关于程序员:Flink-通过-State-Processor-API-实现状态的读取和写入

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Flink 通过 State Processor API 实现状态的读取和写入

大家好，我是 JasonLee。

在 1.9 版本之前，Flink 运行时的状态对于用户来说是一个黑盒，咱们是无法访问状态数据的，从 Flink-1.9 版本开始，官网提供了 State Processor API 这让用户读取和更新状态成为了可能，咱们能够通过 State Processor API 很不便的查看工作的状态，还能够在工作第一次启动的时候基于历史数据做状态冷启动。从此状态对于用户来说是通明的。上面就来看一下 State Processor API 的应用。

增加依赖 

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-state-processor-api_2.11</artifactId>
    <version>1.14.4</version>
</dependency>

Mapping Application State to DataSets

State Processor API 将流应用程序的状态映射到一个或多个能够独自解决的数据集。为了可能应用 API，咱们先来了解一下工作的状态和 DataSets 之间是如何映射的。

让咱们先看看有状态的 Flink 作业是什么样子的。Flink 作业由多个算子组成，通常有一个或多个 source 数据源，一些用于理论解决数据的算子，以及一个或多个 sink 算子。每个算子并行的在一个或多个 task 上运行，并且能够解决不同类型的状态。一个算子能够有 0、1 个或多个 operator states，这些状态被组织成 list，作用于所有的 tasks 上。如果 operator 利用于 keyed states，它还能够有 0 个、1 个或多个 keyed state，这些状态的作用域为从每个 record 中提取的 key。

下图显示了应用程序 MyApp，它由 Src、Proc 和 Snk 三个算子组成。Src 有一个 operator state 状态 (os1)，Proc 有一个 operator 状态 (os2) 和两个 keyed state 状态 (ks1, ks2)，而 Snk 是无状态的。

MyApp 的 SavePoint 或 CheckPoint 由所有的状态数据组成，以便能够复原每个 task 的状态。在应用 batch 作业处理保留点（或检查点）的数据时，咱们须要将各个工作状态的数据映射到数据集或表中的心智模型。实际上，咱们能够将保留点视为数据库。每个 operator（由其 UID 标识）代表 namespace。每一个算子的 operator state 在 namespace 里都映射到一个固定的表里，其中有一列蕴含所有 task 的状态数据。一个算子的所有 keyed state 都映射到由 key 的列组成的单个表，以及另外一列对应每一个 keyed state。下图显示了 MyApp 的保留点如何映射到数据库。

该图显示了 Src 的 operator state 的值是如何映射到一个表的，该表有一列和五行，每一行代表 Src 的所有并行任务中的每个列表条目。算子 Proc 的 operator state(os2) 相似地映射到单个表。keyed state ks1 和 ks2 合并到一个蕴含三列的表中，一列示意 key，一列用于 ks1，一列用于 ks2。这个 keyed table 为两个 keyed state 的每个不同 key 保留一行。因为算子 Snk 没有任何状态，所以它的 namespace 是空的。

Reading State

读取状态首先须要指定一个无效的 savepoint 或 checkpoint 的门路，以及应该用于复原数据的 StateBackend。复原状态的兼容性保障与复原 DataStream 应用程序时雷同。

ExecutionEnvironment bEnv   = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
ExistingSavepoint savepoint = Savepoint.load(bEnv, "hdfs://path/", new HashMapStateBackend());

读取状态时反对三种不同类型的状态：

  • Operator State
  • Keyed State
  • Window State

Writing New Savepoints

也能够编写 Savepoints，它容许这样的用例，如基于历史数据的启动状态。每个 Savepoints 由一个或多个 BootstrapTransformation(上面会解释) 组成，每个 BootstrapTransformation 都定义了单个算子的状态。

留神：state processor api 以后未提供 Scala API。因而，它将始终应用 Java 类型堆栈主动推断出序列化器。要为 Scala Datastream API 启动 savepoint 请在所有类型信息中手动传递。

初始化状态时反对四种不同类型的状态:

