Flink的双流join理解

如何保证Flink双流Join准确性和及时性、除了窗口join还存在哪些实现方式、究竟如何回答才能完全打动面试官呢。。你将在文中找到答案。
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1 引子

1.1 数据库SQL中的JOIN

我们先来看看数据库SQL中的JOIN操作。如下所示的订单查询SQL，通过将订单表的id和订单详情表order_id关联，获取所有订单下的商品信息。

select 
   a.id as '订单id',
   a.order_date as '下单时间',
   a.order_amount as '订单金额',
   b.order_detail_id as '订单详情id',
   b.goods_name as '商品名称',
   b.goods_price as '商品价格',
   b.order_id as '订单id'
from 
   dwd_order_info_pfd a
right join 
   dwd_order_detail_pfd b
on a.id = b.order_id

这是一段很简单的SQL代码，就不详细展开叙述了。此处主要引出SQL中的JOIN类型，这里用到的是 right join , 即右连接。

left join: 保留左表全部数据和右表关联数据，右表非关联数据置NULL
right join: 保留右表全部数据和左表关联数据，左表非关联数据置NULL
inner join: 保留左表关联数据和右边关联数据
cross join: 保留左表和右表数据笛卡尔积

基于关联键值逐行关联匹配，过滤表数据并生成最终结果，提供给下游数据分析使用。

就此打住，关于数据库SQL中的JOIN原理不再多赘述，感兴趣的话大家可自行研究，下面我们将目光转移到大数据领域看看吧。

1.2 离线场景下的JOIN

假设存在这样一个场景:

已知Mysql数据库中订单表和订单明细表，且满足一对多的关系，统计T-1天所有订单的商品分布详情。

聪明的大家肯定已经给出了答案，没错~就是上面的SQL:

select a.*, b.*
from 
   dwd_order_info_pfd a
right join 
   dwd_order_detail_pfd b
on a.id = b.order_id

现在修改下条件：已知订单表和订单明细表均为亿级别数据，求相同场景下的分析结果。

咋办？此时关系型数据库貌似不大合适了~开始放大招：使用大数据计算引擎来解决。

考虑到T-1统计场景对时效性要求很低，可以使用Hive SQL来处理，底层跑Mapreduce任务。如果想提高运行速度，换成Flink或Spark计算引擎，使用内存计算。
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至于查询SQL和上面一样，并将其封装成一个定时调度任务, 等系统调度运行。如果结果不正确的话，由于数据源和数据静态不变，大不了重跑，看起来感觉皆大欢喜~

可是好景不长，产品冤家此时又给了你一个无法拒绝的需求：我要实时统计！！

2 实时场景下的JOIN

还是上面的场景，此时数据源换成了实时订单流和实时订单明细流，比如Kafka的两个topic，要求实时统计每分钟内所有订单下的商品分布详情。
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现在情况貌似变得复杂了起来,简单分析下:

数据源。实时数据流，和静态流不同，数据是实时流入的且动态变化，需要计算程序支持实时处理机制。
关联性。前面提到静态数据执行多次join操作，左表和右表能关联的数据是很恒定的；而实时数据流(左右表)如果进入时机不一致，原本可以关联的数据会关联不上或者发生错误。
延迟性。实时统计，提供分钟甚至秒级别响应结果。

由于流数据join的特殊性，在满足实时处理机制、低延迟、强关联性的前提下，看来需要制定完善的数据方案，才能实现真正的流数据JOIN。

2.1 方案思路

我们知道订单数据和订单明细数据是一对多的关系，即一条订单数据对应着多条商品明细数据，毕竟买一件商品也是那么多邮费，不如打包团购。。而一条明细数据仅对应一条订单数据。

这样，双流join策略可以考虑如下思路:

当数据流为订单数据时。无条件保留，无论当前是否关联到明细数据，均留作后续join使用。
当数据流为明细数据时。在关联到其订单数据后，就可以say goodbye了，否则暂时保留等待下一次与订单数据的邂逅。
完成所有处于同一时段内的订单数据和订单明细数据join, 清空存储状态

