Flink事件时间和Watermark

前言

Flink 提供了三种时间语义，分别是事件时间、摄入时间和处理时间。其中，只有事件时间需要配合 Watermark 使用，这是为什么呢？Watermark 又是个什么东西呢？

诞生背景

时间窗口计算模型的三大属性，分别是：窗口的大小、计算的频次、窗口数据的处理逻辑。其中，计算的频次 Flink 要如何确定呢？

举个例子，现在要每隔1分钟计算某个商品过去1分钟的销量。

这是一个典型的滚动窗口计算场景，窗口大小和计算频次都是1分钟。在摄入时间或处理时间语义下，Flink 很容易处理，因为这俩时间语义都是采用的 subTask 本地机器时间来分配窗口的，本地机器时间有个特点，那就是单调递增，对于窗口算子来说，数据都是顺序到达的，subTask 无须处理乱序数据。窗口的分配和关闭计算全凭本地机器时间推动，Flink 只需要启动一个单独的线程，在窗口关闭时间到达的时候触发计算即可。

可是，在事件时间语义下，因为数据是乱序的，窗口算子必须要考虑如何处理“迟到”的数据，这件事就变得复杂起来了。

举个例子，窗口算子 subTask 分别接收到了下单时间为 10:00:20、10:00:40 的两条订单数据，于是将其分配到 [10:00,10:01] 窗口并缓存起来，接着又收到了下单事件为 10:01:30 的订单数据，此时，Flink 可以将 [10:00,10:01] 窗口关闭并触发计算吗？？？

此时，Flink 面临两个选择：1、关闭窗口并计算，数据处理的效率和实时性更好，但是面对后续到达的迟到数据，只能选择丢弃，结果的准确性会降低；2、不关闭窗口，继续等待迟到数据，结果的准确性会更高，但是效率和实时性会降低。

Flink 面对两难的抉择，其实不知道如何选择，索性把这个选择权交给开发者。于是，Watermark 诞生了，它其实就是事件时间时钟，发送 Watermark 其实就是推进下游算子 subTask 的事件时间时钟，告诉下游算子，Watermark 之前的数据已经全部到达，对应的窗口可以关闭并触发计算了。

如果业务对实时性要求更高，那么我们就可以把 Watermark 设置的激进些；如果业务对结果准确性更高，那么就可以把 Watermark 设置的保守些。

Watermark 是什么

Watermark 是一个单位为毫秒的Unix时间戳，用于维护事件时间时钟。如下示例，代表创建了一个时间为2024-01-01 00:00:00的Watermark：

Watermark watermark = new Watermark(1704038400L);

需要注意的是，Watermark 的生成规则应该遵循单调递增原则，就像时间一样不能回退，否则可能会导致数据结果不正确。

在 Flink 中，在所有算子间传输的数据都被抽象成了 StreamElement 类。普通数据被封装成子类 StreamRecord，Watermark 是一种可以在算子间传输的特殊数据，它只携带一个时间戳，所以被封装成了子类org.apache.flink.streaming.api.watermark.Watermark

public class Watermark extends StreamElement {
    public static final Watermark MAX_WATERMARK = new Watermark(Long.MAX_VALUE);
    public static final Watermark UNINITIALIZED = new Watermark(Long.MIN_VALUE);
    protected final long timestamp;
}

Watermark生成策略

Watermark 生成策略被 Flink 抽象成了 WatermarkStrategy 接口

public interface WatermarkStrategy<T> extends TimestampAssignerSupplier<T>, WatermarkGeneratorSupplier<T> {
    
    WatermarkGenerator<T> createWatermarkGenerator(WatermarkGeneratorSupplier.Context var1);

    default TimestampAssigner<T> createTimestampAssigner(TimestampAssignerSupplier.Context context) {
        return new RecordTimestampAssigner();
    }
}

它包含两个组件，WatermarkGenerator 用于生成 Watermark，TimestampAssigner 用于提取数据中的事件时间。

WatermarkGenerator 接口中，onEvent() 会在每次处理数据时调用，适用于数据本身携带 Watermark 的场景；onPeriodicEmit() 会按照一定的频率周期性的调用，适用于数据本身没有 Watermark 标志的场景。

public interface WatermarkGenerator<T> {
    void onEvent(T var1, long var2, WatermarkOutput var4);

    void onPeriodicEmit(WatermarkOutput var1);
}

TimestampAssigner 默认会使用子类 RecordTimestampAssigner，它直接使用 Source 算子采集数据时指定的时间戳，即通过以下方式采集数据时使用：

public void run(SourceContext<String> sourceContext) throws Exception {
    sourceContext.collectWithTimestamp("element", System.currentTimeMillis());
}

如果 Source 算子没有指定时间戳，就需要我们实现 TimestampAssigner 接口自己从数据中提取时间戳了。

内置的WatermarkGenerator

Flink 内置了一些常用的Watermark生成策略，如果满足业务需求，可以拿来即用。

1、BoundedOutOfOrdernessWatermarks

你能接受的最大乱序程度是多少？假如说，你认为数据延迟最多不超过10秒，即到达 10:00:10时，10点之前的数据肯定全部到达，那么就可以直接使用 BoundedOutOfOrdernessWatermarks。

public class BoundedOutOfOrdernessWatermarks<T> implements WatermarkGenerator<T> {
    private long maxTimestamp;
    private final long outOfOrdernessMillis;