  • Operator State
  • Broadcast State
  • Keyed State
  • Window State

Modifying Savepoints

除了从长期创立一个 savepoint 外，你还能够基于现有的 Savepoints，当为现有作业启动单个新的算子时。

Savepoint
    .load(bEnv, oldPath, new HashMapStateBackend())
    .withOperator("uid", transformation)
    .write(newPath);

Read And Write State Demo

上面就来实现一下咱们平时应用最多的 Keyed State 状态的读取和写入。

Read State

package flink.state;

import bean.Jason;
import bean.UserDefinedSource;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.runtime.state.hashmap.HashMapStateBackend;
import org.apache.flink.streaming.api.CheckpointingMode;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.CheckpointConfig;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class FlinkStreamingDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);
        // 设置工作的最大并行度 也就是 keyGroup 的个数
        env.setMaxParallelism(128);
        //env.getConfig().setAutoWatermarkInterval(1000L);
        // 设置开启 checkpoint
        env.enableCheckpointing(10000L);
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);

        env.setStateBackend(new HashMapStateBackend());
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointStorage("file:///Users/jasonlee/flink-1.14.0/checkpoint");

        // 确保检查点之间有至多 500 ms 的距离【checkpoint 最小距离】env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(500);

        env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(1);
        env.getCheckpointConfig().setExternalizedCheckpointCleanup(CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);

        DataStreamSource<Jason> dataStreamSource = env.addSource(new UserDefinedSource());
        dataStreamSource.keyBy(k -> k.getName())
                .process(new KeyedProcessFunction<String, Jason, Jason>() {
                    private ValueState<Integer> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) throws Exception {ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("state", Types.INT);
                        state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Jason value, KeyedProcessFunction<String, Jason, Jason>.Context ctx, Collector<Jason> out) throws Exception {if (state.value() != null) {System.out.println("状态外面有数据 :" + state.value());
                            value.setAge(state.value() + value.getAge());
                            state.update(state.value() + value.getAge());
                        } else {state.update(value.getAge());
                        }
                        out.collect(value);
                    }
                }).uid("my-uid")
                .print("local-print");

        env.execute();}
}

代码非常简单，外面只用了一个 ValueState，来保留用户的 age，key 是 name。要为带状态的算子设置惟一的 uid(“my-uid”)，在读取状态的时候须要指定算子的 uid。

先把这个工作跑起来，而后只有工作 checkpoint 做胜利就能够把工作停掉了。

而后来看一下生成的 ck 文件。

能够看到做了 10 次 ck，那这里咱们就来读取 chk-10 这个 ck 外面的状态。

读取和写入状态的代码如下：

package flink.state;

import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.typeinfo.Types;
import org.apache.flink.api.java.DataSet;
import org.apache.flink.api.java.ExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.runtime.state.hashmap.HashMapStateBackend;
import org.apache.flink.state.api.BootstrapTransformation;
import org.apache.flink.state.api.ExistingSavepoint;
import org.apache.flink.state.api.OperatorTransformation;
import org.apache.flink.state.api.Savepoint;
import org.apache.flink.state.api.functions.KeyedStateBootstrapFunction;
import org.apache.flink.state.api.functions.KeyedStateReaderFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.List;

public class FlinkReadAndUpdateState {

    private static final String ckPath = "file:///Users/jasonlee/flink-1.14.0/checkpoint/b02f75ede7e3b093eb3b58bdd5906de3/chk-10";
    private static final Collection<KeyedState> data =
            Arrays.asList(new KeyedState("hive", 1), new KeyedState("JasonLee1", 100), new KeyedState("hhase", 3));

    public static void main(String[] args) throws Exception {stateRead(ckPath);
        //stateWrite("");
    }

