31、Flink 基础 - Table API和Flink SQL之流处理中的特殊概念

一、 流处理中的特殊概念

Table API 和 SQL，本质上还是基于关系型表的操作方式；而关系型表、关系代数，以及 SQL 本身，一般是有界的，更适合批处理的场景。这就导致在进行流处理的过程中，理解会 稍微复杂一些，需要引入一些特殊概念。

1.1 流处理和关系代数（表，及 SQL）的区别

可以看到，其实关系代数（主要就是指关系型数据库中的表）和 SQL，主要就是针对批 处理的，这和流处理有天生的隔阂。

1.2 动态表（Dynamic Tables）

因为流处理面对的数据，是连续不断的，这和我们熟悉的关系型数据库中保存的“表” 完全不同。所以，如果我们把流数据转换成 Table，然后执行类似于 table 的 select 操作，结 果就不是一成不变的，而是随着新数据的到来，会不停更新。
我们可以随着新数据的到来，不停地在之前的基础上更新结果。这样得到的表，在 Flink Table API 概念里，就叫做“动态表”（Dynamic Tables）。

动态表是 Flink 对流数据的 Table API 和 SQL 支持的核心概念。与表示批处理数据的静态 表不同，动态表是随时间变化的。动态表可以像静态的批处理表一样进行查询，查询一个动 态表会产生持续查询（Continuous Query）。连续查询永远不会终止，并会生成另一个动态表。
查询（Query）会不断更新其动态结果表，以反映其动态输入表上的更改。

1.3 流式持续查询的过程

下图显示了流、动态表和连续查询的关系：

流式持续查询的过程为：

1、 流被转换为动态表；
2、 对动态表计算连续查询，生成新的动态表；
3、 生成的动态表被转换回流；

1.3.1 将流转换成表（Table）

为了处理带有关系查询的流，必须先将其转换为表。 从概念上讲，流的每个数据记录，都被解释为对结果表的插入（Insert）修改。因为流式持续不断的，而且之前的输出结果无法改变。本质上，我们其实是从一个、只有插入操作的 changelog（更新日志）流，来构建一个表。

为了更好地说明动态表和持续查询的概念，我们来举一个具体的例子。 比如，我们现在的输入数据，就是用户在网站上的访问行为，数据类型（Schema）如下：

user:	VARCHAR,	// 用户名
cTime: TIMESTAMP, // 访问某个 URL 的时间戳
url:	VARCHAR      // 用户访问的 URL

下图显示了如何将访问 URL 事件流，或者叫点击事件流（左侧）转换为表（右侧）。

随着插入更多的访问事件流记录，生成的表将不断增长。

1.3.2 持续查询（Continuous Query）

持续查询，会在动态表上做计算处理，并作为结果生成新的动态表。与批处理查询不同， 连续查询从不终止，并根据输入表上的更新更新其结果表。

在任何时间点，连续查询的结果在语义上，等同于在输入表的快照上，以批处理模式执 行的同一查询的结果。

在下面的示例中，我们展示了对点击事件流中的一个持续查询。

这个 Query 很简单，是一个分组聚合做 count 统计的查询。它将用户字段上的 clicks 表 分组，并统计访问的 url 数。图中显示了随着时间的推移，当 clicks 表被其他行更新时如何 计算查询。

1.3.3 将动态表转换成流

与常规的数据库表一样，动态表可以通过插入（Insert）、更新（Update）和删除（Delete） 更改，进行持续的修改。将动态表转换为流或将其写入外部系统时，需要对这些更改进行编 码。Flink 的 Table API 和 SQL 支持三种方式对动态表的更改进行编码：

1、 仅追加（Append-only）流；
仅通过插入（Insert）更改，来修改的动态表，可以直接转换为“仅追加”流。这个流 中发出的数据，就是动态表中新增的每一行。 2、 撤回（Retract）流；
Retract 流是包含两类消息的流，添加（Add）消息和撤回（Retract）消息。 动态表通过将 INSERT 编码为 add 消息、DELETE 编码为 retract 消息、UPDATE 编码为被
更改行（前一行）的 retract 消息和更新后行（新行）的 add 消息，转换为 retract 流。 下图显示了将动态表转换为 Retract 流的过程。
3、 Upsert（更新插入）流；
Upsert 流包含两种类型的消息：Upsert 消息和 delete 消息。转换为 upsert 流的动态表， 需要有唯一的键（key）。
通过将 INSERT 和 UPDATE 更改编码为 upsert 消息，将 DELETE 更改编码为 DELETE 消息， 就可以将具有唯一键（Unique Key）的动态表转换为流。