实际生产场景中，需要考虑更多的复杂情况，包括JOIN过程的数据丢失等异常情况的处理，此处仅示意。

好了，看起来我们已经有了一个马马虎虎的实时流JOIN方案雏形。

貌似可以准备动手大干一场了~ 别着急，有人已经帮我们偷偷的实现了：Apache Flink

3 Flink的双流JOIN

Apache Flink 是一个框架和分布式处理引擎，用于对无界和有界数据流进行有状态计算。Flink 被设计在所有常见的集群环境中运行，以内存执行速度和任意规模来执行计算。
——来自Flink官网定义

在这里插入图片描述
这里我们只需要知道Flink是一个实时计算引擎就行了，主要关注其如何实现双流JOIN。

3.1 内部运行机制

内存计算：Flink任务优先在内存中计算，内存不够时保存到访问高效的磁盘上，提供秒级延迟响应。
状态强一致性：Flink使用一致性快照保存状态，并定期检查本地状态到持久存储来保证状态一致性。
分布式执行：Flink应用程序可以划分为无数个并行任务在集群中执行，几乎无限量使用CPU、主内存、磁盘和网络IO。
内置高级编程模型：Flink编程模型抽象为SQL、Table、DataStream|DataSet API、Process四层，并封装成丰富功能的算子，其中就包含JOIN类型的算子。

仔细看看，我们前面章节讨论的实时流JOIN方案的前提是否都满足了呢？

实时处理机制: Flink天生即实时计算引擎
低延迟: Flink内存计算秒级延迟
强关联性: Flink状态一致性和join类算子

不由感叹, 这个Flink果然强啊~

保持好奇心，我们去瞅瞅Flink双流join的真正奥义！！

3.2 JOIN实现机制

Flink双流JOIN主要分为两大类。一类是基于原生State的Connect算子操作，另一类是基于窗口的JOIN操作。其中基于窗口的JOIN可细分为window join和interval join两种。

实现原理：底层原理依赖Flink的State状态存储，通过将数据存储到State中进行关联join, 最终输出结果。

恍然大悟, Flink原来是通过State状态来缓存等待join的实时流。

4 基于Window Join的双流JOIN实现机制

顾名思义，此类方式利用Flink的窗口机制实现双流join。通俗理解，将两条实时流中元素分配到同一个时间窗口内完成Join。

底层原理: 两条实时流数据缓存在Window State中，当窗口触发计算时，执行join操作。

4.1 join算子

先看看Window join实现方式之一的join算子。这里涉及到Flink中的窗口(window)概念，因此Window Join按照窗口类型区分的话某种程度来说可以细分出3种：

Tumbling Window Join (滚动窗口)
Sliding Window Join (滑动窗口)
Session Widnow Join(会话窗口)

两条流数据按照关联主键在（滚动、滑动、会话）窗口内进行inner join, 底层基于State存储，并支持处理时间和事件时间两种时间特征，看下源码:

源码核心总结：windows窗口 + state存储 + 双层for循环执行join()

现在让我们把时间轴往回拉一点点，在实时场景JOIN那里我们收到了这样的需求：统计每分钟内所有订单下的商品明细分布。

OK, 使用join算子小试牛刀一下。我们定义60秒的滚动窗口，将订单流和订单明细流通过order_id关联，得到如下的程序：

val env = ...
// kafka 订单流
val orderStream = ... 
// kafka 订单明细流
val orderDetailStream = ...
    
orderStream.join(orderDetailStream)
    .where(r => r._1)  //订单id
    .equalTo(r => r._2) //订单id
    .window(TumblingProcessTimeWindows.of(
          Time.seconds(60)))
    .apply {(r1, r2) => r1 + " : " + r2}
    .print()

整个代码其实很简单，概要总结下:

定义两条输入实时流A、B
A流调用join(b流)算子
关联关系定义: where为A流关联键，equalTo为B流关联键，都是订单id
定义window窗口(60s间隔)
apply方法定义逻辑输出