    /**
     * 从 ck 读取状态数据
     * @param ckPath
     * @throws Exception
     */
    public static void stateRead(String ckPath) throws Exception {ExecutionEnvironment bEnv = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        bEnv.setParallelism(1);
        ExistingSavepoint savepoint = Savepoint.load(bEnv, ckPath, new HashMapStateBackend());
        DataSet<KeyedState> keyedState = savepoint.readKeyedState("my-uid", new ReaderFunction());
        List<KeyedState> keyedStates = keyedState.collect();
        for (KeyedState ks: keyedStates) {System.out.println(String.format("key: %s, value: %s", ks.key, ks.value));
        }
    }

    /**
     * 初始化状态数据
     * @param ckPath
     */
    public static void stateWrite(String ckPath) throws Exception {
        int maxParallelism = 128;

        ExecutionEnvironment bEnv = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        DataSet<KeyedState> dataKeyedState = bEnv.fromCollection(data);

        BootstrapTransformation<KeyedState> transformation = OperatorTransformation
                .bootstrapWith(dataKeyedState)
                .keyBy(k -> k.key)
                .transform(new WriterFunction());

        Savepoint
                .create(new HashMapStateBackend(), maxParallelism)
                .withOperator("uid-test", transformation)
                .write("file:///Users/jasonlee/flink-1.14.0/checkpoint/init_state");

        bEnv.execute();}

    public static class WriterFunction extends KeyedStateBootstrapFunction<String, KeyedState> {
        ValueState<Integer> state;
        @Override
        public void open(Configuration parameters) throws Exception {ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("state", Types.INT);
            state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);
        }

        @Override
        public void processElement(KeyedState value, KeyedStateBootstrapFunction<String, KeyedState>.Context ctx) throws Exception {state.update(value.value);
        }
    }

    public static class ReaderFunction extends KeyedStateReaderFunction<String, KeyedState> {
        ValueState<Integer> state;

        @Override
        public void open(Configuration parameters) {ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("state", Types.INT);
            state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);
        }

        @Override
        public void readKey(
                String key,
                Context ctx,
                Collector<KeyedState> out) throws Exception {KeyedState data = new KeyedState();
            data.key = key;
            data.value = state.value();
            out.collect(data);
        }
    }

    public static class KeyedState {
        public String key;
        public int value;

        public KeyedState(String key, int value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }

        public KeyedState() {}
    }
}

这里读取和写入状态的代码放到一起了，只需调用 savepoint 的 readKeyedState 办法指定一下下面代码外面设置的 uid，还须要继承 KeyedStateReaderFunction 实现 readKey 办法就能够了。代码比较简单，这里就不在多说。间接来看一下读取的后果。