下图显示了将动态表转换为 upsert 流的过程。

这些概念我们之前都已提到过。需要注意的是，在代码里将动态表转换为 DataStream 时，仅支持 Append 和 Retract 流。而向外部系统输出动态表的 TableSink 接口，则可以有不 同的实现，比如之前我们讲到的 ES，就可以有 Upsert 模式。

1.4 时间特性

基于时间的操作（比如 Table API 和 SQL 中窗口操作），需要定义相关的时间语义和时间 数据来源的信息。所以，Table 可以提供一个逻辑上的时间字段，用于在表处理程序中，指示时间和访问相应的时间戳。

时间属性，可以是每个表 schema 的一部分。一旦定义了时间属性，它就可以作为一个 字段引用，并且可以在基于时间的操作中使用。

时间属性的行为类似于常规时间戳，可以访问，并且进行计算。

1.4.1 处理时间（Processing Time）

处理时间语义下，允许表处理程序根据机器的本地时间生成结果。它是时间的最简单概 念。它既不需要提取时间戳，也不需要生成 watermark。

定义处理时间属性有三种方法：在 DataStream 转化时直接指定；在定义 Table Schema时指定；在创建表的 DDL 中指定。

1.4.1.1 DataStream 转化成 Table 时指定

由DataStream 转换成表时，可以在后面指定字段名来定义 Schema。在定义 Schema 期间，可以使用.proctime，定义处理时间字段。

注意，这个 proctime 属性只能通过附加逻辑字段，来扩展物理 schema。因此，只能在 schema 定义的末尾定义它。

代码如下：

// 定义好 DataStream

DataStream<String> inputStream = env.readTextFile("\\sensor.txt") DataStream<SensorReading> dataStream = inputStream
.map( line -> {
   
     

String[] fields = line.split(",");

return new SensorReading(fields[0], new Long(fields[1]), new

Double(fields[2]));

} );
// 将 DataStream 转换为 Table，并指定时间字段
Table sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream, "id, temperature, timestamp, pt.proctime");

1.4.1.2 定义Table Schema时指定

这种方法其实也很简单，只要在定义 Schema 的时候，加上一个新的字段，并指定成proctime 就可以了。

代码如下：

tableEnv.connect(

new FileSystem().path("..\\sensor.txt"))
.withFormat(new Csv())
.withSchema(new Schema()
.field("id", DataTypes.STRING())
.field("timestamp", DataTypes.BIGINT())
.field("temperature", DataTypes.DOUBLE())
.field("pt", DataTypes.TIMESTAMP(3))
.proctime()  // 指定 pt 字段为处理时间
) // 定义表结构
.createTemporaryTable("inputTable"); // 创建临时表

1.4.1.3 创建表的 DDL 中指定

在创建表的 DDL 中，增加一个字段并指定成 proctime，也可以指定当前的时间字段。

代码如下：

String sinkDDL = "create table dataTable (" +
"	id varchar(20) not null, " +
"	ts bigint, " +
"	temperature double, " +
"	pt AS PROCTIME() " +
") with (" +
"	'connector.type' = 'filesystem', " + " 'connector.path' = '/sensor.txt', " + " 'format.type' = 'csv')";
tableEnv.sqlUpdate(sinkDDL);

注意：运行这段 DDL，必须使用 Blink Planner。

1.4.2 事件时间（Event Time）

事件时间语义，允许表处理程序根据每个记录中包含的时间生成结果。这样即使在有乱 序事件或者延迟事件时，也可以获得正确的结果。

为了处理无序事件，并区分流中的准时和迟到事件；Flink 需要从事件数据中，提取时 间戳，并用来推进事件时间的进展（watermark）。

1.4.2.1 DataStream 转化成 Table 时指定

在DataStream 转换成 Table，schema 的定义期间，使用.rowtime 可以定义事件时间属性。 注意，必须在转换的数据流中分配时间戳和 watermark。

在将数据流转换为表时，有两种定义时间属性的方法。根据指定的.rowtime 字段名是否 存在于数据流的架构中，timestamp 字段可以：
⚫作为新字段追加到 schema
⚫替换现有字段
在这两种情况下，定义的事件时间戳字段，都将保存 DataStream 中事件时间戳的值。

代码如下：

DataStream<String> inputStream = env.readTextFile("\\sensor.txt") DataStream<SensorReading> dataStream = inputStream
.map( line -> {
   
     

String[] fields = line.split(",");

return new SensorReading(fields[0], new Long(fields[1]), new

Double(fields[2]));

} )

.assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor<SensorReading>(Time.seconds(1)) {
   
     
@Override

public long extractTimestamp(SensorReading element) {
   
     

return element.getTimestamp() * 1000L;

}

});
Table sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream, "id, timestamp.rowtime as ts, temperature");