    // 最大乱序程度 时间
    public BoundedOutOfOrdernessWatermarks(Duration maxOutOfOrderness) {
        Preconditions.checkNotNull(maxOutOfOrderness, "maxOutOfOrderness");
        Preconditions.checkArgument(!maxOutOfOrderness.isNegative(), "maxOutOfOrderness cannot be negative");
        this.outOfOrdernessMillis = maxOutOfOrderness.toMillis();
        this.maxTimestamp = Long.MIN_VALUE + this.outOfOrdernessMillis + 1L;
    }

    public void onEvent(T event, long eventTimestamp, WatermarkOutput output) {
        this.maxTimestamp = Math.max(this.maxTimestamp, eventTimestamp);
    }

    public void onPeriodicEmit(WatermarkOutput output) {
        output.emitWatermark(new Watermark(this.maxTimestamp - this.outOfOrdernessMillis - 1L));
    }
}

实例化 BoundedOutOfOrdernessWatermarks 需要传入一个你能接受的最大乱序程度时间，Watermark 会周期性的发送，但是发送的时间戳会比当前最大的事件时间减去一个 maxOutOfOrderness。

2、AscendingTimestampsWatermarks

如果你确定数据流中永远也不会有迟到数据，即你处理的是一条有序数据流，那么直接使用 AscendingTimestampsWatermarks，它继承自 BoundedOutOfOrdernessWatermarks，只不过不接收乱序。

public class AscendingTimestampsWatermarks<T> extends BoundedOutOfOrdernessWatermarks<T> {
    public AscendingTimestampsWatermarks() {
        super(Duration.ofMillis(0L));
    }
}

自定义WatermarkGenerator

内置 WatermarkGenerator 不满足需求时，也可以自定义Watermark生成策略。

如果数据本身携带 Watermark 标志，那么可以重写 onEvent() 来发送 Watermark。

public class MyWatermarkGenerator implements WatermarkGenerator<Tuple2<String, Long>> {

    @Override
    public void onEvent(Tuple2<String, Long> tuple2, long l, WatermarkOutput watermarkOutput) {
        // 假设数据格式中 字符串W开头是Watermark，其中f1是时间戳
        if (tuple2.f0.startsWith("W")) {
            watermarkOutput.emitWatermark(new Watermark(tuple2.f1));
        }
    }

    @Override
    public void onPeriodicEmit(WatermarkOutput watermarkOutput) {
        // NOOP
    }
}

如果数据本身没有Watermark标志，我们也可以直接根据系统时钟，周期性的发送 Watermark。先通过 StreamExecutionEnvironment 设置周期性发送 Watermark 的频率

StreamExecutionEnvironment environment = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
environment.getConfig().setAutoWatermarkInterval(500L);

再重写 onPeriodicEmit()

public class MyWatermarkGenerator implements WatermarkGenerator<Tuple2<String, Long>> {

    @Override
    public void onEvent(Tuple2<String, Long> tuple2, long l, WatermarkOutput watermarkOutput) {
        // NOOP
    }

    @Override
    public void onPeriodicEmit(WatermarkOutput watermarkOutput) {
        watermarkOutput.emitWatermark(new Watermark(System.currentTimeMillis()));
    }
}

迟到数据的处理

针对迟到数据的处理，Flink 提供了三种方案。

1、推送延迟的 Watermark

通过设置最大乱序容忍度，让 Flink 发送 Watermark 时主动把最大事件时间减去一个延迟时间，为乱序数据争取更多的时间进入窗口。

WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(5));

2、窗口延迟关闭

如果延迟后的 Watermark 还是没能等到迟到的数据，我们可以用第二招：窗口延迟关闭。

Watermark 到了窗口的关闭时间，先触发计算，但是不关闭窗口，窗口内缓存的数据会保存一段时间，这段时间内如果有迟到的数据，Flink 会重新计算。直到 Watermark 超过了窗口关闭时间+延迟时间，窗口才会真的关闭。注意，延迟的时间不宜过长，会增加 Flink 作业的负担。

.windowAll(TumblingEventTimeWindows.of(Duration.ofSeconds(10L)))
.allowedLateness(Duration.ofSeconds(3L))

3、迟到数据输出到另外一个数据流

如果延迟的窗口还是没能等到迟到的数据，Flink 还给我们准备了最后一招。

通过Flink提供的侧输出流能力，将迟到数据输出到另外一个数据流里，迟到数据流再对计算结果做一定的修正。

.windowAll(TumblingEventTimeWindows.of(Duration.ofSeconds(10L)))
.allowedLateness(Duration.ofSeconds(3L))
.sideOutputLateData(new OutputTag<>("late-data"))

尾巴

Flink 在事件时间语义下需要搭配 Watermark 使用，Watermark 是一种特殊的数据类型，它可以在算子间传输。它本身就是一个时间戳，本质上是一个衡量事件时间进度的标记，subTask 收到 Watermark 会认为早于该时间戳的数据都收到了，相应的窗口可以关闭并触发计算了。

Watermark 是为了平衡数据处理的时效性和结果准确性的一个手段，如果业务对时效性敏感，Watermark就可以设置的激进些；如果业务对结果准确性更敏感，Watermark 就可以设置的保守些。另外需要注意，Watermark 生成要遵循单调递增的原则，不能发生时钟回退。Watermark 生成也不宜太频繁，以免影响 Flink 作业的性能。