执行这个代码，打印的状态数据如下：

key: JasonLee35, value: 35
key: JasonLee66, value: 66
key: JasonLee81, value: 81
key: JasonLee74, value: 74
key: JasonLee90, value: 90
key: JasonLee36, value: 36
key: JasonLee85, value: 85
key: JasonLee39, value: 39
key: JasonLee72, value: 72
key: JasonLee65, value: 65
key: JasonLee58, value: 58
key: JasonLee9, value: 9
key: JasonLee69, value: 69
key: JasonLee82, value: 82
key: JasonLee53, value: 53
key: JasonLee6, value: 6
key: JasonLee79, value: 79
key: JasonLee32, value: 32
key: JasonLee64, value: 64
key: JasonLee76, value: 76
key: JasonLee91, value: 91
key: JasonLee18, value: 18
key: JasonLee26, value: 26
key: JasonLee40, value: 40
key: JasonLee25, value: 25
key: JasonLee54, value: 54
key: JasonLee21, value: 21
key: JasonLee55, value: 55
key: JasonLee78, value: 78
key: JasonLee71, value: 71
key: JasonLee42, value: 42
key: JasonLee56, value: 56
key: JasonLee17, value: 17
key: JasonLee88, value: 88
key: JasonLee61, value: 61
key: JasonLee27, value: 27
key: JasonLee41, value: 41
key: JasonLee12, value: 12
key: JasonLee63, value: 63
key: JasonLee5, value: 5
key: JasonLee73, value: 73
key: JasonLee67, value: 67
key: JasonLee29, value: 29
key: JasonLee31, value: 31
key: JasonLee14, value: 14
key: JasonLee92, value: 92
key: JasonLee7, value: 7
key: JasonLee45, value: 45
key: JasonLee48, value: 48
key: JasonLee11, value: 11
key: JasonLee75, value: 75
key: JasonLee84, value: 84
key: JasonLee13, value: 13
key: JasonLee77, value: 77
key: JasonLee59, value: 59
key: JasonLee83, value: 83
key: JasonLee15, value: 15
key: JasonLee37, value: 37
key: JasonLee52, value: 52
key: JasonLee30, value: 30
key: JasonLee62, value: 62
key: JasonLee34, value: 34
key: JasonLee19, value: 19
key: JasonLee87, value: 87
key: JasonLee86, value: 86
key: JasonLee38, value: 38
key: JasonLee57, value: 57
key: JasonLee10, value: 10
key: JasonLee49, value: 49
key: JasonLee46, value: 46
key: JasonLee8, value: 8
key: JasonLee28, value: 28
key: JasonLee2, value: 2
key: JasonLee89, value: 89
key: JasonLee16, value: 16
key: JasonLee24, value: 24
key: JasonLee50, value: 50
key: JasonLee3, value: 3
key: JasonLee51, value: 51
key: JasonLee44, value: 44
key: JasonLee47, value: 47
key: JasonLee33, value: 33
key: JasonLee68, value: 68
key: JasonLee22, value: 22
key: JasonLee80, value: 80
key: JasonLee20, value: 20
key: JasonLee23, value: 23
key: JasonLee1, value: 1
key: JasonLee70, value: 70
key: JasonLee60, value: 60
key: JasonLee4, value: 4
key: JasonLee43, value: 43

能够看到这个就是咱们写入的状态数据。

而后再来测试一下初始化状态数据，跟读取状态刚好相同，咱们须要先写入一个状态到指定的门路。而后在指定这个状态门路启动工作。

运行下面写入的代码，会在 /Users/jasonlee/flink-1.14.0/checkpoint/init_state 门路上面生成一个 _metadata 文件。来看一下生成的文件。

这里我读取状态和写入状态用的是同一个算子，也就是下面的 KeyedProcessFunction 算子，留神在复原状态的时候须要把算子的 uid 改成和 .withOperator(“uid-test”, transformation) 参数保持一致。

而后就能够 通过上面的命令指定 ck 启动工作。

flink run -d -m yarn-cluster \
-Dyarn.application.name=FlinkStreamingNewDemoHome \
-Dyarn.application.queue=flink \
-Dmetrics.reporter.promgateway.groupingKey="jobname=FlinkStreamingNewDemoHome" \
-Dmetrics.reporter.promgateway.jobName=FlinkStreamingNewDemoHome \
-c flink.state.FlinkStreamingDemo \
-Denv.java.opts="-Dflink_job_name=FlinkStreamingNewDemoHome" \
-s hdfs:///flink-rockdb/checkpoints/init_state/_metadata \
/home/jason/bigdata/jar/flink-1.14.x-1.0-SNAPSHOT.jar

从上图能够看出工作的确是从咱们指定的 ck 复原的，这里其实和指定 checkpoint 或 savepoint 复原工作是一样的，能够再来看一下 TM 里咱们在代码外面打印的日志。

因为咱们初始化了 JasonLee1 100 所以从状态外面读取进去的是 100 而后第一条数据的 age 是 1 所以打印的 JasonLee1 101 是没问题的。整个读取和写入状态的流程就完结了，其余类型的状态这里就不在演示，用法根本都是一样的。理论应用的时候依据场景抉择不同类型的状态就能够了。

总结

State Processor API 提供了状态的读取写入以及批改的性能，从此状态对于用户来说是可见的，咱们能够不便的查看咱们本人定义的状态，也能够在工作启动之前初始化历史数据作为状态的冷启动，极大的丰盛了应用的场景。

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2022-09-19
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