1.4.2.2 定义 Table Schema 时指定

这种方法只要在定义 Schema 的时候，将事件时间字段，并指定成 rowtime 就可以了。

代码如下：

tableEnv.connect(

new FileSystem().path("sensor.txt"))
.withFormat(new Csv())
.withSchema(new Schema()
.field("id", DataTypes.STRING())
.field("timestamp", DataTypes.BIGINT())
.rowtime(
new Rowtime()
.timestampsFromField("timestamp")	// 从字段中提取时间戳
.watermarksPeriodicBounded(1000)	// watermark 延迟 1 秒
)
.field("temperature", DataTypes.DOUBLE())
) // 定义表结构
.createTemporaryTable("inputTable"); // 创建临时表

1.4.2.3 创建表的 DDL 中指定

事件时间属性，是使用 CREATE TABLE DDL 中的 WARDMARK 语句定义的。watermark 语 句，定义现有事件时间字段上的 watermark 生成表达式，该表达式将事件时间字段标记为事 件时间属性。

代码如下：

String sinkDDL = "create table dataTable (" +
" id varchar(20) not null, " +
"	ts bigint, " +
"	temperature double, " +
"	rt AS TO_TIMESTAMP( FROM_UNIXTIME(ts) ), " +
"	watermark for rt as rt - interval '1' second" +
") with (" +
"	'connector.type' = 'filesystem', " + " 'connector.path' = '/sensor.txt', " + " 'format.type' = 'csv')";

tableEnv.sqlUpdate(sinkDDL);

这里 FROM_UNIXTIME 是系统内置的时间函数，用来将一个整数（ 秒数） 转换成 “YYYY-MM-DD hh:mm:ss”格式（默认，也可以作为第二个 String 参数传入）的日期时间 字符串（date time string）；然后再用 TO_TIMESTAMP 将其转换成 Timestamp。

二、案例

代码:

package org.flink.tableapi;
import org.flink.beans.SensorReading;
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.table.api.Over;
import org.apache.flink.table.api.Table;
import org.apache.flink.table.api.Tumble;
import org.apache.flink.table.api.java.StreamTableEnvironment;
import org.apache.flink.types.Row;



public class TableTest5_TimeAndWindow {
   
     
    public static void main(String[] args) throws Exception {
   
     
        // 1. 创建环境
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);
        env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);

        StreamTableEnvironment tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env);

        // 2. 读入文件数据，得到DataStream
        DataStream<String> inputStream = env.readTextFile("C:\\Users\\Administrator\\IdeaProjects\\FlinkStudy\\src\\main\\resources\\sensor.txt");

        // 3. 转换成POJO
        DataStream<SensorReading> dataStream = inputStream.map(line -> {
   
     
            String[] fields = line.split(",");
            return new SensorReading(fields[0], new Long(fields[1]), new Double(fields[2]));
        })
                .assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor<SensorReading>(Time.seconds(2)) {
   
     
                    @Override
                    public long extractTimestamp(SensorReading element) {
   
     
                        return element.getTimestamp() * 1000L;
                    }
                });

        // 4. 将流转换成表，定义时间特性
//        Table dataTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream, "id, timestamp as ts, temperature as temp, pt.proctime");
        Table dataTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream, "id, timestamp as ts, temperature as temp, rt.rowtime");

        tableEnv.registerTable("sensor", dataTable);

        // 5. 窗口操作
        // 5.1 Group Window
        // table API
        Table resultTable = dataTable.window(Tumble.over("10.seconds").on("rt").as("tw"))
                .groupBy("id, tw")
                .select("id, id.count, temp.avg, tw.end");

        // SQL
        Table resultSqlTable = tableEnv.sqlQuery("select id, count(id) as cnt, avg(temp) as avgTemp, tumble_end(rt, interval '10' second) " +
                "from sensor group by id, tumble(rt, interval '10' second)");

        // 5.2 Over Window
        // table API
        Table overResult = dataTable.window(Over.partitionBy("id").orderBy("rt").preceding("2.rows").as("ow"))
                .select("id, rt, id.count over ow, temp.avg over ow");

        // SQL
        Table overSqlResult = tableEnv.sqlQuery("select id, rt, count(id) over ow, avg(temp) over ow " +
                " from sensor " +
                " window ow as (partition by id order by rt rows between 2 preceding and current row)");

//        dataTable.printSchema();
//        tableEnv.toAppendStream(resultTable, Row.class).print("result");
//        tableEnv.toRetractStream(resultSqlTable, Row.class).print("sql");
        tableEnv.toAppendStream(overResult, Row.class).print("result");
        tableEnv.toRetractStream(overSqlResult, Row.class).print("sql");

        env.execute();
    }
}

测试记录: