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引言
近些年，企业对数据服务实时化服务的需求日益增多。本文整理了常见实时数据组件的性能特点和适用场景，介绍了美团如何通过 Flink 引擎构建实时数据仓库，从而提供高效、稳健的实时数据服务。此前我们美团技术博客发布过一篇文章《流计算框架 Flink 与 Storm 的性能对比》，对 Flink 和 Storm 俩个引擎的计算性能进行了比较。本文主要阐述使用 Flink 在实际数据生产上的经验。
实时平台初期架构
在实时数据系统建设初期，由于对实时数据的需求较少，形成不了完整的数据体系。我们采用的是“一路到底”的开发模式：通过在实时计算平台上部署 Storm 作业处理实时数据队列来提取数据指标，直接推送到实时应用服务中。
<center> 图 1 初期实时数据架构 </center>
但是，随着产品和业务人员对实时数据需求的不断增多，新的挑战也随之发生。
数据指标越来越多，“烟囱式”的开发导致代码耦合问题严重。
需求越来越多，有的需要明细数据，有的需要 OLAP 分析。单一的开发模式难以应付多种需求。
缺少完善的监控系统，无法在对业务产生影响之前发现并修复问题。
实时数据仓库的构建
为解决以上问题，我们根据生产离线数据的经验，选择使用分层设计方案来建设实时数据仓库，其分层架构如下图所示：
<center> 图 2 实时数仓数据分层架构 </center>
该方案由以下四层构成：
ODS 层：Binlog 和流量日志以及各业务实时队列。
数据明细层：业务领域整合提取事实数据，离线全量和实时变化数据构建实时维度数据。
数据汇总层：使用宽表模型对明细数据补充维度数据，对共性指标进行汇总。
App 层：为了具体需求而构建的应用层，通过 RPC 框架对外提供服务。
通过多层设计我们可以将处理数据的流程沉淀在各层完成。比如在数据明细层统一完成数据的过滤、清洗、规范、脱敏流程；在数据汇总层加工共性的多维指标汇总数据。提高了代码的复用率和整体生产效率。同时各层级处理的任务类型相似，可以采用统一的技术方案优化性能，使数仓技术架构更简洁。
技术选型
1. 存储引擎的调研
实时数仓在设计中不同于离线数仓在各层级使用同种储存方案，比如都存储在 Hive、DB 中的策略。首先对中间过程的表，采用将结构化的数据通过消息队列存储和高速 KV 存储混合的方案。实时计算引擎可以通过监听消息消费消息队列内的数据，进行实时计算。而在高速 KV 存储上的数据则可以用于快速关联计算，比如维度数据。其次在应用层上，针对数据使用特点配置存储方案直接写入。避免了离线数仓应用层同步数据流程带来的处理延迟。为了解决不同类型的实时数据需求，合理的设计各层级存储方案，我们调研了美团内部使用比较广泛的几种存储方案。
<center> 表 1 存储方案列表 </center>
方案
优势
劣势
MySQL
1. 具有完备的事务功能，可以对数据进行更新。2. 支持 SQL，开发成本低。
1. 横向扩展成本大，存储容易成为瓶颈；2. 实时数据的更新和查询频率都很高，线上单个实时应用请求就有 1000+ QPS；使用 MySQL 成本太高。
Elasticsearch
1. 吞吐量大，单个机器可以支持 2500+ QPS，并且集群可以快速横向扩展。2. Term 查询时响应速度很快，单个机器在 2000+ QPS 时，查询延迟在 20 ms 以内。
1. 没有原生的 SQL 支持，查询 DSL 有一定的学习门槛；2. 进行聚合运算时性能下降明显。
Druid
1. 支持超大数据量，通过 Kafka 获取实时数据时，单个作业可支持 6W+ QPS；2. 可以在数据导入时通过预计算对数据进行汇总，减少的数据存储。提高了实际处理数据的效率；3. 有很多开源 OLAP 分析框架。实现如 Superset。