这样只要程序稳定运行，就能够持续不断的计算每分钟内订单分布详情，貌似解决问题了奥~

还是别高兴太早，别忘了此时的join类型是inner join。复习一下知识：inner join指的是仅保留两条流关联上的数据。

这样双流中没关联上的数据岂不是都丢掉了？别担心，Flink还提供了另一个window join操作: coGroup算子。

4.2 coGroup算子

coGroup算子也是基于window窗口机制，不过coGroup算子比Join算子更加灵活，可以按照用户指定的逻辑匹配左流或右流数据并输出。

换句话说，我们通过自己指定双流的输出来达到left join和right join的目的。

现在来看看在相同场景下coGroup算子是如何实现left join:

#这里看看java的写法
orderDetailStream
  .coGroup(orderStream)
  .where(r -> r.getOrderId())
  .equalTo(r -> r.getOrderId())
  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(60)))
  .apply(new CoGroupFunction<OrderDetail, Order, Tuple2<String, Long>>() {
    @Override
    public void coGroup(Iterable<OrderDetail> orderDetailRecords, Iterable<Order> orderRecords, Collector<Tuple2<String, Long>> collector)  {
      for (OrderDetail orderDetaill : orderDetailRecords) {
        boolean flag = false;
        for (Order orderRecord : orderRecords) {
          // 右流中有对应的记录
          collector.collect(new Tuple2<>(orderDetailRecords.getGoods_name(), orderDetailRecords.getGoods_price()));
          flag = true;
        }
        if (!flag) {
          // 右流中没有对应的记录
          collector.collect(new Tuple2<>(orderDetailRecords.getGoods_name(), null));
        }
      }
    }
  })
  .print();

这里需要说明几点:

join算子替换为coGroup算子
两条流依然需要在一个window中且定义好关联条件
apply方法中自定义判断，此处对右值进行判断：如果有值则进行连接输出,否则右边置为NULL。

可以这么说，现在我们已经彻底搞定了窗口双流JOIN。

只要你给我提供具体的窗口大小，我就能通过join或coGroup算子鼓捣出各种花样join，而且使用起来特别简单。

但是假如此时我们亲爱的产品又提出了一个小小条件：

大促高峰期，商品数据某时段会写入不及时，时间可能比订单早也可能比订单晚，同样计算每分钟内的订单商品分布详情，没问题吧~

当然有问题：两条流如果步调不一致，还用窗口来控制能join的上才怪了~ 很容易等不到join流窗口就自动关闭了。

还好，我知道Flink提供了Interval join机制。

5 基于Interval Join的双流JOIN实现机制

Interval Join根据右流相对左流偏移的时间区间(interval)作为关联窗口，在偏移区间窗口中完成join操作。

有点不好理解，我画个图看下:
在这里插入图片描述

stream2.time ∈ (stream1.time +low, stream1.time +high)

满足数据流stream2在数据流stream1的 interval(low, high)偏移区间内关联join。interval越大，关联上的数据就越多，超出interval的数据不再关联。

实现原理：interval join也是利用Flink的state存储数据，不过此时存在state失效机制ttl，触发数据清理操作。

这里再引出一个问题:

state的ttl机制需要怎么设置？不合理的ttl设置会不会撑爆内存？

下面简单看下interval join的代码实现过程:

val env = ...
// kafka 订单流
val orderStream = ... 
// kafka 订单明细流
val orderDetailStream = ...
    
orderStream.keyBy(_.1)
    // 调用intervalJoin关联
    .intervalJoin(orderDetailStream._2)
    // 设定时间上限和下限
    .between(Time.milliseconds(-30), Time.milliseconds(30))  
    .process(new ProcessWindowFunction())
    
class ProcessWindowFunction extends ProcessJoinFunction...{
   override def processElement(...) {
      collector.collect((r1, r2) => r1 + " : " + r2)
   }
}

