一、 一致性检查点(checkpoint)

二、 从检查点恢复状态