Flink 状态管理和容错机制介绍

本文主要内容如下:

  • 有状态的流数据处理;
  • Flink中的状态接口;
  • 状态管理和容错机制实现;

1. 有状态的流数据处理

1.1 什么是有状态的计算

计算任务的结果不仅仅依赖于输入,还依赖于它的当前状态,其实大多数的计算都是有状态的计算。比如wordcount,给一些word,其计算它的count,这是一个很常见的业务场景。count做为输出,在计算的过程中要不断的把输入累加到count上去,那么count就是一个state。

1.2 传统的流计算系统缺少对于程序状态的有效支持

  • 状态数据的存储和访问;
  • 状态数据的备份和恢复;
  • 状态数据的划分和动态扩容;

在传统的批处理中,数据是划分为块分片去完成的,然后每一个Task去处理一个分片。当分片执行完成后,把输出聚合起来就是最终的结果。在这个过程当中,对于state的需求还是比较小的。

对于流计算而言,对State有非常高的要求,因为在流系统中输入是一个无限制的流,会运行很长一段时间,甚至运行几天或者几个月都不会停机。在这个过程当中,就需要将状态数据很好的管理起来。很不幸的是,在传统的流计算系统中,对状态管理支持并不是很完善。比如storm,没有任何程序状态的支持,一种可选的方案是storm+hbase这样的方式去实现,把状态数据存放在Hbase中,计算的时候再次从Hbase读取出来,做更新在写入进去。这样就会有如下几个问题:

  • 流计算系统的任务和Hbase的数据存储有可能不在同一台机器上,导致性能会很差。这样经常会做远端的访问,走网络和存储;
  • 备份和恢复是比较困难,因为Hbase是没有回滚的,要做到 Exactly-Onces 语义很困难。在分布式环境下,如果程序出现故障,只能重启Storm,那么Hbase的数据也就无法回滚到之前的状态。比如广告计费的这种场景,Storm+Hbase是是行不通的,出现的问题是钱可能就会多算,解决以上的办法是Storm+Mysql,通过Mysql的回滚解决一致性的问题。但是架构会变得非常复杂。性能也会很差,要commit确保数据的一致性。
  • 对于storm而言状态数据的划分和动态扩容也是非常难做。一个很严重的问题是所有用户都会在Strom上重复的做这些工作,比如搜索,广告都要在做一遍,由此限制了部门的业务发展。

1.3 Flink丰富的状态访问和高效的容错机制

Flink在最早设计的时候就意识到了这个问题,并提供了丰富的状态访问和容错机制。如下图所示:

2. Flink中的状态管理

按照数据的划分和扩张方式,Flink中大致分为2类:

  • Keyed States
  • Operator States

2.1 Keyed States

Keyed States 的使用:

Flink也提供了Keyed States多种数据结构类型:

Keyed States的动态扩容:

2.2 Operator State

2.2.1 Operator States的使用:

Operator States的数据结构不像Keyed States丰富,现在只支持List。

2.2.2 Operator States多种扩展方式

Operator States的动态扩展是非常灵活的,现提供了3种扩展,下面分别介绍:

  • ListState:并发度在改变的时候,会将并发上的每个List都取出,然后把这些List合并到一个新的List,然后根据元素的个数在均匀分配给新的Task;
  • UnionListState:相比于ListState更加灵活,把划分的方式交给用户去做,当改变并发的时候,会将原来的List拼接起来。然后不做划分,直接交给用户;
  • BroadcastState:如大表和小表做Join时,小表可以直接广播给大表的分区,在每个并发上的数据都是完全一致的。做的更新也相同,当改变并发的时候,把这些数据COPY到新的Task即可
    以上是Flink Operator States提供的3种扩展方式,用户可以根据自己的需求做选择。
2.2.3 使用Checkpoint提高程序的可靠性

用户可以根据的程序里面的配置将checkpoint打开,给定一个时间间隔后,框架会按照时间间隔给程序的状态进行备份。当发生故障时,Flink会将所有Task的状态一起恢复到Checkpoint的状态。从哪个位置开始重新执行。

Flink也提供了多种正确性的保障,包括:

  • AT LEAST ONCE;
  • Exactly-once;

2.2.4 备份为保存在State中的程序状态数据

Flink也提供了一套机制,允许把这些状态放到内存当中。做Checkpoint的时候,由Flink去完成恢复。

2.2.5 从已停止作业的运行状态中恢复

当组件升级的时候,需要停止当前作业。这个时候需要从之前停止的作业当中恢复,Flink提供了2种机制恢复作业:

  • Savepoint:是一种特殊的checkpoint,只不过不像checkpoint定期的从系统中去触发的,它是用户通过命令触发,存储格式和checkpoint也是不相同的,会将数据按照一个标准的格式存储,不管配置什么样,Flink都会从这个checkpoint恢复,是用来做版本升级一个非常好的工具;
  • External Checkpoint:对已有checkpoint的一种扩展,就是说做完一次内部的一次Checkpoint后,还会在用户给定的一个目录中,多存储一份checkpoint的数据;

3. 状态管理和容错机制实现

下面介绍一下状态管理和容错机制实现方式。

3.1 StateBackend

Flink提供了3种不同的StateBackend

  • MemoryStateBackend
  • FsStateBackend
  • RockDBStateBackend

用户可以根据自己的需求选择,如果数据量较小,可以存放到 MemoryStateBackend 和 FsStateBackend 中,如果数据量较大,可以放到 RockDB 中。下面介绍 HeapKeyedStateBackend 和 RockDBKeyedStateBackend。

3.1.1 HeapKeyedStateBackend

3.1.2 RockDBKeyedStateBackend

3.2 Checkpoint

3.2.1 Checkpoint的执行流程

Checkpoint的执行流程是按照Chandy-Lamport算法实现的:

3.2.2 Checkpoint Barrier的对齐

3.2.3 全量Checkpoint

全量Checkpoint会在每个节点做备份数据时,只需要将数据都便利一遍,然后写到外部存储中,这种情况会影响备份性能。在此基础上做了优化。

3.2.4 RockDB的增量Checkpoint

RockDB的数据会更新到内存,当内存满时,会写入到磁盘中。增量的机制会将新产生的文件COPY持久化中,而之前产生的文件就不需要COPY到持久化中去了。通过这种方式减少COPY的数据量,并提高性能。

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