1. 预聚合导致无法支持明细的查询；2. 无法支持 Join 操作；3. Append-only 不支持数据的修改。只能以 Segment 为单位进行替换。
Cellar
1. 支持超大数据量，采用内存加分布式存储的架构，存储性价比很高；2. 吞吐性能好，经测试处理 3W+ QPS 读写请求时，平均延迟在 1ms 左右；通过异步读写线上最高支持 10W+ QPS。
1. 接口仅支持 KV，Map，List 以及原子加减等；2. 单个 Key 值不得超过 1KB，而 Value 的值超过 100KB 时则性能下降明显。
根据不同业务场景，实时数仓各个模型层次使用的存储方案大致如下：
<center> 图 3 实时数仓存储分层架构 </center>
数据明细层 对于维度数据部分场景下关联的频率可达 10w+ TPS，我们选择 Cellar（美团内部存储系统）作为存储，封装维度服务为实时数仓提供维度数据。
数据汇总层 对于通用的汇总指标，需要进行历史数据关联的数据，采用和维度数据一样的方案通过 Cellar 作为存储，用服务的方式进行关联操作。
数据应用层 应用层设计相对复杂，再对比了几种不同存储方案后。我们制定了以数据读写频率 1000 QPS 为分界的判断依据。对于读写平均频率高于 1000 QPS 但查询不太复杂的实时应用，比如商户实时的经营数据。采用 Cellar 为存储，提供实时数据服务。对于一些查询复杂的和需要明细列表的应用，使用 Elasticsearch 作为存储则更为合适。而一些查询频率低，比如一些内部运营的数据。Druid 通过实时处理消息构建索引，并通过预聚合可以快速的提供实时数据 OLAP 分析功能。对于一些历史版本的数据产品进行实时化改造时，也可以使用 MySQL 存储便于产品迭代。
2. 计算引擎的调研
在实时平台建设初期我们使用 Storm 引擎来进行实时数据处理。Storm 引擎虽然在灵活性和性能上都表现不错。但是由于 API 过于底层，在数据开发过程中需要对一些常用的数据操作进行功能实现。比如表关联、聚合等，产生了很多额外的开发工作，不仅引入了很多外部依赖比如缓存，而且实际使用时性能也不是很理想。同时 Storm 内的数据对象 Tuple 支持的功能也很简单，通常需要将其转换为 Java 对象来处理。对于这种基于代码定义的数据模型，通常我们只能通过文档来进行维护。不仅需要额外的维护工作，同时在增改字段时也很麻烦。综合来看使用 Storm 引擎构建实时数仓难度较大。我们需要一个新的实时处理方案，要能够实现：
提供高级 API，支持常见的数据操作比如关联聚合，最好是能支持 SQL。
具有状态管理和自动支持久化方案，减少对存储的依赖。
便于接入元数据服务，避免通过代码管理数据结构。
处理性能至少要和 Storm 一致。
我们对主要的实时计算引擎进行了技术调研。总结了各类引擎特性如下表所示：
<center> 表 2 实时计算方案列表 </center>
项目 / 引擎
Storm
Flink
spark-treaming
API
灵活的底层 API 和具有事务保证的 Trident API
流 API 和更加适合数据开发的 Table API 和 Flink SQL 支持
流 API 和 Structured-Streaming API 同时也可以使用更适合数据开发的 Spark SQL
容错机制
ACK 机制
State 分布式快照保存点
RDD 保存点
状态管理
Trident State 状态管理
Key State 和 Operator State 两种 State 可以使用，支持多种持久化方案
有 UpdateStateByKey 等 API 进行带状态的变更，支持多种持久化方案
处理模式
单条流式处理
单条流式处理
Mic batch 处理
延迟
毫秒级
毫秒级
秒级
语义保障
At Least Once，Exactly Once
Exactly Once，At Least Once
At Least Once