订单流在流入程序后，等候(low,high)时间间隔内的订单明细流数据进行join, 否则继续处理下一个流。

从代码中我们发现，interval join需要在两个KeyedStream之上操作，即keyBy()，并在between()方法中指定偏移区间的上下界。

需要注意的是interval join实现的也是inner join，且目前只支持事件时间。

6 基于Connect的双流JOIN实现机制

前面在使用Window join或者Interval Join来实现双流join的时候，我发现了其中的共性：

无论哪种实现方式，Flink内部都将join过程透明化，在算子中封装了所有的实现细节。

无论哪种实现方式，Flink内部都将join过程透明化，在算子中封装了所有的实现细节。

可是这样会引来一个问题：如果程序报错或者数据异常，如何快速进行调优排查，直接看源码吗？不大现实。。

这里介绍基于Connect算子实现的双流JOIN方法，我们可自己控制双流JOIN处理逻辑，同时保持过程时效性和准确性。

6.1 Connect算子原理

对两个DataStream执行connect操作，将其转化为ConnectedStreams, 生成的Streams可以调用不同方法在两个实时流上执行，且双流之间可以共享状态。
在这里插入图片描述
图上我们可以看到，两个数据流被connect之后，只是被放在了同一个流中，内部依然保持各自的数据和形式，两个流相互独立。

[DataStream1, DataStream2] -> ConnectedStreams[1,2]

这样，我们可以在Connect算子底层的ConnectedStreams基础上编写代码，自行实现双流JOIN的逻辑处理。

6.2 技术实现

1.调用connect算子,根据orderid进行分组，并使用process算子分别对两条流进行处理。

orderStream.connect(orderDetailStream)
  .keyBy("orderId", "orderId")
  .process(new orderProcessFunc());

2.process方法内部进行状态编程, 初始化订单、订单明细和定时器的ValueState状态。

private ValueState<OrderEvent> orderState;
private ValueState<TxEvent> orderDetailState;
private ValueState<Long> timeState;

// 初始化状态Value
orderState = getRuntimeContext().getState(
 new ValueStateDescriptor<Order>
 ("order-state",Order.class));
····

3.为每个进入的数据流保存state状态并创建定时器。在时间窗口内另一个流到达时进行join并输出，完成后删除定时器。

@Override
public void processElement1(Order value, Context ctx, Collector<Tuple2<Order, OrderDetail>> out){
  if (orderDetailState.value() == null){
    //明细数据未到，先把订单数据放入状态
     orderState.update(value);
    //建立定时器，60秒后触发
     Long ts = (value.getEventTime()+60)*1000L;
     ctx.timerService().registerEventTimeTimer(
       ts);
     timeState.update(ts);
  }else{
    //明细数据已到，直接输出到主流
     out.collect(new Tuple2<>(value,orderDetailS
       tate.value()));
    //删除定时器
     ctx.timerService().deleteEventTimeTimer
      (timeState.value());
     //清空状态，注意清空的是订单明细状态
      orderDetailState.clear();
      timeState.clear();
  }
}
...
@Override
public void processElement2(){
  ...
}

4.未及时到达的数据流触发定时器输出到侧输出流，左流先到而右流未到，则输出左流，反之输出右连流。

@Override
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<Tuple2<Order, OrderDetail>> out) {
  // 实现左连接
   if (orderState.value() != null){
       ctx.output(new OutputTag<String>("left-jo 
       in") {}, 
       orderState.value().getOrderId());
   // 实现右连接
   }else{
      ctx.output(new OutputTag<String>("right-jo 
       in") {}, 
       orderDetailState.value().getOrderId());
   }
   orderState.clear();
   orderDetailState.clear();
   timeState.clear();
}

总体思想：基于数据时间实现订单数据及订单明细数据的关联，超时或者缺失则由侧输出流输出。

在connect中针对订单流和订单明细流，先创建定时器并保存state状态，处于窗口内就进行join, 否则进入侧输出流。

7 双流JOIN的优化与总结

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这个一般来说不会，join过程可以使用侧输出流存储延迟流；如果出现节点网络等异常，Flink checkpoint也可以保证数据不丢失。