从调研结果来看，Flink 和 Spark Streaming 的 API、容错机制与状态持久化机制都可以解决一部分我们目前使用 Storm 中遇到的问题。但 Flink 在数据延迟上和 Storm 更接近，对现有应用影响最小。而且在公司内部的测试中 Flink 的吞吐性能对比 Storm 有十倍左右提升。综合考量我们选定 Flink 引擎作为实时数仓的开发引擎。
更加引起我们注意的是，Flink 的 Table 抽象和 SQL 支持。虽然使用 Strom 引擎也可以处理结构化数据。但毕竟依旧是基于消息的处理 API，在代码层层面上不能完全享受操作结构化数据的便利。而 Flink 不仅支持了大量常用的 SQL 语句，基本覆盖了我们的开发场景。而且 Flink 的 Table 可以通过 TableSchema 进行管理，支持丰富的数据类型和数据结构以及数据源。可以很容易的和现有的元数据管理系统或配置管理系统结合。通过下图我们可以清晰的看出 Storm 和 Flink 在开发统过程中的区别。
<center> 图 4 Flink – Storm 对比图 </center>
在使用 Storm 开发时处理逻辑与实现需要固化在 Bolt 的代码。Flink 则可以通过 SQL 进行开发，代码可读性更高，逻辑的实现由开源框架来保证可靠高效，对特定场景的优化只要修改 Flink SQL 优化器功能实现即可，而不影响逻辑代码。使我们可以把更多的精力放到到数据开发中，而不是逻辑的实现。当需要离线数据和实时数据口径统一的场景时，我们只需对离线口径的 SQL 脚本稍加改造即可，极大地提高了开发效率。同时对比图中 Flink 和 Storm 使用的数据模型，Storm 需要通过一个 Java 的 Class 去定义数据结构，Flink Table 则可以通过元数据来定义。可以很好的和数据开发中的元数据，数据治理等系统结合，提高开发效率。
Flink 使用心得
在利用 Flink-Table 构建实时数据仓库过程中。我们针对一些构建数据仓库的常用操作，比如数据指标的维度扩充，数据按主题关联，以及数据的聚合运算通过 Flink 来实现总结了一些使用心得。
1. 维度扩充
数据指标的维度扩充，我们采用的是通过维度服务获取维度信息。虽然基于 Cellar 的维度服务通常的响应延迟可以在 1ms 以下。但是为了进一步优化 Flink 的吞吐，我们对维度数据的关联全部采用了异步接口访问的方式，避免了使用 RPC 调用影响数据吞吐。对于一些数据量很大的流，比如流量日志数据量在 10W 条 / 秒这个量级。在关联 UDF 的时候内置了缓存机制，可以根据命中率和时间对缓存进行淘汰，配合用关联的 Key 值进行分区，显著减少了对外部服务的请求次数，有效的减少了处理延迟和对外部系统的压力。
2. 数据关联
数据主题合并，本质上就是多个数据源的关联，简单的来说就是 Join 操作。Flink 的 Table 是建立在无限流这个概念上的。在进行 Join 操作时并不能像离线数据一样对两个完整的表进行关联。采用的是在窗口时间内对数据进行关联的方案，相当于从两个数据流中各自截取一段时间的数据进行 Join 操作。有点类似于离线数据通过限制分区来进行关联。同时需要注意 Flink 关联表时必须有至少一个“等于”关联条件，因为等号两边的值会用来分组。由于 Flink 会缓存窗口内的全部数据来进行关联，缓存的数据量和关联的窗口大小成正比。因此 Flink 的关联查询，更适合处理一些可以通过业务规则限制关联数据时间范围的场景。比如关联下单用户购买之前 30 分钟内的浏览日志。过大的窗口不仅会消耗更多的内存，同时会产生更大的 Checkpoint，导致吞吐下降或 Checkpoint 超时。在实际生产中可以使用 RocksDB 和启用增量保存点模式，减少 Checkpoint 过程对吞吐产生影响。对于一些需要关联窗口期很长的场景，比如关联的数据可能是几天以前的数据。对于这些历史数据，我们可以将其理解为是一种已经固定不变的 ” 维度 ”。可以将需要被关联的历史数据采用和维度数据一致的处理方法：” 缓存 + 离线 ” 数据方式存储，用接口的方式进行关联。另外需要注意 Flink 对多表关联是直接顺序链接的，因此需要注意先进行结果集小的关联。
3. 聚合运算
使用聚合运算时，Flink 对常见的聚合运算如求和、极值、均值等都有支持。美中不足的是对于 Distinct 的支持，Flink-1.6 之前的采用的方案是通过先对去重字段进行分组再聚合实现。对于需要对多个字段去重聚合的场景，只能分别计算再进行关联处理效率很低。为此我们开发了自定义的 UDAF，实现了 MapView 精确去重、BloomFilter 非精确去重、HyperLogLog 超低内存去重方案应对各种实时去重场景。但是在使用自定义的 UDAF 时，需要注意 RocksDBStateBackend 模式对于较大的 Key 进行更新操作时序列化和反序列化耗时很多。可以考虑使用 FsStateBackend 模式替代。另外要注意的一点 Flink 框架在计算比如 Rank 这样的分析函数时，需要缓存每个分组窗口下的全部数据才能进行排序，会消耗大量内存。建议在这种场景下优先转换为 TopN 的逻辑，看是否可以解决需求。
下图展示一个完整的使用 Flink 引擎生产一张实时数据表的过程：
<center> 图 5 实时计算流程图 </center>
实时数仓成果
通过使用实时数仓代替原有流程，我们将数据生产中的各个流程抽象到实时数仓的各层当中。实现了全部实时数据应用的数据源统一，保证了应用数据指标、维度的口径的一致。在几次数据口径发生修改的场景中，我们通过对仓库明细和汇总进行改造，在完全不用修改应用代码的情况下就完成全部应用的口径切换。在开发过程中通过严格的把控数据分层、主题域划分、内容组织标准规范和命名规则。使数据开发的链路更为清晰，减少了代码的耦合。再配合上使用 Flink SQL 进行开发，代码加简洁。单个作业的代码量从平均 300+ 行的 JAVA 代码，缩减到几十行的 SQL 脚本。项目的开发时长也大幅减短，一人日开发多个实时数据指标情况也不少见。
除此以外我们通过针对数仓各层级工作内容的不同特点，可以进行针对性的性能优化和参数配置。比如 ODS 层主要进行数据的解析、过滤等操作，不需要 RPC 调用和聚合运算。我们针对数据解析过程进行优化，减少不必要的 JSON 字段解析，并使用更高效的 JSON 包。在资源分配上，单个 CPU 只配置 1GB 的内存即可满需求。而汇总层主要则主要进行聚合与关联运算，可以通过优化聚合算法、内外存共同运算来提高性能、减少成本。资源配置上也会分配更多的内存，避免内存溢出。通过这些优化手段，虽然相比原有流程实时数仓的生产链路更长，但数据延迟并没有明显增加。同时实时数据应用所使用的计算资源也有明显减少。
展望
我们的目标是将实时仓库建设成可以和离线仓库数据准确性，一致性媲美的数据系统。为商家，业务人员以及美团用户提供及时可靠的数据服务。同时作为到餐实时数据的统一出口，为集团其他业务部门助力。未来我们将更加关注在数据可靠性和实时数据指标管理。建立完善的数据监控，数据血缘检测，交叉检查机制。及时对异常数据或数据延迟进行监控和预警。同时优化开发流程，降低开发实时数据学习成本。让更多有实时数据需求的人，可以自己动手解决问题。
参考文献
流计算框架 Flink 与 Storm 的性能对比
关于作者
伟伦，美团到店餐饮技术部实时数据负责人，2017 年加入美团，长期从事数据平台、实时数据计算、数据架构方面的开发工作。在使用 Flink 进行实时数据生产和提高生产效率上，有一些心得和产出。同时也积极推广 Flink 在实时数据处理中的实战经验。
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